Lexikon: Kernphysik

 

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Die Kernphysik ist der Teilbereich der , 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

  • Längen: 1 Fermi (Einheit)|Fermi = 1 fm = 10^{-15} Meter|m
  • Energie: 100 Elektronenvolt|keV bis 100 Elektronenvolt|MeV

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 Streuung (Physik)|Streuvorgänge von Elementarteilchen an Atomkernen oder an andere Elementarteilchen ausgelöst werden.

Die Bausteine der Kerne sind die Nukleonen: en und Protonen. Die Anzahl Z der Protonen in einem Kern ist gleich der Anzahl der en im neutralen Atom. Z bestimmt die Chemie|chemischen Eigenschaften der Atome und heißt deshalb (oder bezogen auf den Atomkern auch Kernladungszahl). Die Masse des Atomkerns wird durch die Anzahl A aller Nukleonen bestimmt und wird deshalb auch genannt. Wie man sehen kann, ist die Neutronenzahl N = A - Z.

Atome mit der gleichen Ordnungszahl und unterschiedlicher Massenzahl werden e genannt, da sie sich chemisch gleich verhalten. Die physikalischen Eigenschaften des Kerns dagegen sind sowohl von der Ordnungszahl als auch von der Neutronenzahl beeinflußt.

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 in Physik. Radioaktivität ist immer mit einer Kernumwandlung verbunden, so dass sich Stoffe beim Zerfall in andere Stoffe umwandeln. Dies wurde von Ernest Rutherford entdeckt, wofür er 1908 den Nobelpreis in Chemie erhielt.

Der Rutherford-Streuung|Rutherfordsche Streuversuch, bei dem Alpha-Teilchen an Goldfolie gestreut werden, von HHans Geiger (Physiker)|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 war 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.

Die Idee, die als Strahlung frei werdende Energie zu nutzen löste einen niemals zuvor dagewesenen Forschungswettlauf um die Atombombe aus, an dem sich eigentlich alle großen Kernphysiker beteiligten. In Los Alamos forschten unter der Regie von Robert Oppenheimer die Physiker Enrico Fermi, Hans Bethe, 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 neue 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 Atomausstieg|Kernenergieausstieg Deutschlands statt.

Grundbegriffe

In der modernen Kernphysik hat man anhand verschiedener Untersuchungsmöglichkeiten, wie Teilchenbeschleuniger, Kernreaktoren und verschiedene Strahlungsmessgeräte eine sehr genaue Kenntnis von den Eigenschaften der Atomkerne. Dazu zählen Masse (Physik)|Masse, Ladung, , magnetisches Dipolmoment, Zusammensetzung aus Neutronen und Protonen, n, Stabilität, Kernzerfall und Umwandlung durch oder spontan.

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 \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 , und Kernspaltung.

Siehe auch: Portal Physik, Mößbauer-Effekt, Atomphysik.

Weblinks

  • http://www.teilchen.at Aktuelles, Links und Information zu Kern- und Teilchenphysik (mit leichtem Bezug zur Situation in Österreich)

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