Physik V. Kern- und Teilchenphysik. Dr. Daniel Bick. 15. Januar Daniel Bick Physik V WS 2015/ Januar / 25

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1 Physik V Kern- und Teilchenphysik Dr. Daniel Bick 15. Januar 2016 Daniel Bick Physik V WS 2015/ Januar / 25

2 Inhalt 1 Kernspaltung 2 Kernfusion 3 Fusion in der Sonne Solare Neutrinos Daniel Bick Physik V WS 2015/ Januar / 25

3 Kernspaltung Tritt auf bei schweren Kernen, wenn Z 2 /A > 48 Man unterscheidet spontane Spaltung induzierte Spaltung durch Beschuss mit Teilchen (Neutronen) oder Photonen Historischer Ablauf 1938: Experimentelle Entdeckung der n-induzierten Spaltung von 238 U durch Otto Hahn und Fritz Straßmann. Wenig später korrekte Interpretation durch Lise Meitner und Otto Frisch, dann beschreibunf im Tröpchenmodell durch John Wheeler und Nils Bohr. 1940: Entdeckung der spontanen Spaltung durch Flerov und Petrzhak 1942: Erste kontrollierte Kettenreaktion durch Enrico Fermi in Chicago Daniel Bick Physik V WS 2015/ Januar / 25

4 Energieverhältnisse und Mechanismus der Spaltung Daniel Bick Physik V WS 2015/ Januar / 25

5 Spaltbarkeitsparameter Daniel Bick Physik V WS 2015/ Januar / 25

6 Induzierte Spaltung Sehr schwere Kerne (Z 92): Spalbarriere nur ca. 6 MeV Angeregter Kern nach Einfang von Neutronen. Falls Anregungsenergie > Spaltbarriere Spaltung des Kerns. Besonders günstig Einfang von Neutronen in Kernen mit ungeradem N Beispiel: Induzierte Spaltung von 238 U und 235 U n U 239 U n U 236 U Daniel Bick Physik V WS 2015/ Januar / 25

7 Induzierte Spaltung von 235 U Energiebilanz: 1 Kinetische Energie der Spaltfragmente 2 Kinetische Energie der Spaltneutronen 3 Prompte γ-strahlung 4 Verzögerte γ-strahlung aus Spaltfragmenten 5 β-strahlung aus Spaltfragmenten 6 Kinetische Energie der Antineutrinos Maximal absorbierte Energie pro Spaltung: (204 12) MeV = 192 MeV = 3 11 J Daniel Bick Physik V WS 2015/ Januar / 25

8 Ablauf der Kernspaltung Massen hin mit denen aus der Flanke zu niedrigen Massen hin. Analog gilt im im Innenbereich der Verteilung. Als gepunktete Linie ist die Za der jeweils emittierten Neutronen angegeben. Die Massenverteilung spont spaltender Kerne wie z.b. 244 Cm oder 252 Cf zeigt ebenfalls zwei getrenn Massenbereiche. Eine Kernspaltung kann auch durch geladene Teilchen ausgelöst werde wie das Beispiel für 209 Bi in Bild 7.13 für α-teilchen zeigt. Hier tritt eine sy metrische Spaltung am häufigsten auf. Diese Spaltung wird dann beobacht Bild Massenverteilung der Spaltfragmente aus 235 U(n,f). Die gepunkt Linie gibt die mittlere Anzahl der emittierten Neutronen ν(m) an Daniel Bick Physik V WS 2015/ Januar / 25

9 Nutzung der Kernspaltung Kettenreaktion Reaktortypen T p Mod. Ku hlmittel Siedewasser 290 C 70 bar H2 O H2 O Daniel Bick Druckwasser 326 C 150 bar H2 O H2 O Gasgeku hlt 670 C 40 bar Graphit He,CO2 Physik V WS 2015/ Januar / 25

10 Kernfusion Daniel Bick Physik V WS 2015/ Januar 2016 / 25

11 Kontrollierte Kernfusion Daniel Bick Physik V WS 2015/ Januar / 25

12 Technische Nutzung Name Typ Baubeginn JET Tokamak 1977 ITER Tokamak 2007 Wendelstein 7-X Stellarator 1997 Daniel Bick Physik V WS 2015/ Januar / 25

13 Fusion in der Sonne: pp-kette p + p d + e + + ν e 99.76% (pp) 0.24% (pep) 5 % p + e + p d + ν e d + p 3 He + γ 3 He + 1 H 4 He + ν e + e % hep 3 He + 4 He 7 Be + γ 99.88% 0.12% 7 Be + e 7 Li + ν e 7 Be + 1 H 8 B + γ 83.30% 3 He + 3 He 4 He + p + p 7 Li + p 4 He + 4 He 8 B 8 Be + e + + ν e pp I pp II 8 Be 4 He + 4 He pp III Spaß mit Fusion in der Sonne: Daniel Bick Physik V WS 2015/ Januar / 25

14 CNO-Zyklus 1 H 4 He 1 H 12 C 15 N 13 N 15 O 13 C 14 N 1 H 1 H Daniel Bick Physik V WS 2015/ Januar / 25

15 Neutrinofluss auf der Erde MeV -1 ] -2 s -1 Flux [cm pp [± 0.6 %] 13 N [± 14 %] 15 O [± 14 %] 17 F [± 17 %] 7 Be [± 7 %] pep [± 1.2 %] 8 B [± 14 %] hep [± 30 %] 1 Neutrino Energy [MeV] Name High Z Φ GS98 [cm 2 s 1 ] Low Z Φ AGSS09 [cm 2 s 1 ] E ν,max [MeV] pp pep hep Be / B N O Daniel Bick Physik V WS 2015/ Januar / 25

16 Radiochemischer Nachweis Daniel Bick Physik V WS 2015/ Januar / 25

17 Solares Neutrino-Rätsel Das Homestake Experiment ν e + 37 Cl 37 Ar + e Gallex GNO ν e + 71 Ga 71 Ge + e Y = (0.482 ± 0.042) R = (2.56 ± 0.22) SNU R SSM = (8.0 ± 3.0) SNU Raymond Davis Jr. Nobelpreis 2002 for pioneering contributions to astrophysics, in particular for the detection of cosmic neutrinos Daniel Bick Physik V WS 2015/ Januar / 25

18 Neutrino Nachweis über elastische Streuung Daniel Bick Physik V WS 2015/ Januar / 25

19 SNO Daniel Bick Physik V WS 2015/ Januar / 25

20 Lösung des solaren Neutrino-Rätsels s -1 ) 6 cm -2 BS05 6 φssm 68% C.L. NC φµτ 68%, 95%, 99% C.L. 5 ( φ µτ φ 68% C.L. SNO CC φ 68% C.L. SNO NC 1 φ 68% C.L. SNO ES φ 68% C.L. SK ES ( cm -2 s -1 ) Arthur B. McDonald Nobelpreis 2015 φ e for the discovery of neutrino oscillations, which shows that neutrinos have mass Daniel Bick Physik V WS 2015/ Januar / 25