Kernphysik

Geschichte der Kernphysik

Ernest Rutherford wies als erster Physiker Protonen im Atomkern nach, wenige Jahre später wies James Chadwick die Neutronen im Kern nach. In den folgenden Jahrzehnten wurde zuerst die Möglichkeit der Kernspaltung entdeckt und kurz darauf auch der erste Kernreaktor, der nach diesem Prinzip funktionierte, in Betrieb genommen.

All diese Erkenntnisse und Forschungen wurden bis heute vertieft und weiterentwickelt. Die Kernphysik ist in vielerlei Hinsichten bedeutungsvoll und ermöglicht viele relevante technologische Möglichkeiten der heutigen Zeit.

Kernphysik Beispiele

Die Kernphysik findet im heutzutage viele verschiedene Anwendungsmöglichkeiten in der Medizin, Technologie, Energieproduktion oder auch Materialuntersuchung in der Industrie. Auch bei der Behandlung von Lebensmitteln wird in einigen Ländern die Kernphysik zur Hilfe gezogen.

Kernphysikalische Prozesse sind in der Medizin übliche Hilfsmittel für die Diagnostik mittels Kernspintomografen oder der Methode der Szintigrafie. Auch zur Behandlung von Krebspatient*innen wird häufig mit gezielter Bestrahlung, einer Karzinomen-Masse verwendet.

Die Kernphysik beschäftigt sich also mit den Prozessen, dem Aufbau und den Umwandlungen vom Atomkern, dazu ist es allerdings zunächst wichtig zu wissen, welche Eigenschaften der Atomkern aufweist.

Atom Kernphysik

Die Grundlagenforschung der Kernphysik befasst sich mit der Zusammensetzung des Atomkerns.

Den Aufbau eines Atomkerns kannst Du Dir wie in Abbildung 1 vorstellen.

Die Protonen und Neutronen im Atomkern sind im Atomkern, wie in der Abbildung, aneinander gebunden. Diese Bindung ist auf eine gegenseitige Wechselwirkung der Nukleonen zurückzuführen.

Wie der gesamte Atomaufbau ausschaut und andere Informationen kannst Du in der entsprechenden Erklärung nachlesen.

Die Anzahl der Protonen eines Atoms bleibt immer gleich und bestimmt das chemische Verhalten des Atoms.

Der Durchmesser des Atomkerns ist im Vergleich zur Atomhülle ein Zehn- bis Hunderttausendstel kleiner und trotzdem enthält er über 99,9 Prozent der Atommasse.

Atome werden anhand ihrer Ordnungszahl als bestimmtes Element definiert, allerdings gibt es, je nach Anzahl der Neutronen im Atomkern, verschiedene Isotope eines Elements.

Neben dem Atomkern besitzt das Atom auch eine Atomhülle, in der sich die Elektronen befinden. Mit der Atomhülle beschäftigt sich die Atomphysik. Dazu erfährst Du später in dieser Erklärung noch mehr.

Atomarer Energieaustausch ist ebenfalls ein kernphysikalischer Vorgang, der je nach Atomkern unterschiedlich ist. Mehr dazu findest Du in der entsprechenden Erklärung.

Verschiedene Atome können aber nicht nur die gleiche Anzahl an Protonen besitzen.

Isobare Kernphysik

In der Kernphysik werden unterschiedliche Nuklide mit gleicher Massenzahl Isobar genannt. Sie sind Besonderheiten der Kernphysik, weil sie unterschiedliche Stoffe sind, aber trotzdem die gleiche Massenzahl teilen.

Beispiele für solche isobare Atomkerne sind C¹⁴ (Kohlenstoff-14) und N¹⁴ (Stickstoff-14).

Eine weitere Besonderheit der Kernphysik sind die magischen Atomkerne und die dazugehörigen magischen Zahlen der Kernphysik.

Magische Zahlen Kernphysik

Einige Atomkerne gelten als besonders stabile Atomkerne und haben eine geringere Wahrscheinlichkeit zu zerfallen. Das ist der Fall, wenn bestimmte Protonen und Neutronenzahl im Kern auffindbar sind.

Aber was passiert, wenn ein Kern nicht stabil ist? Dann ist eine Kernumwandlung und der Kernzerfall wahrscheinlich.

Kernumwandlung und Kernzerfall

Wenn eine Kernumwandlung stattfindet, kann es zu einer Emission von Kernstrahlung kommen. Hierbei kann es sich um Teilchenstrahlung oder um elektromagnetische Strahlung handeln.

Wenn Du mehr über Kernumwandlungen erfahren möchtest, dann schau Dir doch die entsprechende Erklärung zu diesem Thema an.

Es gibt insgesamt drei Arten der Strahlung: die Alpha-, Beta und Gamma Strahlung.

Alphastrahlung

Schau Dir nun die verschiedenen Strahlungstypen an.

Der Mutterkern zerfällt in den Tochterkern und gibt ein Heliumatomkern ab, welcher hier auch als Alphateilchen bezeichnet wird.

Wie Du in der Abbildung erkennen kannst, sind die Produkte des Alpha Zerfalls das Tochternuklid und ein Alphateilchen.

Die Alphastrahlung ist eine Teilchenstrahlung mit geringer Reichweite und ist leicht abzuschirmen, da die Heliumkerne relativ groß sind. Wenn Du mehr über die Alphastrahlung erfahren möchtest, dann schau Dir gerne die zugehörige Erklärung an.

Betastrahlung

Ein weiteres Beispiel für eine Teilchenstrahlung ist die Betastrahlung.

Es wird unterschieden zwischen β⁺ und β^- Strahlung. Bei der Betastrahlung verwandelt sich ein Neutron oder ein Proton im Atomkern.

Bei der Beta-Minus Strahlung (links in der Abbildung) wird aus dem Neutron ein Proton und es bleibt ein negativ geladenes Elektron in Form von der Betastrahlung übrig. Im Fall der Beta-Plus-Strahlung (rechts in der Abbildung) wird ein Proton zu einem Neutron im Atomkern. Ein positiv geladenes Positron bleibt in diesem Fall übrig.

Neben den Elektronen bzw. Positronen, die beim Zerfall entstehen, entsteht auch ein Neutrino ν_e bzw. ein Antineutrino ${\overline{\nu }}_e$, welches zusätzliche Energie des Atomkerns abgibt.

Um mehr über die Betastrahlung zu lernen, kannst Du Dir die Erklärung zu diesem Thema anschauen.

Gammastrahlung

Die Gammastrahlung ist eine elektromagnetische Strahlung bzw. eine elektromagnetische Welle mit beliebiger Energie.

Wenn der Atomkern instabil ist, findet eine Kernumwandlung statt, bei der der Atomkern überschüssige Energie freisetzt.

Der Atomkern setzt Energie in Form eines Photons γ frei. Diesen Vorgang nennen wir Gammastrahlung, welche auch eine elektromagnetische Strahlung ist.

Jede elektromagnetische Strahlung ist auch eine elektromagnetische Welle. Elektromagnetische Wellen werden allerdings erst ab einer Photonenenergie von 200.000 eV als elektromagnetische Strahlung bezeichnet. Die Welle besitzt in diesem Fall eine Wellenlänge von weniger als 5 pm (Picometer).

All diese Strahlungsarten haben eines gemeinsam, sie alle werden unter dem Begriff der ionisierenden Strahlung zusammengefasst und entstehen durch die Radioaktivität von Elementen. Wenn Du dazu mehr erfahren möchtest, schau Dir die Themen gerne genauer an.

Das abgestrahlte Photon der Gammastrahlung oder auch das Elektron bzw. Positron der Betastrahlung sind alles Elementarteilchen der Kernphysik.

Elementarteilchen Kernphysik

In der Kernphysik war lange die Annahme, dass Atome und ihre Kerne die kleinstmöglichen Bauteile des Universums sind. Doch Forscher*innen haben es geschafft, auch Atomkerne und die Protonen und Neutronen in ihnen zu teilen. Herausgekommen sind subatomare Teilchen, die kleinsten Bauteile der Materie unseres Universums. Sie werden Elementarteilchen genannt.

Wie Du in der Übersicht der Elementarteilchen, Abbildung 5, erkennen kannst, gibt es 6 verschieden Quarks und 6 verschiedene Leptonen. Quarks und Leptonen sind elementare Materieteilchen, mit dem Unterschied, dass die Leptonen, im Gegensatz zu den Quarks, nicht der Wechselwirkungen der Bosonen unterliegen.

Bosonen sind Elementarteilchen, die eine Wechselwirkung mit anderen Elementarteilchen besitzen. Das Photon besitzt zum Beispiel eine elektromagnetische Wechselwirkung und das Higgs-Boson besitzt eine elektrische Wechselwirkung. Das Higgs-Boson, welches erst vor wenigen Jahren entdeckt wurde, ist elektrisch neutral geladen und zerfällt nach sehr kurzer Zeit.

Wenn Du mehr über das Higgs-Boson und die anderen Elementarteilchen lernen möchtest, dann schau Dir die Erklärungen zu diesen Themen an.

Atomphysik

Die Atomphysik ist gewissermaßen die Schwester der Kernphysik. Während sich die Kernphysik mit den Vorgängen des Atomkerns beschäftigt, behandelt die Atomphysik den Aufbau der Atomhülle und die Wechselwirkungen der Elektronen.

In der Hülle eines Atoms befinden sich die Elektronen, weshalb diese auch Elektronenhülle genannt wird. Der Aufbau der Atomhülle und des gesamten Atoms wird in verschiedenen Atommodellen festgehalten. Die Atommodelle sind allerdings unterschiedlich, da sie durch Untersuchungen und Experimente immer wieder erneuert, neuaufgestellt oder widerlegt worden sind. Die berühmtesten Atommodelle sind das Rutherford'sche, das Bohr'sche und das Atommodell nach Dalton.

Wenn Du mehr über die verschiedenen Atommodelle erfahren möchtest, dann schau Dir doch die jeweiligen Erklärungen dazu an.