Kernphysik – Lexikoneinträge
-
Die Anregungsenergie ist die Energie , die ein Quantensystem aufnehmen ( absorbieren ) muss, um in einen bestimmten „angeregten“ Energiezustand überzugehen. Beim anschließenden Übergang in den Grundzustand oder einen anderen Zustand mit niedrigerer Energie ( Abregung , Rekombination ) wird diese Energie wieder frei, z. B. durch Emission eines Photons mit passender Energie bzw. Frequenz. Sind E 0 die Energie des Grundzustands und E 1 die Energie des angeregten Zustands, so ist die Anregungsenergie die Differenz \(\Delta E = E_1 - E_0\) . In der Atomphysik (z. B. beim Franck-Hertz-Versuch ) gibt...
-
Der „ Atomkern “ oder kurz „ Kern “ ist der nur etwa 10 –15 m (1 fm, dies ist weniger als ein Zehntausendstel des Atomdurchmessers) große Zentralbereich eines Atoms . In diesem ist die gesamte positive Ladung und fast die gesamte Masse konzentriert, (die Massendichte von Kernmaterie beträgt etwa \(1,4\cdot 10^{17}\,\text{kg/m}^3\) . Atomkerne enthalten Protonen und Neutronen , die man zusammengenommen auch Nukleonen (von lat. nucleus „Kern“) nennt. Die Zahl A der Nukleonen im Kern ist die Massenzahl , die Zahl der Protonen die Ordnungszahl Z und die Zahl der Neutronen die Neutronenzahl N...
-
Die Halbwertszeit t 1/2 bzw. t H und die Lebensdauer \(\tau\) sind zwei gleichwertige Größen zur Beschreibung von radioaktiven und anderen exponentiellen Zerfällen. Dabei ist die Halbwertszeit t 1/2 der Zeitraum, in dem die Anzahl N der betrachteten Nuklide (oder wovon auch immer) auf die Hälfte ihres Anfangswerts N 0 abgesunken ist. Die H. lässt sich aus dem radioaktiven Zerfallsgesetz bei gegebener Zerfallskonstante \(\lambda\) direkt ausrechnen, man erhält: \(t_{1/2} = \dfrac{\ln 2}\lambda\) . Die Lebensdauer \(\tau\) wird dagegen definiert als die Zeit, nach welcher N um einen Faktor 1...
-
Als Kernfusion (von lat. fusio „das Schmelzen“) bezeichnet man in der Physik die Verschmelzung zweier Atomkerne . Ist die Kernbindungsenergie pro Nukleon im Produktkern größer als in den beiden ursprünglichen Kernen, wird dabei Energie frei. Die Kernfusion ist die Energiequelle der Sterne , also auch der Sonne und damit der meisten biologischen und meteorologlischen Vorgänge auf der Erde . Im einzelnen sind die Kernreaktionen, über in der Sonne Atomkerne fusionieren, ziemlich kompliziert. Die beiden wesentlichen Prozesse verschmelzen, teilweise unter Beteiligung anderer Kerne, Wasserstoff zu...
-
Bei einer Kernspaltung wird ein Atomkern in zwei Fragmente vergleichbarer Masse aufgeteilt. Die Kernspaltung kann bei schweren Kernen von selbst erfolgen ( spontane Spaltung ) oder durch Zufuhr einer geeigneten Anregungsenergie erzwungen werden ( induzierte Spaltung ). Die Massen der beiden Spaltprodukte verhalten sich in etwa wie 2:3. Bei der Spaltung werden etwa 10 % der Kernbindungsenergie , etwa 120–200 MeV, als kinetische Energie der Bruchstücke frei. Außerdem ist der Spaltvorgang mit der Emission von intensiver Gammastrahlung sowie von zwei bis drei schnellen Neutronen ( Spaltneutronen )...
-
Der Massendefekt eines Atomkerns die Differenz zwischen der Summe der Ruhemassen sämtlicher Nukleonen und der tatsächlichen Kernmasse. Dieser Massenunterschied lässt sich mit der Äquivalenz von Masse und Energie erklären: Er entspricht exakt der Energie, die in der Bindung der Nukleonen untereinander steckt, also der Kernbindungsenergie .
-
Das Neutron n ist ein elektrisch neutrales, relativ langlebiges Elementarteilchen mit der Ruhemasse mn = 1,0087 u = \(1,675 \cdot 10^{-27}\,\text{kg}\) bzw. einer Ruheenergie von 939,565 MeV. Die Ruheenergie ist damit um rund 1,3 MeV größer als die des Protons , weswegen freie Neutronen mit einer Halbwertszeit von 880 s (knapp 15 min) sich per Betazerfall in Protonen verwandeln. Das Neutron wurde 1932 von James Chadwick entdeckt. Neutron und Proton nennt man zusammen auch Nukleonen ( Kernbausteine ). Sie haben viele Eigenschaften gemeinsam: sie bestehen beide aus drei Quarks (Neutron: udd...
-
Bei der radioaktiven Altersbestimmung bzw. Datierung ermittelt man das Alter von geologischen oder archäologischen Proben mithilfe des radioaktiven Zerfallsgesetzes . Die Grundannahme ist, dass bis zu einem bestimmten Zeitpunkt in der Vergangenheit ein radioaktives Isotop in der untersuchten Probe in konstanter Konzentration vorhanden war, da es beständig nachgeliefert wurde – beispielsweise nehmen lebende Tiere und Pflanzen mit der Atemluft radioaktives C-14 zu sich. Stirbt ein Lebewesen, erhält es kein neues C-14 mehr, sodass dessen Konzentration entsprechend dem Zerfallsgesetz stetig...
-
Radioaktivität (von lat. radius „Strahl“) bezeichnet das Aussenden von Strahlung aufgrund einer spontanen, d. h. zufällig auftretenden Umwandlung eines instabilen Atomkerns . Auch in stabilen Kernen kann man durch äußere Einwirkung Kernreaktionen und die Emission von Strahlung auslösen, dies wird jedoch i. A. nicht als Radioaktivität bezeichnet. Klassischerweise gibt es drei Arten von radioaktiver Strahlung, die Kernphysik kennt allerdings auch noch weitere Formen (s. u.): Alphastrahlung besteht aus Helium -4-Kernen,die deshalb auch oft als Alphateilchen bezeichnet werden ( \(\alpha\) )...
-
Die schwache und die starke Wechselwirkung bzw. Fundamentalkraft sind zwei Grundkräfte, die zusammen mit Elektromagnetismus und Gravitation allen physikalischen Prozessen zugrundliegen. Beiden Kräften ist gemein, dass sie nur auf extrem kurzen Abständen zutage treten (die starke Wechselwirkung ungefähr bei Abständen in der Größenordnung des Protonendurchmessers , also etwa \(1\,\text{fm} = 10^{-15}\,\text m\) , und kleiner, die schwache sogar nur bei noch kleineren Abständen \(< 10^{-16}\,\text m\) ). Es gibt aber mehrere grundsätzliche Unterschiede: Die starke Wechselwirkung oder Farbkraft...
-
Als superschwere Elemente bezeichnet man die schwersten Elemente des Periodensystems der Elemente , wobei die Defintion nicht ganz einheitlich ist: Entweder sind damit alle Elemente gemeint, die schwerer als Fermium sind und nicht durch Beschuss anderer Elemente mit Neutronen oder Alphateilchen erzeugt werden können ( Transfermiumelemente ), oder die Elemente jenseits der Aktinoiden (Transaktinoide) oder einfach die schwersten gerade herstellbaren Isotope. Die Synthese neuer superschwerer Elemente in Beschleunigerexperimenten ist nicht nur eine enorme technische Herausforderung und außerdem...
-
Eine Zerfallsreihe ergibt sich, wenn man der nach einem radioaktiven Zerfall entstehende Atomkern ebenfalls radioaktiv ist und weiter zerfällt – verfolgt man diesen Prozess, bis ein stabiler Kern erreicht wird, spricht man von einer Zerfallsreihe. In der Natur kommen bei den schweren Elementen heute drei verschiedene Zerfallsreihen vor, die von den Uranisotopen 238 U und 235 U sowie vom Thoriumisotop 232 Th ausgehen (die Abb. zeigt die beiden U-Zerfallsreihen). Sie enden stets bei einem stabilen Bleiisotop. Innerhalb einer Zerfallsreihe können sowohl Alpha- als auch Betazerfälle stattfinden...