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

Kernphysik Rutherford (1903-1911): Ernest Rutherford (1871-1938) Rutherford (1903-1911): Wechselwirkung der a-, b- und g-Strahlung mit elektromagnetischen Feldern. Spezifische Ladung q/m: b-Strahlen werden wie Elektronen abgelenkt. a-Strahlung haben positive Ladung bei kleinem q/m 2

Atommodell nach Rutherford Haben die Atomkerne eine innere Struktur ? Die positive Ladung und fast die gesamte Masse der Atome ist in einem Atomkern konzentriert. Atomkernradius ca. 10-15 m entspricht 1 / 50.000 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) „Planetensystem“: Elektronen umkreisen den Atomkern Haben die Atomkerne eine innere Struktur ? Atomkerne bestehen aus a-Teilchen (Heliumkerne) und Elektronen (1 Heliumkern = 4 Protonen + 2 Elektronen) E. Rutherford, Nature 109, 584 (1922) 3

Haben die Atomkerne eine innere Struktur ? Struktur der Atomkerne Haben die Atomkerne eine innere Struktur ? Chadwick (1932) a-Teichen Neutron 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 4

Struktur der Atomkerne Protonen und Neutronen bauen den Atomkern auf (Nukleonen). Problem: Massenanziehung der Nukleonen nach Newton‘s 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“) 5

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

Kernspaltung 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  ….  207Pb (T1/2 = 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 + 144 Ba + 3* 1n 7

Kernfusion Relatives Maximum bei Helium: Eb = 1,2*10-12 J/Nukleon Folglich wird bei der Verschmelzung von Wasserstoffkernen zu einem 4He-Kern 4,8*10-12 J freigesetzt; D.h. für 1 Mol He (4g !): NA * 4,8*10-12 J = 28,8*1011 J ( = 8*105 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 = 108 K Wasserstoffbombe: Hohe Bewegungsenergie durch Kompression mittels einer Uranbombe Fusionsreaktor: Kontrolle von T = 108 K ???? 8

Kernfusion Vergleich zwischen den Technologien zur Energiegewinnung: Bezogen auf die gleiche Masse an Brennstoff verhalten sich die freigesetzten Energien Kohleverbrennung 1 Kernspaltung 3 Mio Kernfusion 10 Mio 9