Kernphysik Flashcards
Brutstoff
nicht spaltbarer Stoff, zB U-238
kann in Brutreaktor in spaltbaren Stoff umgewandelt werden durch Neutroneneinfang. (U-238 -> Pu-239)
Plasma
Bei hohen Temp., Atome ohne Elektronenhülle -> Kerne und Elektronen bewegen sich getrennt
warum kann man aus Spaltung von 235-U Energie gewinnen?
Tochteratome haben höhere Bindungsenergie pro Nukleon. Bindungsenergie ist negativ dh. bei Spaltung wird Energie frei. (exotherm)
Wie unterscheiden sich die drei Arten von Kernzerfällen?
alpha: Teilchenstrahlung, diskret, Energie ist charakteristisch für Atomkern
beta: maximalwert der Energie ist charakteristisch, kontinuierlich, Teilchenstrahlung
gamma: Photonen, diskret, Energie ist charakteristisch für jeden Atomkern
Erklärung des alpha Zerfalls mit Quantenmechanik
He-Kern im inneren des Atoms im endlichen Potentialtopf gebildet aus Coulomb und Kernkraft. Es besteht Wahrscheinlichkeit, dass He-Kern tunnelt.
waru ist es so schwierig das Neutrino nachzuweisen?
ww nur schwach mit Materie, sehr hohe durchdringfhk.
- keine Ladung
- geringe masse
- schnelle geschw.
- ww nur über schwache kernkraft
Energiegewinnung in Verb mit Massezahl
A größer als 56(Fe) Spaltung,
A kleiner 56(Fe) Fusion
Eigenschaften der Kernkraft
Kraft die Protonen und Neutronen im Kern zusammenhält
- geringe Entfernung Nukleonen: Anziehend
- große Entfernung Nukleonen: Abstoßend
- sehr geringe Reichweite
- Sättigung (maximale Anzahl an Nukleonen auf die KK wirkt)
Massendefekt
Masse eines Atomkerns ist kleiner als die Summe der Massen seiner Elementarteilchen.
(Kern)bindungsenergie: Energie, die frei wird wenn sich Nukleonen zu Kern zusammenschließen.
Größer für stabilere Kerne (max. Fe-56)
-> Kernfusion von leichten Kernen (Produkte größere BE, die emittiert wird)
-> Kernspaltung von schweren Kernen (U-235, Produkte größere BE, die emittiert wird.)
deltam = -(mAtom -ZmProtonen - ZmElektronen -(A-Z)mNeutronen)
radioaktiver Zerfall
spontane Emission von ionisierter Strahlung instabiler Kerne
künstliche Radioaktivität
zB durch Teilchenbeschuss von Atomkernen: Neutronenbeschuss
Alpha Strahlung
Teilchenstrahlung,
diskretes Spektrum -> charakteristisch für Atomkern, Beweis für diskrete Energiezustände im Atomkern,
42He2+ tunnelt durch Potentialwall des Atomkerns
geringe Durchdringungsfähigkeit
ionisierende Wirkung
Beta Strahlung
- Teilchenstrahlung
- kontinuierliches Spektrum, Maximum ist Nuklidcharakteristisch
- betaminus: Neutron zefällt zu Proton, Elektron, Antineutrino
- betaplus: Proton zerfällt zu Neutron, Positron, Neutrino
Gammastrahlung
- hochfrequente, Energiereiche Photonen
- diskretes Spektrum
- sehr hohe Durchdringungsfähigkeit da Wahrscheinlichkeit WW mit Materie gering
- > Aber: wenn WW wird sofort gesamte Energie abgegeben (anders als bei alpha und beta)
- auf alpha und beta Strahlung folgt oft noch Gamma, a Kerne noch angeregt (Abgabe Energieüberschuss)
Aktivität einer Substanz
Anzahl Zerfälle pro Zeiteinheit, A=kN(t)=kN(0)exp(-kt)
wieso sind Neutronen besonders gut als Kerngeschosse geeignet?
keine Ladung -> können in stark positiv geladenen Kern eindringen
Kernspaltung
zB U-235
- schwere Kerne
- Neutronenbeschuss, ‘Target’-Kern fängt Neutronen (‘Projektil’) ein
- > Kernbindungsenergie wird frei
- nun instabiler Compoundkern gerät durch freigewordene KBE in Schwingung
- > Kernspaltung durch Schnürung und Coulombsche Abstoßung.
- Produkte: 2 stabile Kerne, 3 Neutronen -> Kettenreaktion
Kernfusion
- leichte Kerne
- zB: 4(11H) -> 42He + 2e+ + 2Neutrino
- in der Sonne “CNO-Zyklus”
Wirkung der Kernstrahlung
alpha: Ionisierung
Beta: Ionisierung, Anregung, Bremsstrahlung
Gamma: Photoeffekt, Comptoneffekt (Umwandlung in Hülle zu Elektron-Positron Paar)
-> alle WW mit Atomhülle
Neutronen WW mit Kern nicht Hülle -> Elementumwandlung
Nachweismethoden RS
zB Geiger Müller Zählrohr
- durch Füllgas durchfliegendes Teilchen -> Stoßionisation
- erzeugt Stromfluss (messen)
- hohe Empfindlichkeit
- Nachweis von: beta und Gamma, alpha nur mit extrem dünnen Fenster
- Gammanachweis 1% Effizienz, da geringe WW mit Gas
Abschirmmaßnahmen RS
alpha: dünner Papier
beta: Aluminiumschicht
Gamma: Dicke Betonwand
Neutronen: Abbremsung durch schweres Wasser
Gefährlichkeit der Strahlung für den Menschen
Ionisierung von organischem Molekülen im Körper
- > Denatuierung von zB DNA
- > Mutationen
- Freisetzung von Zellgiften (körpereigen induzierter Schutzmechanismus) -> Zelltod
Radiotoxizität
Bewertung der radioaktiven Substanz aufgrund von:
- Durchdringungsfähigkeit
- Halbwertszeit
- Energie und Art der Strahlung
- Anreicherung im Körper
Kernspaltungsprozess (technisch)
Kernspaltung zur Energiegewinnung
- Nutzung der Kettenreaktion (nur wenige Neutronen für start benötigt)
- lawinenartiger Anstieß der Spaltungen, im Kernkraft kontrolliert durch Absorberstäbe und Moderator
- vorher: Isotopentrennung, Verwendung angereichertes Uran
- bei Spaltung v. U-235 freiwerdende Neutronen sind schnelle Neutronen
- müssen abgebremst werden, da sonst Absorption durch U-238
Isotopentrennung (Kernkraftwerk)
- Isotopentrennung extrem aufwendig und teuer
- für Kernreaktion im Reaktor sowieso ungeeignet,
es würde zu schnell zu viel Energie freigesetzt werden
-> Verwendung von angereichertem Natururan (höherer Anteil an U-235)
Nebenreaktionen/Einfangreaktion im KKW
U-238 + Neutron -> Pu-239 + Elektron
- > hier werden keine ‘neuen Neutronen’ frei
- > aber aus nicht spaltbarem U-238 spaltbares Pu-239
- Einfangreaktion verhindern durch Neutronenabbremsung. Moderator
Bestandteile Brennelement
Spaltstoff in Brennstab, umhüllt von Brennstabhülle.
Moderator für Neutronenabbremsung
alles umhüllt von Brennelementhülle
Absorberstäbe
- aus stark neutronenabsorbierendem Material, zB Cadmium
- regulierung Neutronenhaushalt
- auch zur Abstellung des KKW
Moderatoren
- gleichzeitig Kühlmittel
- zB. Graphit: relativ einfach herzustellen, geringere Neutronenabsorption -> dh. nur Verlangsamung der Reaktion, nicht einfangen der Neutronen
- zB. schweres Wasser: D2O, sehr teuer, geschlossener Kühlkreislauf
Kernfusion (technisch)
- nur bei sehr hohen Temp, da hohe Teilchengeschw. benötigt. (Atomkerne stoßen sich eigentlich ab durch KK, Coulomb)
- Problem: bei hohen Temp. “Plasma”
-> durch hohe Temp nur Einschluss durch Magnetfelder möglich - Plasmatemp sowieso nicht realisierbar (-> Energiegewinnung à là Sonne nicht möglich)
Aber: mögliche Deuterium-Tritium Fusion
21H + 31H -> 42He + Neutron + deltaE - Tritium aus Lithium erbrüten
Strahlungsanwendung in der Medizin
radioaktives Technetium in Blutkreislauf:
- Beobachtung der Durchblutung versch. Organe
Radio-Carbon Methode
- WW kosmische Strahlung mit oberer Atmosphäre
- Entstehung schnelle Neutronen
-> 14,7N + 1,0n -> 14,6C + 1,1p - C-14 wird über Meereströmung etc verteilt, in Organismen als Grundstein organischer Substanzen eingebaut
- Organismen nehmen kontinuierlich radioaktives C-14
-> GGW aus Aufnahme, Zerfall, Ausscheidung
-> konstanter C-14 Haushalt über Lebenszeitraum - Nach Tod: es wird kein C-14 mehr aufgenommen und ausgeschieden, das im Körper enthaltene zefällt weiter
-> C-14 Gehalt sinkt. - Bestimmung des Verhälnisses C-14 zu [C-14]ende zur Altersbestimmung
14,9C -> 14,7N + e- + Antineutrino
Elementarteilchen
unteilbare kleinste Bausteine der Materie
- T und AntiT können nur paarweise erzeugt oder vernichtet werden
-> es gelten Energie-, Impuls-, Drehimpulserhaltung
QUARKS: u (q(u)=2/3e)
LEPTONEN: e-
FELDQUANTEN: Photon
fundamentale WW
- starke WW: KK - Zusammenhalt P und N im Kern
- elektromagnetische WW: zw. geladenen Teilchen (=Coulomb)
- schwache WW: beta Zerfall radioaktiver Nuklide
- Gravitation: Anziehung Sonne Planeten
fundamentale Symmetrie
- zu jedem Teilchen ein Gegenteilchen
- e- und e+ bei Aufeinandertreffen: Vernichtung und Aussendung von Gamma Strahlung
Materie <> Antimaterie
Tunneln des He-Kerns
- He-Kern im Atomkern als Broglie Welle
- He-Kern im Potentialtopf aus KK und Coulomb mit endlicher Höhe gefangen
- > tunneln
