Kernphysik - Grundlagen

Kern-/Teilchenphysik

Kernphysik - Grundlagen

  • Wie sind Atomkerne aufgebaut?
  • Welche Kraft hält Atomkerne zusammen?
  • Warum können Atomkerne zerfallen?
  • Was sind Isotope?

Neutronen

Neutronenquellen

Freie Neutronen werden durch Kernreaktionen erzeugt. Dabei gibt es eine Vielzahl von Möglichkeiten, die sich nach der Neutronenausbeute, der Neutronenenergie und deren Verteilung unterschieden. Hier sei nur auf einige wichtige Möglichkeiten der Erzeugung hingewiesen.

  • Neutronen aus einer (α,n)-Reaktion

    Beispiel: \({}_4^9{\rm{Be}} + {}_2^4{\rm{He}} \to {}_6^{12}{\rm{C}} + {}_0^1{\rm{n}} + \gamma \)

    Die Alpha-Teilchen stammen meist von einem Polonium- oder Radium-Präparat. Den schematischen Aufbau einer solchen Quelle sehen Sie in der nebenstehenden Abbildung.

  • Neutronen aus einer (γ,n)-Reaktion

    Beispiel: \({}_4^9{\rm{Be}} + \gamma  \to 2 \cdot {}_2^4{\rm{He}} + {}_0^1{\rm{n}}\)

    Dieser Reaktionstyp ist dann möglich, wenn die Gammaenergie einen bestimmten Schwellenwert überschreitet (vgl. hierzu auch die exakte Bestimmung der Neutronenmasse).

  • Neutronen aus der Kernspaltung (Kernreaktor)

    Beispiel für eine Spaltreaktion: \({}_{92}^{235}{\rm{U + }} + {}_0^1{\rm{n}} \to {}_{60}^{147}{\rm{N}}{{\rm{d}}^*} + {}_{32}^{86}{\rm{Ge}} + 3 \cdot {}_0^1{\rm{n}}\)

  • Neutronen aus Kernreaktionen, welche in Teilchenbeschleunigern ausgelöst wurden

    Beispiel: \({}_1^2{\rm{D}} + {}_1^2{\rm{D}} \to {}_2^3{\rm{He}} + {}_0^1{\rm{n}}\)

langsame (thermische) Neutronen mittelschnelle Neutronen schnelle Neutronen relativistische Neutronen
< 0,5 eV 0,5 eV bis 10 keV 10 keV bis 20 MeV > 20 MeV

Neutronennachweis

Da die Neutronen selbst keinerlei Ionisation bewirken, muss man zu deren Nachweis auf indirekte Methoden zurückgreifen.

  • Nachweis langsamer Neutronen

    Bei langsamen Neutronen ist die Wahrscheinlichkeit, dass sie eine Kernreaktion auslösen (lange Wechselwirkungszeit mit dem Reaktionspartner) relativ hoch. Füllt man z.B. ein Zählrohr mit dem Gas BF3 (BF3-Zähler), so reagieren die Neutronen mit den Bor-Kernen und schaffen als Reaktionsprodukte geladene Teilchen, welche im Zählrohr registriert werden. \[{}_5^{10}{\rm{B}} + {}_0^1{\rm{n}} \to {}_3^7{\rm{Li}} + {}_2^4{\rm{He}}\]

  • Nachweis schneller Neutronen

    Schon CHADWICK konnte die schnellen Neutronen, welche bei Kernreaktionen entstanden durch Rückstoßkerne, die deutliche Spuren in der Nebelkammer hinterließen nachweisen. Sehr gut eignen sich auch sogenannte Plastik-Szintillatoren, welche viele Wasserstoffkerne enthalten, an welche die Neutronen ihre Energie abgeben können. Die im Szintillator durch die Rückstoßprotonen entstehenden Lichtblitze lösen an der Photokathode eines Sekundärelektronenverfielfachers Elektronen aus.

Neutronenmoderation (Abbremsung)

Für viele Prozesse (z.B. für das Auslösen einer Kettenreaktion im Kernreaktor) werden langsame Neutronen benötigt. Da die Energie der Neutronen durch elektrische und magnetische Felder aber nicht beeinflusst werden kann, ist man auf die Wirkung der Kernkräfte anderer Nukleonen bei der Moderation angewiesen. Der Stoß schneller Neutronen mit Kernen kann mit dem Modell des elastischen Stoßes zweier Kugeln verglichen und gut beschrieben werden. Wie die Rechnungen zeigen, verliert das Neutron am meisten Energie, wenn es mit einem leichten (am besten gleichschweren) Partner stößt. Daher sind wasserstoffhaltige Substanzen (Wasser, Paraffin, Plastik-Szintillator) für die Abbremsung schneller Neutronen wesentlich geeigneter als Substanzen mit schweren Kernen (wie z.B. Blei oder Uran). Dies macht auch die folgende Tabelle deutlich:

Moderator Wasserstoff Schwerer Wasserstoff Beryllium Kohlenstoff Uran
Mittlere Zahl der Zusammenstöße zur Energieverminderung von 1,75MeV auf 0,025eV 18 25 86 114 2172

Zerfall des Neutrons

3 \(\beta^-\)-Zerfall von Neutronen

Neutronen sind radioaktiv und machen einen \({\beta ^ - }\)-Zerfall mit einer Halbwertszeit von 12,8 Minuten. Die Zerfallsgleichung lautet\[_0^1{\rm{n}} \to _1^1{\rm{p}} + _{ - 1}^0{{\rm{e}}^ - } + _0^0{\bar \nu _{\rm{e}}}\]

Auch den \({\beta ^ - }\)-Zerfall eines Kerns stellt man sich als die Umwandlung eines Kernneutron in ein Kernproton vor. Dieser Zerfall wird in der Animation in Abb. 3 dargestellt. Dabei wird ein Elektron und ein Antineutrino emittiert.

Wie man sich heute den \({\beta ^ - }\)-Zerfall im Quarkmodell vorstellt, wird beim Abschnitt über die schwache Wechselwirkung näher erklärt.

Daten des Neutrons

Elektrische Ladung \(q_{\rm{n}}\) Ruhemasse \(m_{\rm{n},0}\) \(E_{0,\rm{n}}\) Halbwertszeit T1/2
0 1,67493·10-27kg = 1,008665u 939,57MeV 12,8 Minuten

Wichtige Atom- und Kernmassen

Aktuelle Werte der Atom- und der Kernmassen aller Nuklide findest du auf der Internetseite Das Periodensystem der Elemente online. Weiter ist die Atomare Masseneinheit \(1{\rm{u}} = 1,66053904 \cdot {10^{ - 27}}{\rm{kg}}\) und das Energieäquivalent zur Atomaren Masseneinheit \({\rm{u}} \cdot {c^2} = 931,49{\rm{MeV}}\).

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