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 ( 4 2 He) Strahlung durch Papier abschirmbar A Z X -α→ A-4 Z-2 Y + 4 2 He + ΔE Beta-Minus-Zerfall Viel mehr Neutronen als Protonen Neutron wandelt sich in Proton um A Z X -β - → A Z+1 Y + 0 -1 e - + 0 0 ν e Beta-Plus-Zerfall Mehr Protonen als Neutronen Proton wandelt sich in Neutron um A Z X -β + → A Z-1 Y + 0 1 e + + 0 0 ν e Gamma-Übergang Nach α oder β - -Zerfällen Kern ist angeregt (zu viel Energie) gibt Photon (γ-Teilchen) ab Schlecht abschirmbar A Z X * -γ→ A Z X + 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) = N 0 ⋅ 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)