Physik 4: Skalen und Strukturen

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1 Physik 4: Skalen und Strukturen Kapitel : Kernphysik.1 Grundlagen.2 Kerneigenschaften. Bindungsenergien.4 Kernzerfälle.5 Kernreaktionen.6 Anwendungen

2 Geometrischer Wirkungsquerschnitt Gesamtfläche A, n Streuzentren Streuwahrscheinlichkeit p n r A 2

3 Rutherford-Streuung Coulomb-Streuung von punktförmigen, spinlosen Teilchen

4 Rutherford-Streuung

5 Zerfallsgesetz (Aktivität A) ) ln 2 / exp( ln 2 ) exp( ) ( ) ( ) ( ) ( 2 1/ 2 1/ 0 0 T T N t N t N t N t N A t

6 Unschärferelation für Zerfälle Breit-Wigner-Spektrum Messung Z 0 -Resonanz E

7 Nuklid-Karte

8 Ausschnitt Nuklidkarte N=Z

9 Massenbestimmung Ionenfallen Messung am Triga-Reaktor in Mainz

10 Doppelfokussierendes Spektrometer

11 Massenspektrometer Restgasprobe

12 Solare Häufigkeit der Elemente

13 Ladungsverteilung - Formfaktoren f(r) F(q)

14 Bestimmung der Ladungsdichten

15 Bindungsenergie pro Nukleon

16 Tröpfchenmodell Oberfläche: 4 R 2 Volumen: 4/ R Oberfläche/Volumen: /R A -1/

17 Fermi-Gas-Modell

18 Abweichungen vom Tröpfchenmodell

19 Effekte des Schalenmodells des Kerns Bindungenergie(Z,N) Doppelt magische Kerne bei 2 x (2, 8, 20, 28, 50, 82, 126)

20 Zerfälle in N-Z Ebene

21 Alpha-, +, - und Electron Capture

22 Beta-Zerfallsarten

23 Projekt Poltergeist

24 Raymond Davies Jr. In jeder Sekunde durchdringen uns 100 Milliarden Neutrinos

25 ...aber Sie merken nichts davon nur ein Neutrino aus dem All reagiert mit Ihnen in Lebenszeit... Mittlere Distanz durch Materie bis Reaktion stattfindet: 1.6 Milliarden Erden!..besser bei hohen Energien

26

27 am geographischen Südpol Kapitel

28 Aufbau seit 2005: Fertigstellung Ende Dezember 2010 Kapitel Der IceCube-Detektor (1 km!) Sensoren in 1450 bis 2450 m Tiefe 86 Löcher mit jeweils 60 Sensoren

29 Beta Zerfälle

30 Bindungsenergie [MeV] Kapitel Beta-Zerfälle Z : p n + e + + e - : n p + + e - + anti- e

31 Doppelter Beta-Zerfall Suche nach neutrinolosem Beta-Zerfall ist wichtiges Forschungsthema Empfindliche Neutrinomassenmessung Neutrino und Antineutrino müssen übereinstimmen!

32

33 Katrin Neutrinomassen-Experiment

34 Quantenmechanischer Tunneleffekt

35 Alpha-Zerfall Lebensdauer

36

37

38 Induzierte Kernspaltung Thermisches Neutron

39 Kernspaltung Spaltbarriere Asymmetrische Verteilung der Zerfallsprodukte

40 Abschirmung radioaktiver Strahlung

41 Belastung von Bevölkerungsgruppen

42 Marsflug 15 monatiger Flug mindestens 1 Sv Bei heftigem Sonnensturm bis zu 10 x höher

43 Natürliche Belastung durch Radon abhängig vom Gestein im Untergrund aber auch Belastung in Betongebäuden!

44 Fluss Kapitel Kosmische Strahlung Bei niedrigen Energien: Protonen, Kerne Bei mittleren Energien: Protonen Bei ganz hohen Energien Kerne? Energie (ev) Fluss nimmt sehr stark mit Energie ab (Fluss ~ Energie -2,7 )

45 AUGER Experiment

46 Höchste Energien Winziges Proton mit Energie eines Tennisballs beim schnellsten Aufschlag (oder Ziegelstein aus 1 m Höhe)

47 mitten in der Pampa Provinz Mendoza Höhe: 1400 m Fläche: 000 m 2 Detektoren: 1600 Saarland schon wieder muss das arme Saarland herhalten

48 Kohlenstoff-14 Methode Erzeugung von n durch kosmische Strahlung in Atmosphäre (Spallation): Sobald Austausch unterbrochen:

49 Natürliche Schwankungen Kernwaffen-Fallout Kapitel Schwankungen 14-C Anteil Viel Sonnenflecken : geringer 14-C Anteil

50 Kohlenstoff 14-Datierung Korrekturen sind nötig! Dendochronologie (Jahresringe) langlebiger Bäume

51 Kernspinresonanz Ohne Magnetfeld mit Magnetfeld E h E = 2 m z B o g/2 B o Larmorfrequenz g/2 = MHz / Tesla for proton In Wirklichkeit nur 0.000% mit Magnetfeld ausgerichtet

52 Kernspinresonanz Vor Energieeinstrahlung: B o Niedrigere Energie Höhere Energie Nach Energieeinstrahlung: Boltzmann-Gleichung: N - /N + = e E/kT Relaxation: Bei Raumtemperatur: N - /N + ~ /100006

53 Magnetische Spinresonanz Tesla

54 Magnetische Spinresonanz Echtzeit Tomographie seit 2010 möglich

55 Kettenreaktion

56 Uran Einfangswirkungsquerschnitt 1 / Geschwindigkeit + Resonanzen

57 Prinzip des Druckwasserreaktors

58 Cherenkovstrahlung Krümmel-Reaktor Blick ins Innere des Reaktors Krümmel Neutron-Energieverteilung

59 Fukushima: anrollender Tsunami

60 Tsunami im Reaktorkomplex

61 Ausströmendes radioaktives Wasser

62 Zustand von Fukushima (Mai 2011)

63 Fusionsreaktionen

64 Livermore NIF Laser 1.2 Milliarden Dollar für National Ignition Facility 192 Laserstrahlen treffen auf 2 mm großes Kügelchen mit gefrorenem Deuterium und Tritium (1 Mega-Joule Energie in wenigen ns) Aber: nur 4-6 Pulse pro Tag!!!! Herbst 2010: erstmalig Dichte und Temperatur zur Zündung erreicht

65 Deuterium/Tritium Pellet

66 NIF Herbst 2010: Vorher nachher Kühlfinger werden kurz vor Schuss weggeklappt

67 Prinzip des Tokamaks Sehr schematisch entspricht nicht heutiger Planung

68 Kernfusion im ITER-Tokamak

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