Das Erbe von Geiger und Rutherford

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1 Das Erbe von Geiger und Rutherford
100 Jahre Atomkern Amand Fäßler , Tübingen RC-RT-TÜ, 5. Dezember 2011

2 Plum-Pudding-Modell von Thomson.
Röntgen 1895 Beqerel 1896 Thomson 1897: Betastrahlen Elektronen Rutherford Nobelpreis1907 a, b und g-Strahlen Plum-Pudding-Modell von Thomson. Rutherfordsches Atommodell mit Kern. Amand Fäßlerr, RC RT-TÜ

3 1907 erhält Rutherford den Chemie-Nobelpreis für die Unterscheidung: a, b, g -Strahlung.
Amand Fäßlerr, RC RT-TÜ

4 Hans Geiger und Ernest Rutherford vor dem Experiment in Manchester.
Amand Fäßlerr, RC RT-TÜ

5 Geiger‘sche Experiment 1909
T1/2 = 1602 Jahre Amand Fäßlerr, RC RT-TÜ

6 Geiger + Marsden- Experiment 1909
Für 8000 gestreute Alpha-Teilchen nur eines nach hinten. T1/2 = 1602 Jahre Amand Fäßlerr, RC RT-TÜ

7 Hans Geiger 1882 -1945 1929 -1936 in Tübingen
Koinzidenzexperimente mit Bothe in Kiel 1924 Bothe erhält 1954 dafür nach dem Tod von Geiger den Nobelpreis. Geiger–Zähler 1928 Amand Fäßlerr, RC RT-TÜ

8 Rutherfordsche Streuformel 1911
Wie Kometen- bahn im Kraftfeld der Sonne. Kraftfeld beim Atom ~ Ladung Z des Kerns. Amand Fäßlerr, RC RT-TÜ

9 Alphateilchen kommt von links auf Goldkern (Rutherford 2011)
Wenn Kern (rot) so groß wie ein Apfel dann Atom 1 km Durchmesser. Alphateilchen 8000mal so schwer wie Elektron. Atom für Alpha-Teilchen leer. Nur ein Alpha von 8000 rückwärts gestreut. a+2 Ladung = Z Amand Fäßlerr, RC RT-TÜ

10 Ernest Rutherford * Neuseeland 1871, + Cambridge1937
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11 Das Rutherfordsche Atommodell
Das Rutherfordsche Atommodell wurde 1913 von Niels Bohr auch mathematisch quantitativ formuliert. Amand Fäßlerr, RC RT-TÜ

12 Probleme: Aus was besteht der Atomkern?
Spezifische Wärme gibt Massen Verhältnisse der Elemente. (Dulong-Petit 1819) Spezifische Wärme = Wärmemenge pro ein Grad Erhöhung für ein Gramm = Konstante /Masse = Konstante / A ; (A = Kernmasse) Konstante festgelegt, so dass Wasserstoff (Protonkern) A = 1. Amand Fäßlerr, RC RT-TÜ

13 Messung der Kernmassen durch Aston 1919; Nobelpreis 1922.
Geschwindikeits filter Aston Massen-spektrometer Film Amand Fäßlerr, RC RT-TÜ

14 Schwierigkeiten im Rutherfordschen Atommodell
A ungleich Z Rutherford: Kern = Z Protonen + (A-Z) (p+e-) Doch: Blei Z = 82; A = 207,2; Amand Fäßlerr, RC RT-TÜ

15 Schwierigkeiten im Rutherfordschen Atommodell
Heisenberg1925: Quantenmechanik ( h = Planck‘sches Wirkungsquantum) Quantenmechanik kann auf den Kern nicht angewandt werden! Unschärfe-Relation: DOrt x DImpuls > h Amand Fäßlerr, RC RT-TÜ

16 Heisenberg‘sche Unschärferelation
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17 Entdeckung des Neutrons durch James Chadwick 1932
Chadwick hat Rückstoß im Wasserstoffgas (von Protonen) untersucht und gesehen, dass das n (Neutron) die gleiche Masse hat wie das Proton. Amand Fäßlerr, RC RT-TÜ

18 Heisenberg baut 1932 den Kern aus Protonen und Neutronen auf.
Aus Brief Heisenbergs an Niels Bohr: „Die Grundidee ist, alle fundamentalen Schwierigkeiten auf das Neutron zu schieben und die Quantenmechanik im Kern anzuwenden.“ Kern = Z Protonen + N Neutronen Masse: A = Z + N Isotope: Zur gleichen Ladung des Kerns Z mehrere N: Erklärt das Massenproblem. Amand Fäßlerr, RC RT-TÜ

19 Nukleon-Nukleon-Kraft
Yukawa 1934: Austausch eines leichten Teilchens (Meson = Pions) Das Pion wurde 1947 von Cecil Powell in der Höhenstrahlung entdeckt. 1950 Nobelpreis. Pion Nukleon Nukleon Amand Fäßlerr, RC RT-TÜ

20 Kernmodell von Niels Bohr
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21 Beschreibung des Kerns?
1) Tröpfchen- Kollektivmodell: Weiszäcker, Flügge, Aage Bohr und Ben Mottelson 1975, Walter Greiner und Amand Fäßler Deformation, Spaltung, Rotation, Vibration. 2)Schalenmodell von J. Hans D. Jensen und Maria Goeppert Mayer 1949; Nobelpreis 1963. Bewegung der Nukleonen auf festen Bahnen wie die Elektronen im Atom. Amand Fäßlerr, RC RT-TÜ

22 Vereinheitlichung des Kollektiv- und Schalenmodells.
Karl Wildermuth, Univ. Tübingen: Das Cluster Modell. David Pines und Gerry Brown: Kohärente Überlagerung vieler Ein-Nukleonen-Anregungen. Amand Fäßlerr, RC RT-TÜ

23 Vereinheitlichung des Kollektiv- und Schalenmodells.
Karl Wildermuth, Univ. Tübingen: Das Cluster Modell. Proton Neutron Amand Fäßlerr, RC RT-TÜ

24 Aufbau der Materie aus Quarks und Gluonen:
 Protonen und Neutronen  Atomkerne  mit Elektronen: Atome Amand Fäßlerr, RC RT-TÜ

25 Aufbau der Kerne: Amand Fäßlerr, RC RT-TÜ

26 Wie Brennen die Sterne ? Karl Friedrich von Weiszäcker, Hans Bethe,..
28 MeV Bindungsenergie der Atomkerne pro Nukleon [MeV] 4p  4He + 2 e+ + 2 Neutrinos + 28 MeV Zahl der Nukleonen (Protonen+Neutronen) im Atomkern

27 Wie entstehen die Element schwerer als Eisen?
„Der bestirnte Himmel über mir und das moralische Gesetz in mir.“ Immanuel Kant

28 Nova (108 Neutronen pro cm2 pro sec) und Supernova Explosion

29 (Z, N) + e-  (Z-1, N+1) +Neutrino
Nova (108 Neutronen pro cm2 pro sec) und Supernova Explosion 1022 Neutronen pro cm2 pro sec. Elektroneinfang: (Z, N) + e-  (Z-1, N+1) +Neutrino p + e-  n + Neutrino

30 Krebsnebel: Supernova 1054
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31 Supernova von Februar 1987 Entwicklung 1994 bis 2009
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32 Neue Superschwere Elemente: Berkeley, GSI Darmstadt, Dubna
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33 Das Entdecker Team der GSI-Darmstadt.
Künstliche supeschwere Elemente jenseits von 94Plutonium. Sigurd Hofmann und Mitarbeiter Amand Fäßlerr, RC RT-TÜ

34 Neue Elemente: Berkeley, GSI, Dubna
24294Pu Ne  Rf + 4n Rutherfordium (Berkeley) Z = 104, Dubnium (Dubna) Z = 105, Seaborgium (Berkeley) Z = 106, Bohrium (Darmstadt) Z = 107, Hassium (Darmstadt) Z = 108, Meitnerium (Darmstadt) Z = 109, Darmstadtium (Darmstadt) Z = 110, Roentgenium (Darmstadt) Z = 111, Copernicium (Darmstadt) Z = 112. Elemente: 113, 114, 115, 116, 117, 118, bisher noch ohne Namen. Amand Fäßlerr, RC RT-TÜ

35 Anwendungen in der Medizin für die Diagnose
Kernspintomographie (Magnetresonanztomographie). Szintigramm (Technetium99, Iod123, Iod131) für die Schilddrüsenfunktion. Positron-Elektron-Tomographie (PET: e+ + e-  g+g).

36 Anwendungen in der Medizin die für Therapie.
Karzinomtherapie durch Betatrons (Elektronen), Protonenstrahlen (Prostata- und Augenkarzinome); Kohlenstoff12-Strahlen (12C; ausgeprägter „Bragg-Peak“ am Ende der Bahn) für Gehirntumore durch die GSI-Darmstadt entwickelt mit Abrastern und Energievariation mit laufender Kontrolle von Dosis und Ort durch PET (12C  11C+n  11B +e+ +n; e+ + e-  g+g). C12-Therapie im Krebsforschungszentrum in Heidelberg. Pläne: Italien (CNAQ), Frankreich (ETOILE) und Österreich (Med-AUSTRON) Amand Fäßlerr, RC RT-TÜ

37 Anwendung in Materialwissenschaften und Umweltforschung
Beschleuniger-Massenspektrometrie (AMS): Bestimmung von Spurenelementen. Kohlenstoff 14-Alterbestimmung. Paläontologische Klima aus Eisborkernen von Grönland ( Jahre) oder Antarktis ( J) aus dem O18 zu O16-Verhältnis. Z. B.: CO2-Austausches zwischen Atmosphäre und Ozean. Amand Fäßlerr, RC RT-TÜ

38 ENDE Was bringt die Zukunft?
FAIR = „Facility for Antiproton and Heavy Ion Research“ in Darmstadt bei der GSI. 16 Länder tragen FAIR (etwa eine Milliarde €) 3000 Wissenschaftler aus 50 Ländern beteiligt. Large Hadron Collider (LHC); ALICE-Detektor: Quark-Gluon-Plasma; Information über den Urknall. ENDE Amand Fäßlerr, RC RT-TÜ