Kernphysik erklaert

Professor Weinsteins Kernphysikkurs behandelt die Kernbestandteile, die Bindungen des Kerns, dessen Rolle bei der atomaren Identität und die Isotope. Er stellt wichtige Instrumente wie das Periodensystem der Elemente und die Tabelle der Nuklide vor, um diese Konzepte zu erforschen.

Die starken und elektromagnetischen Kräfte bestimmen die Struktur der Atomkerne. Die Kurven der Bindungsenergie zeigen, dass schwere Kerne ihre Energie eher durch Spaltung abgeben, während leichte Kerne dies durch Fusion tun. Die Erforschung dieser Prozesse mit Hilfe von Laborgeräten im Klassenzimmer kann helfen zu verstehen, wie Teilchenbeschleuniger die Kernmaterie untersuchen.

Wenden Sie sich nun instabilen Kernen und dem Prozess des radioaktiven Zerfalls zu. Verfolgen Sie die drei Arten des Zerfalls - Alpha, Beta und Gamma - und untersuchen Sie die beteiligten Teilchen, ihre Ladung (oder deren Fehlen) und Energiebereiche. Messen Sie die Radioaktivität mit einem Geigerzähler und überlegen Sie, wie man sich gegen jede Art von Strahlung schützen könnte.

Zu den Strahlungsquellen gehören kosmische Strahlen aus dem Weltraum, natürliche radioaktive Elemente wie Uran im Boden, medizinische Verfahren und Konsumgüter. In der Vergangenheit waren auch Produkte wie Durchleuchtungsgeräte für Schuhe und Radithor, ein mit Radium versetztes Tonikum, Strahlungsquellen, die heute jedoch aufgrund von Gesundheitsrisiken nicht mehr verwendet werden.

Ionisierende Strahlung, wie die von Nuklearexplosionen, kann die DNA schädigen und stellt ein ernstes Gesundheitsrisiko dar, im Gegensatz zu nicht-ionisierender Strahlung von Mobiltelefonen und Stromleitungen, die im Allgemeinen harmlos ist. Bewusstseinsbildung und Sicherheitsmaßnahmen sind entscheidend, wenn man nuklearem Fallout ausgesetzt ist.

Um die Kernstruktur zu verstehen, untersuchen Sie zunächst ein einfaches Wasserstoffatom mit einem einzigen Proton und einem kreisenden Elektron. Fügen Sie nach und nach Neutronen und Protonen hinzu, um verschiedene Elemente und Isotope zu erzeugen, und vergleichen Sie das Verhalten des Kerns mit einem flüssigen Tropfen. Verfeinern Sie dieses Verständnis mit Hilfe des Fermi-Gas-Modells.

In dieser Chemievorlesung für die Oberstufe wird das Kernschalenmodell untersucht, das erklärt, wie Protonen und Neutronen in Schalen innerhalb eines Kerns angeordnet sind, ähnlich wie die Elektronen im Atomschalenmodell. Es werden magische Zahlen behandelt, die volle Kernschalen anzeigen, und es wird erklärt, wie sich Kerne wie Kreisel drehen oder wie Glocken klingeln können.

Werfen Sie einen Blick hinter die Kulissen der Thomas Jefferson National Accelerator Facility in Newport News, Virginia, wo Professor Weinstein und seine Kollegen hochenergetische Elektronenstrahlen einsetzen, um die Struktur des Atomkerns zu untersuchen. Dr. Weinstein erklärt auch andere Arten von Teilchenbeschleunigern und deren Zweck, darunter den Großen Hadronen-Speicherring in Europa.

Subatomare Teilchen werden mit Geräten nachgewiesen, die von Geigerzählern aus den 1920er Jahren bis zu modernen Szintillatoren und Drahtkammern reichen, die millionenfach empfindlicher sind. Diese Detektoren geben Aufschluss über die Eigenschaften extrem kleiner, sich schnell bewegender Teilchen.

Besucher des Jefferson Lab erfahren, wie Experimente geplant, genehmigt, durchgeführt und analysiert werden. Der Prozess beinhaltet die Interpretation von Kernkollisionen, die mit der Rekonstruktion von Autounfällen verglichen wird, wobei Schockwellen von Teilchen, die sich schneller als das Licht in Nicht-Vakuum-Medien bewegen, verwendet werden.

In der großen Forschungshalle des Jefferson Labs lassen große Maschinen Elektronen auf Kerne prallen, um gestreute Elektronen und Teilchen zu analysieren. Auf diese Weise sollen die Quantenbahnen innerhalb der Kernschalen verstanden werden. Professor Weinstein erklärt, wie Kernphysiker Experimente konzipieren, um mehr über die Struktur der Kerne herauszufinden.

Protonen und Neutronen bestehen aus fundamentalen Teilchen, den Quarks und Gluonen. Quarks kommen aufgrund der „Seequarks", d. h. der zahlreichen Quark-Antiquark-Paare innerhalb dieser Nukleonen, nie allein vor. Sea-Quarks erklären, warum sichtbare Quarks nur minimal zur Gesamtmasse von Protonen und Neutronen beitragen.

Der Text behandelt die Kernfusion in Sternen, bei der Wasserstoffkerne eine massive Barriere überwinden, um Helium zu bilden - ein Prozess, der von der Masse und der Temperatur eines Sterns beeinflusst wird. Es erwähnt auch Neutrinos, schwer fassbare Teilchen, die bei diesen Reaktionen entstehen und die Erde häufig durchqueren.

Der Text umreißt die Ursprünge der Elemente: Leichte Kerne wie Wasserstoff und Helium entstanden nach dem Urknall, während schwerere Kerne im Inneren von Sternen, bei Supernova-Explosionen und bei Kollisionen mit Neutronensternen erzeugt wurden. Der Schwerpunkt liegt auf den Reaktionen und Bedingungen, die für die Entstehung des gesamten Periodensystems notwendig waren.

Die Entdeckung des Neutrons im Jahr 1932 hat gezeigt, dass es bei der Spaltung einiger schwerer Elemente eine Rolle spielt, wodurch weitere Neutronen und erhebliche Energie freigesetzt werden. Dieser Prozess ist grundlegend für das Verständnis von Kernwaffen und Kernenergie, da es die zur Spaltung neigenden Kerne, die Auslösung der Spaltung und die dabei entstehenden „Tochterkerne" umfasst.

Die 1945 erstmals gezündeten „Atombomben" und später die „H-Bomben" sind Arten von Kernwaffen. Die Erforschung ihrer Funktionsweise, der Schwierigkeiten bei der Materialbeschaffung und der Methoden zur Erhöhung der Sprengkraft und Verkleinerung ist von entscheidender Bedeutung. Die Bemühungen um eine friedliche Nutzung von Kernwaffen waren bisher erfolglos.

Erforschen Sie die Grundlagen der Konstruktion von Kernreaktoren und konzentrieren Sie sich dabei auf die Aufrechterhaltung kontrollierter Kernreaktionen zur Dampferzeugung und zum Antrieb von Turbinen. Erfahren Sie, warum Reaktoren nicht wie Bomben explodieren können und untersuchen Sie die Vor- und Nachteile der gängigen Reaktortypen.

Unter bestimmten Umständen kann es zu einem katastrophalen Ausfall eines Kernreaktors kommen. Überprüfen Sie die schweren Nuklearunfälle von Three Mile Island in den USA, Tschernobyl in der Sowjetunion und Fukushima in Japan und ziehen Sie Lehren aus der Fehlbarkeit von Sicherheitseinrichtungen und menschlichen Bedienern. Verfolgen Sie die kaskadenartige Abfolge von Fehlern bei jedem Unfall.

Die derzeitige dritte Generation von Kernkraftwerken konzentriert sich auf eine kostengünstigere und sicherere Energieerzeugung mit weniger Abfällen und Verbreitungsrisiken. Die Industrie entwickelt Technologien der vierten Generation, darunter fortgeschrittene Leichtwasserreaktoren, und erforscht Schmelzsalz- und Thoriumreaktoren, um die Effizienz und Sicherheit weiter zu verbessern.

Die Fusionsenergie, eine sehr begehrte Quelle sauberer Energie, ist auch nach Jahrzehnten noch nicht gefunden. Dabei geht es darum, eine selbsterhaltende thermonukleare Reaktion einzuschließen. Der Tokamak, eine Strategie, nutzt ein toroidales Magnetfeld, um ein Hochtemperaturplasma einzuschließen, das auf eine anhaltende Fusion abzielt.

Hochenergetische Strahlung, die seit 1895 in der Krebsbehandlung eingesetzt wird, erfordert hochentwickelte Quellen und Verfahren. Das Proton Therapy Institute der Hampton University zeigt, wie aktuelle Techniken Krebszellen präzise anvisieren und dabei das umliegende Gewebe möglichst wenig schädigen.

Strahlung wird in der medizinischen Bildgebung (z. B. Mammogramme, PET-Scans, CT-Scans) eingesetzt, um die Körperdichte und Stoffwechselaktivität zu untersuchen. Diese Instrumente helfen bei der Erkennung verschiedener Gesundheitsprobleme, aber es ist wichtig zu bedenken, wann die Strahlungsdosen schädlich sein könnten.

Instabile Isotope wie Kohlenstoff-14 und Uran-238 werden aufgrund ihrer vorhersehbaren Zerfallsraten zur Datierung historischer Objekte und alter geologischer Formationen verwendet. Stabile Isotope hingegen helfen bei der Aufdeckung von Betrug und der Untersuchung alter Klimazonen.

Der Kurs schließt mit der Erforschung von Strahlungsanwendungen, wie z. B. dem Aufspüren radioaktiver Verseuchung und geheimer Atomtests, der Nutzung kosmischer Strahlen zur Untersuchung antiker Strukturen und der Diskussion der Theorie, dass ein Strahlungsbad einer Supernova zur Entwicklung des Menschen auf der Erde beigetragen haben könnte.