Kernphysik: Fusion, Spaltung und Radioaktivität erklärt

Kernfusion

Die Kernfusion ist eine Reaktion, bei der zwei leichte Atomkerne zu einem schwereren Kern verschmelzen. Dieser Prozess setzt Energie frei, da die Masse des entstandenen schweren Kerns geringer ist als die Summe der Massen der Ausgangskerne. Dieser Massendefekt wird gemäß der Formel E = mc² in Energie umgewandelt. Da der Massenverlust und der Energiegewinn pro Atom sehr gering sind, muss der Prozess hochkonzentriert ablaufen; bereits kleine Mengen Brennstoff liefern jedoch enorme Energiemengen.

Die Fusionsenergie hängt von den beteiligten Kernen und den Reaktionsprodukten ab. Die am einfachsten zu erreichende Reaktion ist die Verschmelzung von Deuterium (ein Proton, ein Neutron) und Tritium (ein Proton, zwei Neutronen) zu Helium (zwei Protonen, zwei Neutronen) unter Freisetzung eines Neutrons mit einer Energie von 17,6 MeV.

Es handelt sich um eine nahezu unerschöpfliche Energiequelle, da Deuterium aus Meerwasser gewonnen werden kann und Tritium aus den bei der Reaktion entweichenden Neutronen erzeugt werden kann.

Kernspaltung

Kernspaltung ist die Aufspaltung des Kerns eines Atoms mit hohem Atomgewicht (z. B. Uran-235) durch den Beschuss mit subatomaren Teilchen (z. B. Neutronen). Dabei werden Wärmeenergie und weitere Neutronen freigesetzt.

Diese freigesetzten Neutronen können wiederum andere Atome spalten und eine Kettenreaktion auslösen. Wird dieser Prozess in einem Kernreaktor kontrolliert, kann die freigesetzte Energie langsam in elektrische Energie umgewandelt werden. Erfolgt die Reaktion hingegen unkontrolliert, wird die Energie schlagartig in einer gewaltigen Explosion freigesetzt, wie es bei Atomwaffen der Fall ist.

Natürliche Radioaktivität

Radioaktivität ist die Eigenschaft bestimmter Stoffe, Strahlung zu emittieren, die undurchsichtige Materialien durchdringen, Luft ionisieren, Fotoplatten schwärzen und Fluoreszenz anregen kann.

• Alpha-Strahlung: Besteht aus Heliumkernen (zwei Protonen und zwei Neutronen).
• Beta-Strahlung: Besteht aus schnellen Elektronen, die durch den Zerfall eines Neutrons im Kern entstehen, wobei ein Proton und ein Elektron gebildet werden.
• Gamma-Strahlung: Elektromagnetische Strahlung mit höherer Energie als Röntgenstrahlung.

Hohe Strahlungsdosen können das Krebsrisiko erhöhen und genetische Schäden verursachen. Gammastrahlung ist besonders gefährlich, wenn die Quelle außerhalb des Körpers liegt, während Alpha-Strahlung bei interner Aufnahme besonders schädlich ist.

Radioaktivität findet vielfältige Anwendungen in Medizin, Industrie, Chemie, Landwirtschaft und Technik.

Massendefekt und Bindungsenergie

Die Bindungsenergie ist die Energie, die frei wird, wenn isolierte Nukleonen einen Kern bilden. Dabei verliert der Kern einen Teil seiner Masse. Der Massendefekt ist:

Die Bindungsenergie steht in direktem Zusammenhang mit dem Massendefekt:

Soddy-Gesetz

Beim Alpha-Zerfall emittiert der Mutterkern ein Heliumkern (Alpha-Teilchen). Dadurch verringert sich die Massenzahl um vier und die Ordnungszahl um zwei Einheiten.

Fajans-Gesetz

Beim Beta-Zerfall wandelt sich ein Neutron des Mutterkerns in ein Elektron (Beta-Teilchen), ein Proton und ein Antineutrino um. Die Massenzahl bleibt unverändert, während die Kernladungszahl um eine Einheit steigt.