# 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 > **AZX -α→ A-4Z-2Y + 42He + ΔE** #### Beta-Minus-Zerfall - Viel mehr Neutronen als Protonen - Neutron wandelt sich in Proton um > **AZX -β-→ AZ+1Y + 0-1e- + 00νe** #### Beta-Plus-Zerfall - Mehr Protonen als Neutronen - Proton wandelt sich in Neutron um > **AZX -β+→ AZ-1Y + 01e+ + 00νe** #### Gamma-Übergang - Nach α oder β--Zerfällen - Kern ist angeregt (zu viel Energie) - gibt Photon (γ-Teilchen) ab - Schlecht abschirmbar > **AZX* -γ→ AZX + 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 DE**: Energie pro Masse, die an radioaktiver Strahlung aufgenommen wird; Einheit: J / kg → Gray Gy - **Ionendosis DI**: 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)