Kernphysik: Grundlagen, Strahlung und Kernreaktionen

Arten radioaktiver Strahlung

Die Alpha-Strahlen wurden von Rutherford als Helium-Kerne identifiziert, die zwei positive Netto-Ladungen tragen.

Die Beta-Strahlen wurden von Becquerel als Kathodenstrahlen identifiziert und als Elektronen festgestellt. Ihre Masse ist etwa 8000-mal niedriger als die von Alpha-Teilchen.

Die Gamma-Strahlen wurden als elektromagnetische Strahlung identifiziert, ähnlich wie Röntgenstrahlen, jedoch von höherer Energie.

Radioaktive Zerfallsgesetze

• Wenn ein Kern ein Alpha-Teilchen emittiert, entsteht ein anderer Kern, dessen Massenzahl um vier Einheiten sinkt und dessen Ordnungszahl um zwei Einheiten abnimmt.
• Wenn ein Kern ein Beta-Teilchen emittiert, entsteht ein anderer Kern, dessen Massenzahl gleich bleibt und dessen Ordnungszahl um eine Einheit steigt.
• Wenn ein Kern Gamma-Strahlung emittiert, ändert sich sein Energiezustand, aber weder die Anzahl der Nukleonen noch das Element.

Das Gesetz des radioaktiven Zerfalls

Die Anzahl der Kerne in einer radioaktiven Probe nimmt exponentiell mit der Zeit ab.

Eigenschaften der Kernkräfte

1. Sie sind anziehend und etwa 100-mal stärker als die elektromagnetischen Kräfte.
2. Sie haben eine sehr kurze Reichweite und sind bei Entfernungen von mehr als 10^-15 m praktisch Null. Für sehr kleine Abstände sind sie abstoßend.
3. Sie sind gesättigt, d.h. jedes Nukleon ist nur an eine bestimmte Anzahl anderer Nukleonen gebunden, nicht an alle im Kern.

Nukleonen werden als Fermionen eingestuft, Teilchen, die Materie bilden. Bosonen sind Teilchen, die Kräfte übertragen.

Die Bindungsenergie von Atomkernen

Als Bindungsenergie pro Nukleon bezeichnet man das Verhältnis zwischen der gesamten Bindungsenergie und der Anzahl der Nukleonen. Sie stellt die erforderliche Energie dar, um ein Nukleon aus dem Kern zu entfernen, und ist ein Maß für die Stabilität eines Kerns: Die stabilsten Kerne sind jene mit der größten Bindungsenergie pro Nukleon.

Kernspaltung: Prinzip und Modell

Die Kernspaltung ist die Aufspaltung von Atomkernen, in der Regel schwerer Kerne, in zwei oder mehrere leichtere Kerne, die als Spaltfragmente bezeichnet werden.

Die Kernspaltung kann durch das Flüssigkeitstropfenmodell interpretiert werden: Ein Kern wird dabei als vibrierender Tropfen angenommen, der abwechselnd Kugel- und Ellipsoidformen annimmt. Dabei wirken zwei Kräfte: erstens die Rückstellkraft der Oberflächenspannung, die den Tropfen wieder kugelförmig machen will, und zweitens die Trägheit, die den Übergang in die Ellipsoidform fördert. Wenn der Grad der Verformung ausreichend ist, kann die Oberflächenspannung die Verformung nicht mehr stoppen, und der Tropfen spaltet sich.

Kernfusion: Energie aus der Vereinigung

Die Vereinigung von Kernen zu einem größeren Kern wird als Kernfusion bezeichnet. Es ist möglich, kleine Kerne zu fusionieren, indem man ihnen genügend kinetische Energie zuführt, um die elektrische Abstoßung zu überwinden und sie so nah aneinander zu bringen, dass die Kernkräfte wirken können.