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Das Erbe von Geiger und Rutherford 100 Jahre Atomkern 1911 -2011 Amand Fäßler, Tübingen RC-RT-TÜ, 5. Dezember 2011.

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

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

4 1907 erhält Rutherford den Chemie-Nobelpreis für die Unterscheidung: -Strahlung. Amand Fäßlerr, RC RT-TÜ

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

6 Geigersche Experiment 1909 Amand Fäßlerr, RC RT-TÜ T 1/2 = 1602 Jahre

7 Geiger + Marsden- Experiment 1909 Amand Fäßlerr, RC RT-TÜ T 1/2 = 1602 Jahre Für 8000 gestreute Alpha-Teilchen nur eines nach hinten.

8 Hans Geiger 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

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

10 Alphateilchen kommt von links auf Goldkern (Rutherford 2011) Amand Fäßlerr, RC RT-TÜ 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. Ladung = Z

11 Ernest Rutherford * Neuseeland 1871, + Cambridge1937 Amand Fäßlerr, RC RT-TÜ

12 Das Rutherfordsche Atommodell Das Rutherfordsche Atommodell wurde 1913 von Niels Bohr auch mathematisch quantitativ formuliert. Amand Fäßlerr, RC RT-TÜ

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

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

15 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

16 Heisenberg1925: Quantenmechanik ( h = Plancksches Wirkungsquantum) Quantenmechanik kann auf den Kern nicht angewandt werden! Amand Fäßlerr, RC RT-TÜ Schwierigkeiten im Rutherfordschen Atommodell Unschärfe-Relation: Ort x Impuls > h

17 Heisenbergsche Unschärferelation Amand Fäßlerr, RC RT-TÜ

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

19 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

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

21 Kernmodell von Niels Bohr Amand Fäßlerr, RC RT-TÜ

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

23 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

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

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

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

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

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

29 Nova (10 8 Neutronen pro cm 2 pro sec) und Supernova Explosion Neutronen pro cm 2 pro sec.

30 Nova (10 8 Neutronen pro cm 2 pro sec) und Supernova Explosion Neutronen pro cm 2 pro sec. Elektroneinfang: (Z, N) + e - (Z-1, N+1) +Neutrino p + e - n + Neutrino

31 Amand Fäßlerr, RC RT-TÜ Krebsnebel: Supernova 1054

32 Amand Fäßlerr, RC RT-TÜ Supernova von Februar 1987 Entwicklung 1994 bis 2009

33 Neue Superschwere Elemente: Berkeley, GSI Darmstadt, Dubna Amand Fäßlerr, RC RT-TÜ

34 Das Entdecker Team der GSI-Darmstadt. Künstliche supeschwere Elemente jenseits von 94 Plutonium. Amand Fäßlerr, RC RT-TÜ Sigurd Hofmann und Mitarbeiter

35 Neue Elemente: Berkeley, GSI, Dubna Amand Fäßlerr, RC RT-TÜ Pu 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.

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

37 Karzinomtherapie durch Betatrons (Elektronen), Protonenstrahlen (Prostata- und Augenkarzinome); Kohlenstoff12-Strahlen ( 12 C; 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 ( 12 C 11 C+n 11 B +e + +n; e + + e - ). C12-Therapie im Krebsforschungszentrum in Heidelberg. Pläne: Italien (CNAQ), Frankreich (ETOILE) und Österreich (Med-AUSTRON) Amand Fäßlerr, RC RT-TÜ Anwendungen in der Medizin die für Therapie.

38 Anwendung in Materialwissenschaften und Umweltforschung Amand Fäßlerr, RC RT-TÜ 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.: CO 2 -Austausches zwischen Atmosphäre und Ozean.

39 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. Amand Fäßlerr, RC RT-TÜ ENDE


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