? 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 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 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

Radioaktiver Zerfall Elemente (Atomkerne) können durch Aussendung von a-, b- und g-Strahlung in andere Elemente übergehen. 6

Kernspaltung Stabilste Kerne im Bereich von Eisen: Durch Abstoßung von radioaktiven Teilchen werden große Kerne, z.B. Uran, schrittweise in Kerne zu Eisen hin (meist Pb) umgewandelt: Natürliche Zerfallsreihe 228 Th α 224 Ra α 220 Rn ααα216 Po (T½ = 51,5 s) beim Zerfall von sehr schweren Kernen, z.B. Uran, in Kerne, die im Bereich von Fe liegen, wird auf einmal diese Bindungsenergie 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 Stabilste Kerne im Bereich von Eisen : Relatives Maximum bei Helium: Eb = 1,2*10-12 J/Nukleon Folglich wird bei der Verschmelzung von 4 Wasserstoffkernen zu einem He-Kern 4,8*10-12 J freigesetzt; für 1 Mol He (4g !) 28,8*1011 J ( 8*105 kWh) Problem: die 4 positiven Kerne müssen die elektrostatische Abstoßung überwinden: Thermische Energie (Sonne) 108 K Fusionsreaktor: thermische Energie (106 K) und Bewegung (Ringstrom) Bewegungsenergie: Wasserstoffbombe: Kompression durch den Strahlungsdruck einer Uranbombe 8

Protonen und Neutronen bauen den Atomkern auf (Nukleonen). Zerfallsgesetze Protonen und Neutronen bauen den Atomkern auf (Nukleonen). Konstante im Zerfallsprozess: „Halbwertszeit“: die Zeit, in der die Menge des Stoffes auf die Hälfte abnimmt; diese Zeit ist eine stofftypische Konstante: N(Δt) = No/2, wenn Δt = T½ ΔN/Δt = const = - k*N, da die Menge der zerfallenden Atome proportional zur Gesamtzahl der vorhandenen Atome ist. Zusammengefasst: ΔN/N = - k Δt; ΔN/(No/2) = - k*T½ => No/2 = No e –k*T½ bzw: N(t) = No e –kt Die Aktivität einer radioaktiven Substanz ist proportional zu ihrer Menge: A = ΔN/Δt => A(t) = Ao e –kt 9

Messung der Radioaktivität Aktivität eines radioaktiven Stoffs über die ionisierende Wirkung (Nebelkammer, Ionisationskammer, Zählrohr) : Anzahl der Zerfälle pro Sekunde: 1Bq (Becquerel) Alte Einheit : 1 Ci (Curie) = 37*109 Zerfälle/Sekunde: Aktivität von 1 g Radium Strahlungsdosis: berücksichtigt die von der Strahlung an einen Gegenstand abgegebene Energiemenge: 1 mJ/kg = 1Gy (Gray) Äquivalentdosis: verschiedene Strahlungsarten wirken unterschiedlich stark, Vergleichswert : 1 mJ/kg*F = F Sv (Sievert) ß,γ: F =1; n: F = 5; α: F=10 10