Grundlagen der Kernreaktionen: Typen und Prozesse

1. Kernreaktionen und der Q-Wert

Die erste Kernreaktion wurde 1919 von Rutherford beobachtet, als er Stickstoffgas mit Alpha-Teilchen aus einer radioaktiven Quelle beschoss. Dabei entstehen Sauerstoff und Wasserstoff. Der Q-Wert gibt die Energie an, die bei einer Kernreaktion freigesetzt oder absorbiert wird:

• Exoenergetische Reaktion: Q ist positiv, Energie wird freigesetzt.
• Endoenergetische Reaktion: Q ist negativ, Energie wird absorbiert.

Der Q-Wert entspricht der Massendifferenz zwischen den Anfangs- und Endzuständen der Teilchen. Die zur Auslösung der Reaktion erforderliche Mindestenergie wird als Schwellenenergie bezeichnet. Reaktionen, bei denen ein Alpha-Teilchen mit einem Kern interagiert, um einen instabilen Zwischenkern (Compoundkern) zu bilden, der sofort unter Ausstoß eines Protons zerfällt, nennt man (α, p)-Reaktionen.

2. (α, n)-Reaktionen

Hierbei wird ein Kern mit Alpha-Teilchen beschossen, was zur Emission von Neutronen führt. Dies war die erste Methode zur Erzeugung kleiner Neutronenquellen. Eine Mischung aus Radium und Beryllium wird häufig in Forschungslabors verwendet: Das Radium emittiert Alpha-Teilchen, die den Beryllium-Kern beschießen und ein Neutron freisetzen.

3. Protonenbeschuss

Die meisten Reaktionen dieser Art entsprechen dem Einfang eines Protons mit anschließender Gamma-Emission, bekannt als (p, γ)-Reaktion. Weitere mögliche Reaktionen durch Protonenbeschuss sind vom Typ (p, n), (p, d) oder (p, α).

4. Beschuss mit Deuteronen

Ein Deuteron besteht aus einem Proton und einem Neutron. Beim Beschuss bricht das Deuteron auf, was zur Bildung eines Compoundkerns führt, der anschließend ein Proton oder ein Neutron emittiert. Eine wichtige Reaktion zur Erzeugung hochenergetischer Neutronen ist der Beschuss von Deuteronen mit Deuteronen.

5. Beschuss mit Neutronen

Da Neutronen keine elektrische Ladung besitzen, können sie sehr effektiv in Atomkerne eindringen, ohne viel Energie zu benötigen. Besonders wirksam sind thermische Neutronen, deren Energie der thermischen Energie der Teilchenbewegung bei Raumtemperatur entspricht (ca. 0,025 eV).

• (n, γ)-Reaktion: Der häufigste Prozess, bei dem der Compoundkern in einen angeregten Zustand gerät und die Energie sofort als Gammastrahlung abgibt. Die Produkte sind meist radioaktiv und emittieren Beta-Teilchen.
• (n, p)-Reaktion: Eine weitere Art, die ebenfalls häufig Betastrahler erzeugt.

Ob eine Reaktion mit langsamen oder schnellen Neutronen auftritt, hängt von der Massendifferenz zwischen dem Zielkern und dem Produktkern ab.

6. Photodesintegration

Die Interaktion zwischen einem hochenergetischen Photon und einem Atomkern kann eine Kernreaktion auslösen, bei der ein oder mehrere Nukleonen emittiert werden. Meist führt dies zur Emission von Neutronen. Diese Reaktion besitzt eine Schwellenenergie (z. B. 10,86 MeV), die aus der Differenz der Ruheenergien des Zielkerns und der resultierenden Teilchen berechnet wird. Da die Ruheenergien vieler Nuklide genau bekannt sind, dient der Photospaltungsprozess als Basis für hochenergetische Photonen-Messgeräte.