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Die Anwendungsbereiche der Kernphysik
Die Nutzung der Kernphysik findet in den verschiedensten Situationen des Lebens statt. Um zu klären welchen Nutzen uns die Kernphysik bietet, sollten wir zuerst klären, was wir unter der Kernphysik verstehen.
Die Kernphysik behandelt im Prinzip den Aufbau und das Verhalten von Atomkernen.
Als Anwendung der Kernphysik bezeichnen wir alle Prozesse, bei denen die Wechselwirkung der Atomkerne eine Rolle spielen. Dabei findet nicht nur die Strahlungsfähigkeit, sondern auch die Prinzipien der Kernspaltung und der Kernfusion Anwendung.
In einigen Ländern werden Beispielsweise Lebensmittel mit radioaktiver Strahlung behandelt um diese haltbarer zu machen oder vorteilhaftere Pflanzen für die Ernte zu züchten. Genetische Modifizierungen von Erntepflanzen ist eine schon längst etablierte Methode um nützlichere Lebensmittel zu produzieren (z. B. die Banane ohne Kerne). In seltenen Fällen kommen solche genetischen Abnormitäten in der Natur vor, diese können aber auch durch Bestrahlung provoziert werden.
Auch im Alltag findet die Kernphysik regelmäßige Anwendung. Wahrscheinlich hast du sogar Geräte zuhause die kernphysikalische Prinzipien nutzen. Beispiele dafür wären die Mikrowelle, die mithilfe von Mikrowellenstrahlung Lebensmittel erhitzt, oder Rauchmelder die mithilfe von geringen, ungefährlichen Mengen an ionisierenden Stoffen, Rauch in der Luft detektieren können oder dem Strahlenschutz.
| Alltagsbeispiele für die Anwendung von Kernphysik | ||
|---|---|---|
|  Abb. 2: Rauchmelder |  Abb. 3: Strahlenschutz |
Des weiteren wird die Kernphysik in der Medizin, in der Materialforschung, zur Energiegewinnung und anderen Gebieten genutzt. Die Möglichkeiten zur Anwendung der Kernphysik wachsen dabei immer weiter, desto weiter die Forschung und die Entwicklungen in der Kernphysik voran schreiten.
Nun schauen wir uns die einzelnen Anwendungsfälle genauer an!
Anwendung der Kernphysik: Lebensmitteltechnik
Zur Behandlung von Lebensmitteln wird in einigen Ländern Strahlung in Form von Gamma- und Betastrahlung eingesetzt. Die Strahlung kann dabei helfen Keime und Bakterien zu töten, Insekten- und Parasitenbefall vorzubeugen und damit die Haltbarkeit erhöhen.
Die Bestrahlung von Lebensmitteln wird allerdings sehr kritisch betrachtet, weil es eine geringe Datenlage zu möglichen gesundheitlichen Konsequenzen gibt. Außerdem gibt es eine Vielfalt an Alternativen für die Konservierung von Lebensmitteln und daher ist die Strahlenbehandlung von Lebensmitteln in Deutschland und den meisten anderen Ländern der EU auch verboten. Wenn jedoch ein Lebensmittel durch Strahlung behandelt wurde, muss dies deutlich gekennzeichnet werden.
Das Strahlungssiegel für Lebensmittel kannst du in Abbildung 2 erkennen.
Abbildung 4: Internationales Symbol Radura als Kennzeichnung für strahlenbehandelte Lebensmittel
Quelle: pixabay.com
Im Gegensatz zur Lebensmitteltechnik ist in der Medizin die Anwendung von Strahlung längst etabliert.
Anwendung der Kernphysik: Medizin
Die Kernphysik hat viele neue Möglichkeiten in der Medizin eröffnet. Durch die Anwendung kernphysikalischer Prinzipien konnten neue Konzepte zur Diagnose und Behandlung von Krankheiten und Verletzungen entwickelt werden.
Diagnostik
Die Kernphysik wird in der Medizin häufig verwendet um Vorgänge und Strukturen in Zellen und Gewebe sichtbar zu machen. Es können kernphysikalische Prozesse visualisiert werden, dadurch sind akkuratere Diagnosen für die Patienten möglich.
Abbildung 5: Kernphysik findet sogar in der Diagnostik Anwendung
Die Szintigraphie
Die Szintigraphie umfasst ein nuklearmedizinisches Verfahren, um Körpergewebe detailliert darzustellen. Dabei werden Patienten sogenannte Gamma-Tracer injiziert. Diese Tracer sind unterschiedliche ionisierende Stoffe, abhängig von dem zu untersuchenden Organ. Diese können von den jeweiligen Gewebe dieser Organe besser aufgenommen werden, wie z. B. Jod, Fluor oder Xenon.
Es wird nur eine geringe Menge mit geringer Strahlenwirkung verabreicht, um die Patienten nicht zu gefährden.
Die Stoffe geben eine Gammastrahlung ab, die mittels Computertomographen gemessen werden. Die gemessene Strahlung wird auf einem, vom Computer generierten Bild, als Helligkeits- und Farbpunkt markiert.
Während früher die Bilder noch zweidimensional waren, ist es heutzutage sogar möglich dreidimensionale Visualisierungen von den untersuchten Organen zu erhalten.
Die Szintigraphie ist allerdings nur möglich wenn es schon eine Vermutung gibt, wonach gesucht werden muss. Wenn eine generellere Untersuchung vorgenommen werden soll wird eine andere Form der Diagnostik angewandt.
Die Positronen Emissionen Tomographie
Bei einer Positronen Emission Tomographie (PET) werden ebenfalls Tracer verwendet. In diesem Fall wird der Tracer mit einem Traubenzucker in den Stoffwechsel eingeschleust. Der Zucker ist wichtig für fast alle Zellen und gelangt daher überall hin. Mit Krebs befallene Zellen verbrauchen mehr Nährstoffe, weshalb sich dort der Zucker sammelt. Von dort geht dann eine größere Strahlenwirkung aus, als vom Rest des Körpers. Die Strahlung wird auch hier mithilfe einer Computer Tomographie visualisiert und liefert Aufschluss über Tumore und mögliche Ausbreitungen im umliegenden Gewebe und Organe (Metastasen).
Nicht nur für Krebs oder Tumordiagnosen werden Kernphysikalische Prozesse in der Medizin angewandt. Auch für Bänder-, Muskel- oder sonstige Gewebeschäden gibt es Untersuchungsmöglichkeiten die durch die Kernphysik möglich sind.
Die Magnetoresonanztomographie
Ein weiteres Verfahren der medizinischen Diagnostik auf Grundlage der Kernphysik ist die Magnetresonanztomografie (MRT) auch bekannt als Kernspintomographie. Der Patient legt sich dabei in eine Röhre, in welchem ein Magnetfeld aufgebaut wird. Die Atomkerne im Körper reagieren mit dem Magnetfeld. Diese Reaktionen, die auch Resonanz genannt werden, werden vom Computer erfasst und zu einem Bild zusammengestellt.
Dabei können Gewebe, Gelenke, Muskeln, Bänder und sonstige sogenannte weiche Gewebe voneinander unterschieden werden. Daher wird diese Technologie häufig für Gelenk-, Bänder- und Muskelverletzungen verwendet.
In der Abbildung 6 kannst du dir einmal die sogenannte MRT-Röhre anschauen und in Abbildung 7 erkennst du diezu diagnostizierenden Bilder, die aus dem MRT-Scan vorliegen.
 Abbildung 4: Patient*in wird in MRT-Röhre gescanntQuelle: pixabay.com |  Abbildung 5: So könnten MRT Bilder vom Schädel und dem Gehirn aussehenQuelle: pixabay.com |
Therapie
In wenigen Fällen kann sogar Strahlung zur medizinischen Behandlung verwendet werden. Die Strahlentherapie wird in den meisten Fällen für die Behandlung von Tumoren verwendet. Sie wird in einer Kombination mit einer Chemotherapie oder einem operativen Eingriff in die Behandlung eingebunden.
Der Linearbeschleuniger
Dabei gibt es die Möglichkeit der Bestrahlung durch einen Linearbeschleuniger.
Beim Linearbeschleuniger wird ionisierende Strahlung verwendet, die krebsbefallenen Zellen abtötet. Patienten werden meistens nach Operationen gezielt bestrahlt um die letzten Teile eines Tumors abzutöten, welche bei der Operation nicht entfernbar waren.
Die Radioiodtherapie
Allerdings kann auch eine Bestrahlung von innen stattfinden, wie bei der Radioiodtherapie zur Bekämpfung von Schilddrüsenkrebs.
Bei der Radioiodtherapie setzt sich
in der Schilddrüse ab und tötet die Zellen der Schilddrüse. Die abgegebene 
- Strahlung ist dabei für den Rest des Körpers ungefährlich, da die maximale Reichweite dieser Strahlung im Körper nur wenige Millimeter beträgt.
Anwendung der Kernphysik: Treibhauseffekt
Auch das Prinzip des Treibhauseffektes basiert auf Grundlagen der Kernphysik.
Beim Treibhauseffekt trifft die Sonnenstrahlung in unterschiedlichen Wellenlängen und damit mit unterschiedlichen Energien auf die Erdatmosphäre. In der Erdatmosphäre wird diese Strahlung dann verringert oder reflektiert. Die Ozonschicht in der Stratosphäre verringert beispielsweise die UV-Strahlenbelastung auf der Erde.
Die UV-Strahlung ist sehr gefährlich und krebserregend, vor allem wenn sie ungehindert auf die Haut trifft.
Die kurzwellige Infrarotstrahlung durchdringt die Atmosphäre und erwärmt die Erde und wird ebenfalls von der Erdoberfläche reflektiert. Innerhalb der Troposphäre (die unterste Schicht der Atmosphäre) wird die reflektierte Strahlung durch Treibhausgase erneut reflektiert und erwärmen die Atmosphäre und die Erde weiter.
Der Treibhauseffekt ist notwendig für das Leben auf der Erde. Allerdings sorgt der anthropogene Treibhauseffekt für eine zu starke Erwärmung des Klimas. Das hat kurzfristig Auswirkungen auf das Wetter wie Unwetter, Stürme und Fluten, und sorgt langfristig dafür, dass die Erde nicht mehr für Menschen bewohnbar sein könnte.
Abb. 7: Treibhauseffekt in der Atmosphäre
Anthropogener Treibhauseffekt ist ein menschengemachter Treibhauseffekt. Der Begriff stammt aus dem altgriechischen und setzt sich aus den Wörtern anthropos = Mensch und genesis = entstammend zusammen.
Möchtest du mehr zum Treibhauseffekt erfahren, dann schau dir unbedingt unseren Artikel dazu an!
Anwendung der Kernphysik: Materialforschung und Altersbestimmung
Auch zur Erforschung und Feststellung von Materialeigenschaften werden kernphysikalische Prozesse eingesetzt. Die Entwicklung der neuen Technik ersetzte dabei viele der veralteten Methoden.
Durchstrahlungsverfahren
In vielen technischen und mechanischen industriellen Bereichen wird die Bestrahlung mit hochenergetischen Teilchen verwendet, um Bauteile zu bearbeiten oder Schwachstellen im Material festzustellen. Die Industrie verwendet immer häufiger Durchstrahlungsverfahren zur Werkstoffprüfung.
Bei Durchstrahlungsverfahren werden beispielsweise Bauteile oder Metallplatten mit ionisierender Strahlung bestrahlt, um dann hinter der Platte die durchdringende Strahlung zu messen und gegebenenfalls Schwachstellen und Bruchstellen zu identifizieren.
Abb. 8: Durchstrahlung eines Werkstücks zur Untersuchung von Schwachstellen im Material
Mehr zum Durchstrahlungsverfahren kannst du im Artikel auf StudySmarter nachlesen.
Radiokarbonmethode
Auch in vielen archäologischen Bereichen können durch Massenspektroskopie Objekte untersucht werden ohne dabei Proben nehmen zu müssen und dabei die Zerstörung des Fundes zu riskieren.
Durch Methoden wie die Radiokarbonmethode (auch bekannt als C-14 Methode) können organische Funde mittlerweile genauer datiert werden als zuvor.
Wenn du genauer Bescheid wissen willst zur Funktionsweise der Radiokarbonmethode, dann schau doch mal unseren Artikel dazu an.
Nicht nur zur Ermittlung des Alters sondern auch bei der Suche nach Archäologischen Funden kann die Kernphysik helfen.
Schau dir unbedingt unseren Artikel zur C14-Methode an, wenn du mehr darüber erfahren möchtest!
Bodenradar
Du kennst bestimmt noch die Bilder von Archäologen die ein Loch graben und nach Funden suchen. Früher mussten Archäologen noch auf Verdacht anfangen nach Funden zu graben, ohne zu wissen ob sie richtig liegen oder nicht. Heutzutage können Sie sich durch Bodenradare ihre Arbeit erleichtern.
Bodenradare können mit Hilfe elektromagnetischer Wellen den Boden und die verschiedenen Bodenschichten scannen und durch die Übermittlung dieser Daten an einen Computer erkennen, wie der Untergrund aufgebaut ist.
Durch die Ausschläge können die Forscher ungefähr erahnen was sich unter Ihnen befindet. Sie können sich zwar nicht sicher sein ob das Radar das detektiert wonach sie suchen, aber es hilft um geplanter suchen zu können.
Anwendung der Kernphysik: Atomkraftwerke
Kernkraftwerke werden auch häufig Atomkraftwerk genannt.
Atomkraftwerke sind Kraftwerke zur Gewinnung von elektrischer Energie durch kernphysikalische Prozesse.
Heutzutage wird Kernenergie nur aus der kontrollierten Kernspaltung gewonnen. In der Zukunft vielleicht sogar aus Kernfusion, wie sie in der Sonne geschieht.
Die elektrische Energie die im Kernkraftwerk wird durch entstehende Wärmeenergie erzeugt. Bei der Kernspaltung bzw. dem radioaktivem Zerfall der Brennstäbe wird das umliegende Wasser erhitzt und der heiße Wasserdampf treibt Dampfturbinen an, die die elektrische Energie erzeugen.
Wenn du wissen willst wie genau ein Kernkraftwerk funktioniert, dann schau dir mal unseren Artikel zu dem Thema an
Reaktorkatastrophen
Seit den Katastrophen von Tschernobyl und Fukushima sind Atomkraftwerke sehr umstritten. Es besteht die Gefahr eines Ausfalls der Kühlung und damit auch die einer Kernschmelze. Auch sonstige Ausfälle und Störungen können fatale Folgen haben. Das in Abbildung 11 gezeigte Atomkraftwerk in Belgien stammt aus der selben Baureihe wie die Kraftwerke in Tschernobyl und Fukushima.
Wenn du genaueres über die Reaktorkatastrophen (Tschernobyl/Fukushima) wissen willst haben wir auch dazu einen Artikel.
Nicht nur durch solche Katastrophen, sondern auch durch die Problematik der Endmülllagerung von Brennstäben sind Atomreaktoren umstritten. Diese sind zwar nicht mehr radioaktiv genug um den Reaktor zu betreiben, strahlen dennoch weiter und können die umliegende Erde und das Grundwasser verseuchen.
Fusionsreaktoren
Eine noch effektivere und sicherere Lösung als die Kernspaltung zur Energiegewinnung, würde die Kernfusion bieten. Die Forschung und Entwicklung an an dieser Technologie macht große Fortschritte, ist aber noch weit davon entfernt wirklich in Betrieb gehen zu können. Die Energiegewinnung durch Kernfusion wäre deutlich effektiver, nachhaltiger und vor allem sicherer als in Kernkraftwerken, wie es sie heutzutage gibt.
Ein Fusionsreaktor würde mit Wasserstoff betrieben werden, welches ein elektrisch leitendes Plasma bildet. Dieses muss unter extremen Druck und Temperatur gesetzt werden, um die Atomkerne zum Fusionieren zu bringen. Möglich wird das auf der Erde nur durch hohe Temperaturen, höher als die der Sonne.
Das Plasma wäre trotz Temperaturen von 100 bis 150 Millionen Grad Kelvin (etwa 150 Millionen Grad Celsius) nicht gefährlich. Bei einem Kontakt mit der Luft außerhalb der Kammer würde das Plasma sofort herunterkühlen, da nur wenige Gramm des Gasgemisches genutzt werden würden.
Anwendung der Kernphysik: Kernwaffen
Kernwaffen sind Sprengkörper, deren Funktion auf kernphysikalischen Reaktionen basieren. Während "normale" Bomben ihre Explosion durch chemische Reaktionen verursachen, ist bei Kernwaffen eine Kernspaltung oder eine Kernfusion der Grund für eine Freisetzung von einer sehr großen Menge Energie.
Bei einer Explosion wird eine große Menge Energie in Form von Hitze, einer Druckwelle und radioaktiver Strahlung freigesetzt. Bei der Detonation einer solchen Bombe können Strahlenkrankheiten und andere Langzeitschäden durch die ionisierende Strahlung verursacht werden.
Auch ein radioaktiver Niederschlag kann eine der Folgen einer solchen Explosion sein. Bei der Explosion werden kleinste Staubpartikel in die Atmosphäre geschleudert, die sich durch Wind und Wetter weit verteilt werden und Landschaften, Böden und auch das Grundwasser verseuchen können, wie nach der Atomkatastrophe von Chernobyl oder Fukushima.
In der Geschichte der Menschheit wurden zwei Atombomben im zweiten Weltkrieg gegen Menschen eingesetzt. Die USA warf im August 1945 zwei Atombomben über Hiroshima und Nagasaki ab und verschuldete über hunderttausend Opfer.
Du willst wissen wie die kernphysikalischen Prozesse bei einer Atombombe funktionieren, dann schau dir unbedingt unseren Artikel dazu an!
Anwendung der Kernphysik - Das Wichtigste auf einen Blick
- Kernphysik findet Anwendung im Alltäglichen Leben
- Anwendung auch zuhause in einigen Haushaltsgeräten (z. B. Mikrowellen)
- Medizinischer Nutzen für Diagnose und Therapie
- Stromerzeugung durch Kernenergie, Kernspaltung und möglicherweise in der Zukunft auch Kernfusion
- Nutzung in der industriellen Produktion und Qualitätsuntersuchung
- Archäologische Untersuchung, z. B. Altersbestimmung mithilfe der Radiokarbonmethode
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Häufig gestellte Fragen zum Thema Anwendung der Kernphysik
In welchen Bereichen wird Radioaktivität genutzt?
Radioaktivität wird heutzutage in Bereichen wie der Medizin, Materialforschung oder der Energiegewinnung verwendet.
Wie wird die Radioaktivität in der Technik genutzt?
In der Industrie wird Radioaktivität zur Qualitätskontrolle und Bearbeitung von Bauteilen verwendet. Mithilfe des Durchstrahlungsverfahrens werden beispielsweise Materialien untersucht.
Was gehört zur Kernphysik?
Die Kernphysik behandelt alle Wechselwirkungen die mit dem Atomkern stattfinden. Darunter gehören die Themen ionisierende Strahlung, Kernspaltung und Kernfusion.
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