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Moderne Physik > Kernphysik > Flashcards

Kernphysik Flashcards

1
Q

Brutstoff

A

nicht spaltbarer Stoff, zB U-238

kann in Brutreaktor in spaltbaren Stoff umgewandelt werden durch Neutroneneinfang. (U-238 -> Pu-239)

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2
Q

Plasma

A

Bei hohen Temp., Atome ohne Elektronenhülle -> Kerne und Elektronen bewegen sich getrennt

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3
Q

warum kann man aus Spaltung von 235-U Energie gewinnen?

A

Tochteratome haben höhere Bindungsenergie pro Nukleon. Bindungsenergie ist negativ dh. bei Spaltung wird Energie frei. (exotherm)

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4
Q

Wie unterscheiden sich die drei Arten von Kernzerfällen?

A

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

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5
Q

Erklärung des alpha Zerfalls mit Quantenmechanik

A

He-Kern im inneren des Atoms im endlichen Potentialtopf gebildet aus Coulomb und Kernkraft. Es besteht Wahrscheinlichkeit, dass He-Kern tunnelt.

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6
Q

waru ist es so schwierig das Neutrino nachzuweisen?

A

ww nur schwach mit Materie, sehr hohe durchdringfhk.

  • keine Ladung
  • geringe masse
  • schnelle geschw.
  • ww nur über schwache kernkraft
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7
Q

Energiegewinnung in Verb mit Massezahl

A

A größer als 56(Fe) Spaltung,

A kleiner 56(Fe) Fusion

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8
Q

Eigenschaften der Kernkraft

A

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)
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9
Q

Massendefekt

A

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)

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10
Q

radioaktiver Zerfall

A

spontane Emission von ionisierter Strahlung instabiler Kerne

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11
Q

künstliche Radioaktivität

A

zB durch Teilchenbeschuss von Atomkernen: Neutronenbeschuss

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12
Q

Alpha Strahlung

A

Teilchenstrahlung,
diskretes Spektrum -> charakteristisch für Atomkern, Beweis für diskrete Energiezustände im Atomkern,
42He2+ tunnelt durch Potentialwall des Atomkerns
geringe Durchdringungsfähigkeit
ionisierende Wirkung

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13
Q

Beta Strahlung

A
  • Teilchenstrahlung
  • kontinuierliches Spektrum, Maximum ist Nuklidcharakteristisch
  • betaminus: Neutron zefällt zu Proton, Elektron, Antineutrino
  • betaplus: Proton zerfällt zu Neutron, Positron, Neutrino
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14
Q

Gammastrahlung

A
  • 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)
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15
Q

Aktivität einer Substanz

A

Anzahl Zerfälle pro Zeiteinheit, A=kN(t)=kN(0)exp(-kt)

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16
Q

wieso sind Neutronen besonders gut als Kerngeschosse geeignet?

A

keine Ladung -> können in stark positiv geladenen Kern eindringen

17
Q

Kernspaltung

A

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
18
Q

Kernfusion

A
  • leichte Kerne
  • zB: 4(11H) -> 42He + 2e+ + 2Neutrino
  • in der Sonne “CNO-Zyklus”
19
Q

Wirkung der Kernstrahlung

A

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

20
Q

Nachweismethoden RS

A

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
21
Q

Abschirmmaßnahmen RS

A

alpha: dünner Papier
beta: Aluminiumschicht
Gamma: Dicke Betonwand
Neutronen: Abbremsung durch schweres Wasser

22
Q

Gefährlichkeit der Strahlung für den Menschen

A

Ionisierung von organischem Molekülen im Körper

  • > Denatuierung von zB DNA
  • > Mutationen
  • Freisetzung von Zellgiften (körpereigen induzierter Schutzmechanismus) -> Zelltod
23
Q

Radiotoxizität

A

Bewertung der radioaktiven Substanz aufgrund von:

  • Durchdringungsfähigkeit
  • Halbwertszeit
  • Energie und Art der Strahlung
  • Anreicherung im Körper
24
Q

Kernspaltungsprozess (technisch)

A

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
25
Q

Isotopentrennung (Kernkraftwerk)

A
  • 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)
26
Q

Nebenreaktionen/Einfangreaktion im KKW

A

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
27
Q

Bestandteile Brennelement

A

Spaltstoff in Brennstab, umhüllt von Brennstabhülle.
Moderator für Neutronenabbremsung
alles umhüllt von Brennelementhülle

28
Q

Absorberstäbe

A
  • aus stark neutronenabsorbierendem Material, zB Cadmium
  • regulierung Neutronenhaushalt
  • auch zur Abstellung des KKW
29
Q

Moderatoren

A
  • 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
30
Q

Kernfusion (technisch)

A
  • 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
31
Q

Strahlungsanwendung in der Medizin

A

radioaktives Technetium in Blutkreislauf:

- Beobachtung der Durchblutung versch. Organe

32
Q

Radio-Carbon Methode

A
  • 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
33
Q

Elementarteilchen

A

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

34
Q

fundamentale WW

A
  • 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
35
Q

fundamentale Symmetrie

A
  • zu jedem Teilchen ein Gegenteilchen
  • e- und e+ bei Aufeinandertreffen: Vernichtung und Aussendung von Gamma Strahlung

Materie <> Antimaterie

36
Q

Tunneln des He-Kerns

A
  • He-Kern im Atomkern als Broglie Welle
  • He-Kern im Potentialtopf aus KK und Coulomb mit endlicher Höhe gefangen
  • > tunneln

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