15 Kernphysik Der Atomkern 15.2 Kernspin Zerfallsgesetz radioaktiver Kerne

Transkript

1 15 Kernphysik 15.1 Der Atomkern 15.2 Kernspin 15.3 Radioaktivität ität 15.4 Zerfallsgesetz radioaktiver Kerne 15.5 Kernprozesse Kernfusion Kernspaltung 1553K Kettenreaktion

2 15. Kernphysik Der Atomkern Kern besteht aus: Z Protonen = Kernladungszahl N Neutronen = Neutronenzahl A Nukleonen = Massenzahl A = Z + N Def: Nuklid: definiert i durch unterschiedliche h Massenzahl Isotop: Z gleich, A unterschiedlich Schreibweise: A 12 Z X Beispiel 6 C

3 Zusammenhalt durch starke Wechselwirkung = Kernkraft Massendefekt:

4 15.2 Kernspin p und n haben Spin(Quantenzahl) 1/2 Betrag des Spins: z-komponente des Spins: Konsequenz: Kern besitzt (Eigen-) Drehimpuls Kern besitzt magnetisches Moment Analog zum Bohr schen Magneton gibt es Kernmagneton μ p = + 2,7928 μ κ μ n = - 1,9130 μ k

5 Für potentielle Energie in äußerem Magnetfeld gilt: Medizinische i i Anwendung: NMR- Spectroscopy (Nuclear Magnetic Resonance) bzw.: Kernspintomographie

6

7 15.3 Radioaktivität Es gibt ca Nuklide, davon ca. 90 % instabil Radioaktivität: Umwandlung von Kernen unter Aussendung Ionisierender Strahlung ( e -, e +, α,, γ) Gründe für Instabilität: Kerne ab Z > 83 zu groß instabil Elektrostatik > starke WW (Kernkraft) Arten der Radioaktivität: beta (β) - Zerfall, alpha (α) - Zerfall, gamma (γ) - Zerfall

8 Der α -Zerfall Mit α-teilchen = 4 He Kern = 2 - fach positiv geladen 2 Das Energiespektrum muss Linienspektrum sein (Warum?)

9 Der ß-Zerfall - freies n macht ß-Zerfall Neutrinos (ν) sind schwach wechselwirkende Teilchen schwer nachzuweisen Frage: Woher weiss man, dass Neutrinos entstehen? Antwort: Energiespektrum der e - kontinuierlich Es gilt: β - Tilh Teilchen lassen sich ihliht leicht absorbieren bi - freies p macht keinen ß-Zerfall (warum?)

10

11 Der γ-zerfallz f Nach Kernzerfällen verbleibt Kern in angeregtem Zustand Übergang in Grundzustand durch Aussenden von Gamma-Quanten Frage: Woher Linienverbreiterung?

12 Einheit der Radioaktivität Einheit: Bequerel = Bq mit 1 Bq = 1 Zerfall/s ( alte Einheit: Curie = Ci mit 1 Ci = 3, Zerfälle /s) Beispiele:

13 Biologische Wirkung von Strahlung Def.: Energiedosis i Einheit: Gray 1Gy=1J/kg 1J/kg Strahlungart hat unterschiedliche Wirkung auf menschliches Gewebe Qualitätsfaktor Q - g, b 1 n 10 a 20 Äquivalentdosis in Sv (Sievert) H=DQ -

14 15 Kernphysik Physik für E-Techniker

15 Medizinische Anwendung Positron-Emissions-Tomographie (PET) NMR S PET

16 15.4 Zerfallsgesetz radioaktiver Kerne Zahl der Zerfälle dn Mittlere Lebensdauer t

17 In der Praxis häufig Halbwertszeit (T 1/2 )

18 15.55 Kernprozesse Kernfusion Fusion unter Energieabgabe Kernfusion Zwei leichte Kerne bilden einen größeren Kern unter Energieabgabe Grund Bindungsenergie für A < 60 nimmt mit abnehmendem A ab

19 Fusion zu Deuterium Fusion zu Tritium Reaktion bei (geplanten) Fusionsreaktoren Damit Kerne fusionieren kleiner Abstand (ca m) notwendig Elektrostatische Abstoßung muss überwunden werden.

20

21 ITER Person

22 Kernspaltung Kernspaltung: Zerfall eines großen Kerns in zwei (nahezu) gleichgroße Spaltprodukte Man unterscheidet Spontane Kernspaltung (sehr selten) Induzierte Kernspaltung (technisch genutzt) Bespiele: Ursache für Spaltung: Bindungsenergie der schweren Kerne ( A ca. 240) kleiner als die der Spaltprodukte

23 Energiegewinn durch Spaltung

24 Problem: Spaltprodukte haben zu viele Neutronen instabil Neutronenüberschuss wird durch radioaktive Zerfälle abgebaut Beispiel:

25 1553K Kettenreaktion ki Spaltung von 235 U durch Beschuss mit n weitere Neutronen weitere Spaltungen weitere Neutronen usw. große Energieabgabe Vergleich (pro Elementarprozess) Chemie: 10 ev Fusion: 10 MeV Spaltung: 200 MeV

26 Kernreaktoren Basieren auf kontrollierter (!?) Kernspaltung Problem Pro Spaltung ca. 2,5 freie Neutronen mit E kin Wahrscheinlichkeit für Spaltung >> für E kin = 1 MeV = 1 ev Neutronen müssen abgebremst b (moderiert) werden (z. B. durch Wasser, Graphit) Neutronen müssen (z.b. durch Cd) weggefangen werden (Problem der Kontrolle)

27 15 Kernphysik Reaktorkern Physik für E-Techniker Steuerung mit Moderatorstäben

28