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

6 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

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

8 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

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

11 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

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

13 Schwierigkeiten im Rutherfordschen Atommodell
A ungleich Z Rutherford: Kern = Z Protonen + (A-Z) (p+e-) Z = A/2 Doch: Magnesium Z = 12; A = 24,3; Eisen Z = 26; A = 55,8; Blei Z = 82; A = 207,2; Amand Fäßlerr, RC RT-TÜ

14 Schwierigkeiten im Rutherfordschen Atommodell
Heisenberg1925: Quantenmechanik Unschärfe Relation: Ort x Impuls > h ( h = Planck‘sches Wirkungsquantum) Elektron im Kern: 20 MeV Quantenmechanik kann auf den Kern nicht angewandt werden! Amand Fäßlerr, RC RT-TÜ

15 Heisenberg‘sche Unschärferelation
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16 Entdeckung des Neutrons durch James Chadwick 1932
Bothe: Chadwick 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

17 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

18 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

19 Kernmodell von Niels Bohr
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20 Tröpfchen- Kollektivmodell: Weiszäcker, Flügge, Aage Bohr und Ben Mottelson, Walter Greiner und Amand Fäßler . Deformation, Spaltung, Rotation, Vibration. 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

21 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

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

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

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

25 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

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

27 (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

28 Krebsnebel: Supernova 1054
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29 Neue Superschwere Elemente: Berkeley, GSI Darmstadt, Dubna
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30 Das Entdecker Team der GSI-Darmstadt.
Hans Dominik 1935: Kriminalroman: „Atomgewicht 500“. Amand Fäßlerr, RC RT-TÜ

31 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

32 Anwendungen in der Medizin für die Diagnose
Kernspintomographie (Magnetresonanztomographie). Szintigramm (Technetium99, Iod123, Iod131) für die Schilddrüsenfunktion. Positron-Elektron-Tomographie (PET: e+ + e-  g+g). Ein-Photon-Emissions-Computer-Tomographie. Man benötigt verschiedene Halbwertszeiten und verschiedene Chemische Verbindungen.

33 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

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

35 ENDE Was bringt die Zukunft?
FAIR = Facility für Antiprotonen 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