Kernphysik

Grundlagen

Rutherford-Experiment

Rutherford schoss mithilfe eines Alphastrahlers (Radium) Alphateilchen auf eine Goldfolie. Nur wenige Teilchen wurden abgelenkt/reflektiert → der Atomkern ist sehr klein; der Kern ist positiv, die Hülle negativ.

Atombau

Der Atomkern besteht aus Nukleonen (Kernbausteinen), also Protonen und Neutronen. Positiv geladene Protonen haben eine Masse von 1,673 ⋅ 10^-27 kg, Neutronen eine Masse von 1,67 ⋅ 10^-27 kg und negativ geladene Elektronen eine Masse von 9,11 ⋅ 10^-31 kg. Der Atomkern ist somit deutlich schwerer als die Hülle.

Periodensystem

Anzahl der Nukleonen/Massezahl (A) = Anzahl der Protonen p⁺ (Z) + Anzahl der Neutronen n (N)

Es gibt gleich viele Protonen wie Elektronen (neutral geladen).

Nuklidkarte

In der Nuklidkarte stehen Protonen- und Neutronenzahl, Stabilität, Halbwertszeit und Zerfallsart → "Periodensystem des Kernphysikers"

Kernkraft

Kernkraft = starke Wechselwirkung = Kraft, die im Atomkern Nukleonen untereinander anzieht

Zu großer Neutronenüberschuss → instabiler Kern → zerfällt

Die Kernkraft

• wirkt nur über kleine Distanzen
• wirkt nur bei Nukleonen
• ist sehr stark → Kern hält zusammen trotz sich abstoßender Protonen
• ist teil der vier Grundkräfte der Physik

Die Grundkräfte der Physik:

• Starke Wechselwirkung (Kernkraft)
• Schwache Wechselwirkung
• Elektromagnetische Wechselwirkung
• Gravitationswechselwirkung

Bindungsenergie im Kern

Semiempirische Bethe-Weizsäcker-Formel aus fünf Beiträgen:

Volumenterm

Starke Wechselwirkung (gilt nur für direkte Nachbarn)

+ für Bindungsenergie

Oberflächenterm

Gleicht Fehler des Volumenterms aus (an der Oberfläche keine direkten Bindungspartner)

- für Bindungsenergie

Coulombterm

Elektrostatische Abstoßung der Protonen

- für Bindungsenergie

Asymmetrieterm

Stark unterschiedliche Protonen-/Neutronenzahl → geringere Stabilität; Term verschwindet bei Protonenzahl = Neutronenzahl

- für Bindungsenergie

Paarungsterm

Die Bildung von Proton-Proton-Paaren und Neutron-Neutron-Paaren ist positiv für die Bindungsenergie. Bei gerader Protonen- und Neutronenzahl ist der Term positiv für die Bindungsenergie, bei gerader Protonen- und ungerader Neutronenzahl (und umgekehrt) neutral und bei ungerader Protonen- und Neutronenzahl negativ.

Massendefekt

Einzelne Nukleonen sind schwerer als gebundene Nukleonen (in einem Atomkern)

Radioaktivität

Radioaktivität wurde von Wilhelm Conrad Röntgen entdeckt. Später prägten Henri Becquerel und Marie und Pierre Curie den Begriff der Radioaktivität, wofür das Ehepaar Curie auch Nobelpreise erhielt.

Zerfallsarten

Instabile Kerne können auf unterschiedliche Arten zerfallen.

Alpha-Zerfall

• Ziel: Erhöhung der Kernstabilität
• Kernkräfte können Abstoßung der Protonen nicht kompensieren
• Aussendung eines α-Teilchens (⁴₂He)
• Strahlung durch Papier abschirmbar

^A_ZX -α→ ^A-4_Z-2Y + ⁴₂He + ΔE

Beta-Minus-Zerfall

• Viel mehr Neutronen als Protonen
• Neutron wandelt sich in Proton um

^A_ZX -β^-→ ^A_Z+1Y + ⁰_-1e^- + ⁰₀ν_e

Beta-Plus-Zerfall

• Mehr Protonen als Neutronen
• Proton wandelt sich in Neutron um

^A_ZX -β⁺→ ^A_Z-1Y + ⁰₁e⁺ + ⁰₀ν_e

Gamma-Übergang

• Nach α oder β^--Zerfällen
• Kern ist angeregt (zu viel Energie)
• gibt Photon (γ-Teilchen) ab
• Schlecht abschirmbar

^A_ZX^* -γ→ ^A_ZX + γ

Aktivität

Anzahl der Zerfälle pro Zeiteinheit: A = Δ N / Δ t

Einheit: Becquerel Bq (früher: Curie Ci = Aktivität 1g Radium)

Halbwertszeit

Vorhersage über Zerfallszeitpunkt eines Kerns unmöglich, aber: Halbwertszeit einer bestimmten Menge τ (→ Exponentialfunktion N(t) = N₀ ⋅ e ^{-λ ⋅ t})

Radioaktive Strahlung

Strahlungswirkung

• Aktivität A (siehe oben)
• Energiedosis D_E: Energie pro Masse, die an radioaktiver Strahlung aufgenommen wird; Einheit: J / kg → Gray Gy
• Ionendosis D_I: Ionisierende Strahlung, wie viele Teilchen können ionisiert werden; Einheit: C (Coulomb) / kg (früher Röntgen)
• Äquivalentdosis H: Wirkung der Strahlungsart durch Bewertungsfaktor q; Einheit: J / kg → Sievert Sv

Zur Abschätzung von Schäden: Äquivalentdosis. Diese wird mit Gewebefaktor ω multipliziert, die einzelnen Teile wieder zusammenaddiert (rarr; gesamte Äquivalentdosis)

α-Strahlen sind sehr schädlich (vgl. Bewertungsfaktor q), lassen sich aber leicht abschirmen. γ-Strahlen dagegen sind kaum abschirmbar.

Grenzwerte

• Schwellendosis 0,25 Sv
• Subletale Dosis 1 Sv
• Mittelletale Dosis 4 Sv
• Letale Dosis 7 Sv

Stochastische Strahlenwirkung

Wahrscheinlichkeit der Schäden nach Strahlendosis; sinkt irgendwann wieder ab (da Zellen bereits abgestorben / keine neue Zellteilung mehr)

Deterministische Strahlenwirkung

Fixer Schaden nach Strahlendosis; Steigt ab Schwellendosis (fixe Schäden) an.

Strahlenschutz

Die 5 A's des Strahlenschutzes

• Abschirmen (z.B. Bleimantel)
• Abstand halten
• Aufnahme vermeiden
• Aufenthaltsdauer verringern
• Aktivität verringern - wenn man die Wahl hat, nützt man ein Element/Isotop mit geringerer Aktivität

Abschirmen

• α-Strahlung: durch Papier
• β-Strahlung: durch Blei
• γ-Strahlung: durchdringt alles; nimmt in einem Medium exponentiell ab (da elektromagnetisch)