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Kernphysik
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Die Kernphysik ist der Teilbereich der Physik, der sich mit dem Aufbau und dem Verhalten von Atomkernen beschäftigt.
Die Kernphysik kann sowohl theoretisch als auch experimentell betrieben werden. Neben der Kernstruktur, also dem Aufbau der Atomkerne, sind auch Kernreaktionen Gegenstand der Untersuchungen.
Typische Größenordnungen im Bereich der Kernmaterie sind
Bei der Beschreibung von Kernreaktionen ist der Begriff des Wirkungsquerschnitts von Bedeutung. Der Wirkungsquerschnitt misst die Wahrscheinlichkeit für die Reaktion beim Einfall von Teilchen auf Materie. Dabei können Streuvorgänge von Elementarteilchen an Atomkernen oder an andere Elementarteilchen ausgelöst werden.
Die Bausteine der Kerne sind die Nukleonen: Neutronen und Protonen. Die Anzahl Z der Protonen in einem Kern ist gleich der Anzahl der Elektronen im neutralen Atom. Z bestimmt die chemischen Eigenschaften der Atome und heißt deshalb Ordnungszahl (oder bezogen auf den Atomkern auch Kernladungszahl). Die Masse des Atomkerns wird durch die Anzahl A aller Nukleonen bestimmt und wird deshalb auch Massenzahl genannt. Wie man sehen kann, ist die Neutronenzahl N = A - Z.
Atome mit der gleichen Ordnungszahl aber unterschiedlicher Massenzahl werden Isotope genannt, da sie sich chemisch gleich verhalten. Die physikalischen Eigenschaften des Kerns dagegen sind sowohl von der Ordnungszahl als auch von der Neutronenzahl beeinflusst.
Wie sich Ordnungszahl und Massenzahl beim radioaktiven Zerfall ändert, beschreibt das Verschiebungsgesetz (1913 Kasimir Fajans und Frederick Soddy).
Näheres siehe unter dem Hauptartikel Atomkern.
Geschichte
Antoine Henri Becquerel, Pierre Curie und Marie Curie erhielten für ihre Versuche zur Radioaktivität, die man als den historischen Beginn der modernen Kernforschung bezeichnen könnte, 1903 den Nobelpreis für Physik. Radioaktivität ist immer mit einer Kernumwandlung verbunden, so dass sich ein Stoff beim Zerfall in andere Stoffe umwandelt. Dies wurde von Ernest Rutherford entdeckt, wofür er 1908 den Nobelpreis für Chemie erhielt.
Der Rutherfordsche Streuversuch, bei dem Alpha-Teilchen an Goldfolie gestreut werden, von Hans Geiger, Ernest Marsden und Ernest Rutherford im Jahr 1909 markiert einen Wendepunkt in der modernen Vorstellung vom Aufbau der Atome. Aus den Rutherfordschen Interpretationen der Ergebnisse wurde die Idee vom Atomkern geboren. Im Kern ist fast die gesamte Masse des Atoms vereinigt, jedoch nimmt er einen ausgesprochen kleinen Volumenanteil des Atoms ein.
Die Kenntnis der Bindungsenergie der Atomkerne, halb-empirisch zuerst in der Bethe-Weizsäcker-Formel formuliert, zählt zu den großen Fortschritten in der Geschichte der Kernphysik.
Otto Hahn und Lise Meitner entdeckten 1938, dass unter Bestrahlung mit Neutronen Urankerne gespalten werden. Später wurde nachgewiesen, dass bei diesem Prozess Energie und weitere Neutronen freigesetzt werden, wodurch eine Kettenreaktion möglich wurde.
In Los Alamos forschten unter der Regie von Robert Oppenheimer die Physiker Enrico Fermi, Hans Bethe, Richard Feynman, Edward Teller, Felix Bloch, um nur die bekanntesten zu nennen. In Deutschland forschten unter anderem Carl Friedrich von Weizsäcker und Werner Heisenberg an der Weiterentwicklung eines Reaktors zunächst in Berlin und später in Haigerloch mit dem umstrittenen Fernziel einer militärischen Nutzung der Forschungsergebnisse.
Die Erkenntnisse der Kernspaltung fanden von Beginn an auch eine zivile Nutzung in der Energiegewinnung aus den Kernreaktoren (auch Atomreaktor genannt).
Kaum ein Gebiet der Physik hat durch seine Ambivalenz der friedlichen als auch zerstörerischen Nutzung die öffentliche Diskussion mehr angeheizt: für Fortschrittskritiker war die Kernphysik die Büchse der Pandora, für Fortschrittsgläubige eine der wichtigsten Entdeckungen des 20. Jahrhunderts. Man kann sicher zurecht sagen, dass die Kernphysik der Auslöser einer neuen Wissenschaftsethik war (Hans Jonas, Carl Friedrich von Weizsäcker). Die politische Auseinandersetzung um den vernünftigen und verantwortbaren Umgang mit der Kernenergie findet bis heute in der Auseinandersetzung um den Kernenergieausstieg Deutschlands statt.
Da Protonen sich aufgrund ihrer positiven elektrischen Ladung abstoßen, benötigt man ein neues Konzept für die Stabilität von Kernen. Die Kraft, die den Kern zusammenhält, nennt man starke Wechselwirkung. Die Wechselwirkung, die für Parser-Fehler (Das temporäre Verzeichnis für mathematische Formeln kann nicht angelegt oder beschrieben werden.): \beta -Zerfälle verantwortlich ist, heißt schwache Wechselwirkung.
Da die Atomkerne subatomar klein sind, unterliegen sie den Gesetzen der Quantenphysik.
Die einzelnen Zerfallarten werden im Artikel Kernchemie behandelt
Zur Kernphysik gehören unter anderem die Themenbereiche Radioaktivität, Kernfusion und Kernspaltung.
Siehe auch
Weblinks
- Paul, Weise (TU München), online Skript Teilchen und Kerne
- http://cdsweb.cern.ch/ Dokumentenserver zur Kernphysik mit 360 000 Volltextdokumenten und 800 000 Einträgen
- National Nuclear Data Center (engl.) umfangreiche Homepage des Brookhaven National Laboratory zu verschiedensten Aspekten der Kernphysik (besonders interessant: die "Nuclear Wallet Cards")
- Versuche und Aufgaben zur Kernphysik
- http://atom.kaeri.re.kr/ton/index.html sehr umfangreiche Nuklidkarte mit Zerfallsarten, Massen, Bindungsenergien und anderen charakteristischen Werte für alle bekannten Nuklide
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