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1 Kernphysik Becquerel (1896): Uranstrahlen schwärzen eine Photoplatte durch Papier (wie Röntgenstrahlen, 1895) Rutherford (1897): Uranstrahlen zeigen.

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1 1 Kernphysik Becquerel (1896): Uranstrahlen schwärzen eine Photoplatte durch Papier (wie Röntgenstrahlen, 1895) Rutherford (1897): Uranstrahlen zeigen - und -Strahlen Villard (1900): Radium zeigt - und -Strahlung Was sind diese Strahlen ? nicht aus chemischer Reaktion Elementumwandlung frühe Vermutung: Edelgase entstehen ! ?

2 Spezifische Ladung q/m: -Strahlen werden wie Elektronen abgelenkt. -Strahlung haben positive Ladung bei kleinem q/m Ernest Rutherford ( ) Kernphysik Rutherford ( ): Wechselwirkung der -, - und -Strahlung mit elektromagnetischen Feldern. 2

3 - Die positive Ladung und fast die gesamte Masse der Atome ist in einem Atomkern konzentriert. - Atomkernradius ca m entspricht 1 / des Atomradius (Kirschkern im Eifelturm) - die Kernladung ist ein ganzzahliges Vielfaches einer positiven Elementarladung - Anzahl der im Kern enthaltenen Elementarladungen ist die Kernladungszahl ( = Elektronenzahl, Ordnungszahl im Periodensystem) Atommodell nach Rutherford Planetensystem: Elektronen umkreisen den Atomkern 3 Haben die Atomkerne eine innere Struktur ? Atomkerne bestehen aus -Teilchen (Heliumkerne) und Elektronen (1 Heliumkern = 4 Protonen + 2 Elektronen) E. Rutherford, Nature 109, 584 (1922)

4 Struktur der Atomkerne 4 Haben die Atomkerne eine innere Struktur ? Neutron -Teichen Chadwick (1932) Beryllium sendet Strahlung aus, die durch die Bleiplatte geht, aber alleine keine große Ionisationswirkung hat. Ionisation steigt mit Paraffin (viele Protonen) stark an elast. Stöße schleudern Protonen aus dem Paraffin (starke Ionisation) neue Strahlung hat keine Ladung, aber eine Masse ähnlich der Protonenmasse Neutron

5 Struktur der Atomkerne 5 Problem: Massenanziehung der Nukleonen nach Newtons Gravitation ist um Größenordnungen geringer als elektrostatische Abstoßung: starke Wechselwirkung Kennzeichen der Kraft: - kurze Reichweite (nur im Kernbereich) - sehr stark (überwiegt deutlich elektrostatische Abstoßung) - Struktur im Kern: nicht alle Kerne sind gleich hart: (magische Zahlen) Protonen und Neutronen bauen den Atomkern auf (Nukleonen).

6 Das Diagramm zeigt die Bindungsenergie/Nukleon für natürliche Elemente mit steigender Massenzahl A = Z + #Neutronen. aus Newton Physik 10 I-III, Oldenbourg 2006 Struktur der Atomkerne Protonen und Neutronen bauen den Atomkern auf (Nukleonen).

7 Kernspaltung 7 Stabilste Kerne im Bereich von Eisen: Durch Abstoßung von radioaktiven Teilen werden große Kerne, z.B. Uran, schrittweise in stabile Kerne hin umgewandelt: Natürliche Zerfallsreihe: 23 5 U …. 207 Pb (T 1/2 = 1 Mio. a) Künstliche Zerfallsreihe: Die Bindungsenergie wird auf einmal frei; dieser Zerfall muss aber von außen angestoßen werden: künstliche Radioaktivität Bei diesem Zerfall entstehen überschüssige Neutronen, die einen weiteren Zerfall auslösen können: Kettenreaktion: 235 U + 1n 89 Kr Ba + 3* 1n

8 Kernfusion 8 Relatives Maximum bei Helium: E b = 1,2* J/Nukleon Folglich wird bei der Verschmelzung von Wasserstoffkernen zu einem 4 He-Kern 4,8* J freigesetzt; D.h. für 1 Mol He (4g !): N A * 4,8* J = 28,8*10 11 J ( = 8*10 5 kWh) (ca. Arbeit pro Monat im neuen Kraftwerk LEW Hochablaß) Problem: Die positiven Kerne müssen ihre elektrostatische Abstoßung überwinden: Sonne: Hohe Bewegungsenergie durch innere Energie in der Sonne von T = 10 8 K Wasserstoffbombe: Hohe Bewegungsenergie durch Kompression mittels einer Uranbombe Fusionsreaktor: Kontrolle von T = 10 8 K ????

9 Kernfusion 9 Vergleich zwischen den Technologien zur Energiegewinnung: Bezogen auf die gleiche Masse an Brennstoff verhalten sich die freigesetzten Energien Kohleverbrennung1 Kernspaltung3 Mio Kernfusion10 Mio


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