Kernphysik

Lange Zeit dachten Forscher*innen, dass das kleinste und unteilbare Teilchen ein Atom ist, bis sie geschafft haben auch dieses zu teilen. Die Kernphysik befasst sich mit den Atomkernen und ihrem Verhalten, wie sie gespaltet oder auch fusioniert werden können und anderen Kernprozessen.

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Inhaltsangabe

    Kernphysik Grundlagen

    Die Kernphysik behandelt die Struktur von Atomkernen, die aus Protonen und Neutronen bestehen, und ihr Verhalten in unterschiedlichen Situationen. Es werden Umwandlungen von Atomkernen und Kernreaktionen untersucht, wie Kernspaltungen oder Kernfusionen.

    Kernphysik und Atomphysik sind zwei unterschiedliche Teilgebiete der Physik und sollten nicht verwechselt werden. Dazu später mehr.

    Die Kernphysik ist ein relativ neues Fachgebiet der Physik und entwickelte sich erst aus Erkenntnissen, die im frühen 20. Jahrhundert gemacht worden sind.

    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.

    Wenn Du mehr über die Anwendung der Kernphysik erfahren willst, dann schau Dir die Erklärung zu diesem Thema an.

    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.

    Im Atomkern befinden sich positiv geladene Protonen und elektrisch neutrale Neutronen. Die Protonen und Neutronen in einem Atomkern nennt man Nukleonen.

    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.

    Als Ordnungszahl Z wird die Anzahl der Protonen in einem Atomkern bezeichnet. Alle Atome desselben Elements haben die gleiche Ordnungszahl. Die Ordnungszahl wird oft auch als Kernladungszahl bezeichnet.

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

    Die Massenzahl A aus der Summe von Ordnungszahl Z (Anzahl der Protonen im Atomkern) und der Neutronenzahl N berechnet:

    A=Z+N

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

    Isotope sind Atome mit gleicher Anzahl an Protonen im Atomkern, aber mit abweichender Anzahl an Neutronen. Unterschiedliche Isotope besitzen unterschiedliche physikalische Eigenschaften des Kerns, die chemischen Eigenschaften sind allerdings vom Isotop eines Atoms gleich.

    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.

    Isobare Atomkerne besitzen eine unterschiedliche Anzahl an Protonen, aber durch die Anzahl der Neutronen im Atomkern besitzen sie die gleiche Massenzahl, obwohl sie individuelle Nuklide sind.

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

    Nuklide sind Atomkerne, die durch ihre Massenzahl und Kernladungszahl eindeutig charakterisiert werden können.

    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.

    Die Massenzahlen von Atomkernen, mit einer erhöhten Stabilität, werden magische Zahlen genannt, und die dazugehörigen Atomkerne sind die magischen Kerne.

    Diese Atomkerne besitzen eine besonders hohe Bindungsenergie und ihr Zerfall ist sehr unwahrscheinlich oder dauert außerordentlich lange. Die magischen Zahlen lauten 2, 8, 20, 28, 50, 82, 126 und 184 und beziehen sich auf die Massenzahl der Nuklide.

    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.

    Für Teilchenstrahlung wird der ausgehende Atomkern Mutterkern und der am Ende übrig bleibende Kern Tochternuklid genannt.

    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.

    Die Alphastrahlung bzw. α-Strahlung ist ein Heliumatomkern, bestehend aus 2 Protonen und 2 Neutronen, welcher vom Mutterkern gelöst wurde.

    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.

    Die Betastrahlung, oder auch β-Strahlung, ist ein Zerfallsprozess im Atomkern, bei der ein Elektron bzw. ein Positron entsteht. Diese gelten als ionisierende Strahlung und können weitere Zerfälle von Atomkernen bewirken können.

    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 νe bzw. ein Antineutrino ν¯e, welches zusätzliche Energie des Atomkerns abgibt.

    In der Erklärung Elementarteilchen erfährst Du mehr über diese Teilchen.

    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.

    Gammastrahlung bzw. γ-Strahlung entsteht, wenn bei der Umwandlung von einem Atomkern Energie, in Form eines Photons, freigesetzt wird. Dieses Photon kann abhängig vom zerfallenen Nuklid unterschiedliche Mengen an Energie besitzen.

    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.

    Es gibt auch die Gammastrahlung in der Atomphysik. Dabei wird die Gammastrahlung in der Atomhülle durch die dort befindlichen Elektronen hervorgerufen. Wenn Du mehr über die Gammastrahlung erfahren möchtest, dann schau Dir unsere Erklärung zu diesem Thema an.

    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).

    Dadurch, dass die Photonen kleiner als Atome oder sogar Protonen und Neutronen sind, können sie fast durch alle Körper und Stoffe durchdringen. Es gibt nur eine Art Körper, der elektromagnetische Strahlung absorbieren kann. Der Schwarze Körper kann elektromagnetische Wellen absorbieren, mehr dazu erfährst Du in der dazugehörigen Erklärung.

    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.

    Kernphysik - Das Wichtigste

    • Die Kernphysik untersucht den Aufbau und das Verhalten von Atomkernen

    • Kernphysik und Atomphysik sind zwei unterschiedliche Teilgebiete der Physik

    • In der Atomphysik werden die Vorgänge in der Atomhülle untersucht

    • Es gibt viele Anwendungen der Kernphysik im Alltag und auch in der medizinischen Diagnostik und Therapie.

    • Ein Atomkern besteht aus Protonen und Neutronen

    • Die wichtigsten Daten eines Atomkerns werden in drei Zahlen angegeben:

      • die Ordnungszahl Z gibt die Anzahl der Protonen wieder
      • die Anzahl der Neutronen ist die Neutronenzahl N
      • die Massenzahl A ist die Summe aus Ordnungszahl Z und Neutronenzahl N
    • Isobare sind Atomkerne mit unterschiedlicher Ordnungszahl, aber mit gleicher Massenzahl

    • Beim Kernzerfall kann Teilchenstrahlung oder elektromagnetische Strahlung entstehen

    • Alpha- und Betastrahlung sind Teilchenstrahlungen, bei denen Heliumkerne bzw. Elektron/ Positron aus dem Atomkern gelöst werden

    • Die Gammastrahlung ist eine elektromagnetische Strahlung, bei der ein geladenes Photon aus dem Kern gelöst wird.

    • Elementarteilchen sind die kleinsten bekannten und unteilbaren Teilchen und werden unterschieden zwischen Quarks, Leptonen und Bosonen

    Nachweise

    1. wissen-digital.de: Kernphysik (28.06.2022)
    Häufig gestellte Fragen zum Thema Kernphysik

    Was gehört alles zur Kernphysik?

    Zur Kernphysik gehören alle physikalischen Prozesse und Eigenschaften eines Atomkerns. Darunter gehören die Themen der Radioaktivität, die Kernfusion und die Kernspaltung.

    Warum ist die Kernphysik wichtig?

    Die Kernphysik ist wichtig, um den Aufbau und das Verhalten von Atomkernen zu untersuchen. Viele Prozesse der Kernphysik werden auch im Alltag verwendet.

    Was ist "A" in der Kernphysik?

    A ist die Massenzahl eines Atoms. Sie wird zusammengestellt aus der Protonenzahl Z und der Neutronenzahl N im Atomkern.

    Warum ist ein Kern instabil?

    Ein Atomkern ist dann instabil, wenn er zu viele Neutronen besitzt und damit die kritische Masse erreicht wird. Ab dieser Masse zerfällt der Atomkern.

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    Gib an, wie Du die Strahlung bei radioaktiven Zerfallsprozessen, wie dem Betazerfall, noch nennst.

    Erkläre, welche Art der Strahlung Betastrahlung ist.

    Auf welcher Strecke werden die emittierten Elektronen beschleunigt?

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