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Einführung in die Kernphysik

ISBN: 978-3-527-67741-2
494 pages
January 2015
Einführung in die Kernphysik (3527677410) cover image

Table of Contents

Vorwort XI

1 Entdeckung der Radioaktivität, natürliche Radioaktivität 1

1.1 Entdeckung 1

1.2 Natürliche Radioaktivität 2

1.3 Die kosmische Strahlung 3

1.4 Strahlenarten und natürliche Zerfallsreihen 5

1.5 Zerfallsgesetze, radioaktives Gleichgewicht 10

1.6 Die Entdeckung des Atomkerns (Rutherford-Streuung) 14

1.7 Wirkungsquerschnitt und Massenbelegung 17

1.8 Übungsaufgaben 19

2 Die statistische Natur des radioaktiven Zerfalls 21

2.1 Übungsaufgaben 25

3 Wechselwirkung von Strahlung mit Materie 27

3.1 Wechselwirkung geladener Teilchen mit Materie 27

3.1.1 Wechselwirkung schwerer, geladener Teilchen mit Materie 28

3.1.2 Wechselwirkung von Elektronen mit Materie 36

3.1.3 Wechselwirkung von Positronen mit Materie 41

3.2 Wechselwirkung von Neutronen mit Materie 42

3.3 Wechselwirkung von Photonenstrahlung mit Materie 44

3.3.1 Compton-Streuung 45

3.3.2 Photoeffekt 48

3.3.3 Paarbildung 50

3.3.4 Totaler Absorptionsquerschnitt 51

3.4 Sekundärprozesse 54

3.5 Übungsaufgaben 54

4 Strahlungsdetektoren 57

4.1 Prinzipien 57

4.1.1 Kalorimeter 57

4.1.2 Gas-Ionisationsdetektoren 58

4.1.3 Festkörper-Ionisationsdetektoren 66

4.1.4 Szintillationsdetektoren 69

4.1.5 Cerenkov-Detektor 72

4.1.6 Teilchenspurdetektoren 73

4.1.7 Thermolumineszenzdetektoren 76

4.1.8 Spezialdetektoren 77

4.2 Elektronische Impulsverarbeitung 78

4.3 Übungsaufgaben 81

5 Neue Teilchen und künstliche Radioaktivität 85

5.1 Isotope 85

5.2 Die Entdeckung des Neutrons 86

5.3 Die Entdeckung des Positrons 86

5.4 Künstliche Radioaktivität 88

5.5 Übungsaufgaben 89

6 AufbauderAtomkerne91

6.1 Kernmassen 91

6.1.1 Statische elektrische undmagnetische Felder 91

6.1.2 Massenspektrometer 94

6.1.3 Massenbestimmung über Kernumwandlungen 96

6.2 Die Größe des Atomkerns 99

6.3 Übungsaufgaben 105

7 Das Tröpfchenmodell des Atomkerns 107

7.1 Isotopentafel 107

7.2 Das Tröpfchenmodell 109

7.3 Stabilität gegen -Zerfall 113

7.4 Stabilität gegen Nukleonenemission 115

7.5 Stabilität gegen Spaltung 115

7.6 Übungsaufgaben 117

8 Die quantenmechanische Behandlung des Atomkerns 119

8.1 Grundlagen 119

8.2 Zur Lösung der Schrödinger-Gleichung 122

8.3 Das Schalenmodell, Einzelteilchenniveaus 125

8.4 Kollektive Anregungen 130

8.5 Kernmomente 132

8.5.1 Elektrische Momente 132

8.5.2 Magnetische Momente 135

8.6 Experimentelle Bestimmung von Kernspin und -momenten 138

8.6.1 Kernspin 138

8.6.2 Kernmomente 139

8.7 Niveauübergänge 142

8.8 Übungsaufgaben 149

9 Der Mößbauer-Effekt 153

9.1 Nukleare Resonanzabsorption 153

9.2 Natürliche Linienbreiten 157

9.3 Anwendungen der Mößbauer-Spektrometrie 158

9.4 Übungsaufgaben 161

10 Die Theorie des α-Zerfalls 163

10.1 Modell des α-Teilchens im Potential des Restkerns 163

10.2 Ergänzende Bemerkungen zum α-Zerfall 165

10.3 Übungsaufgaben 167

11 Der -Zerfall 169

11.1 Das -Spektrum 169

11.2 Fermis Theorie des -Zerfalls 171

11.3 Der experimentelle Nachweis des Neutrinos 176

11.4 Die Neutrinomassen 177

11.5 Die schwache Wechselwirkung 180

11.6 -Übergänge: Drehimpulse, Matrixelemente, Kopplungskonstante 181

11.7 Die Paritätsverletzung 183

11.8 Übungsaufgaben 189

12 Kernreaktionen 191

12.1 Grundlagen 191

12.2 Erhaltungssätze und Kinematik 194

12.3 Qualitativer Verlauf von Anregungsfunktionen 198

12.4 Die quantenmechanische Behandlung der Streuung 200

12.5 Kernpotentiale und das optische Modell 209

12.6 Die R-Matrix-Theorie 211

12.7 Reaktionsmodelle 215

12.7.1 Compoundkernreaktionen 216

12.7.2 Direkte Kernreaktionen 222

12.8 Übungsaufgaben 225

13 Kernspaltung 227

13.1 Zur Geschichte der Kernspaltung 227

13.2 Physikalische Grundlagen, Kettenreaktion 229

13.3 Die Atombombe 233

13.4 Physik der Kernreaktoren 244

13.5 Typen von Kernreaktoren 248

13.5.1 Leichtwasserreaktor: Siedewasserreaktor (BWR – BoilingWater Reactor), Druckwasserreaktor (PWR – Pressurized Water Reactor) 249

13.5.2 Natururanreaktor (CANDU-Reaktor) 253

13.5.3 Graphitmoderierte Reaktoren 254

13.5.4 Schneller Brüter 257

13.6 Sicherheitsbewertung und Risiko 258

13.7 Reaktorunfälle 262

13.8 Beitrag der Kernenergie zur weltweiten Energiegewinnung 266

13.9 Ein natürlicher Kernreaktor 267

13.10 Übungsaufgaben 271

14 Kernfusion 273

14.1 Physikalische Grundlagen 273

14.2 Die Fusionsbombe 278

14.3 Fusionsreaktoren 281

14.3.1 Trägheitseinschluss 282

14.3.2 Magnetfeldeinschluss 287

14.3.3 Probleme und potentielle Gefahren von Fusionsreaktoren 298

14.4 Übungsaufgaben 302

15 Elementsynthese 303

15.1 Übungsaufgaben 309

16 Dosimetrie und die biologische Wirkung von Strahlung 311

16.1 Das Dosiskonzept 311

16.1.1 Grundlagen und grundlegende Größen 311

16.1.2 Angewandte Dosiskonzepte und Dosisgrößen 317

16.2 Die biologischeWirkung der Strahlung 318

16.2.1 Wirkung radioaktiver Strahlung 318

16.2.2 Deterministische Schäden 321

16.2.3 Stochastische Schäden 323

16.2.4 Individuelle Unterschiede der Strahlenempfindlichkeit 325

16.2.5 Hormesis 329

16.3 Die Strahlenbelastung des Menschen 331

16.3.1 Externe Strahlenbelastung 332

16.3.2 Interne Strahlenbelastung 335

16.3.3 Belastung durch Radon 338

16.4 Strahlentherapie 341

16.5 Übungsaufgaben 346

17 Beschleuniger 347

17.1 Elektrostatische Beschleuniger 347

17.1.1 Cockcroft-Walton-Beschleuniger 348

17.1.2 Van de Graaff-Beschleuniger 349

17.1.3 Tandembeschleuniger 350

17.2 Elektrodynamische Beschleuniger 351

17.2.1 Linearbeschleuniger [200] 352

17.2.2 Ringbeschleuniger 357

17.3 Übungsaufgaben 374

18 Elementarteilchen 377

18.1 Die Idee der Elementarteilchen 377

18.2 Entdeckungen der Hochenergiephysik 378

18.3 Austauschkräfte und Wechselwirkungsteilchen 382

18.4 Der Weg zum Standardmodell 384

18.5 Das Standardmodell 388

18.5.1 Erhaltungssätze und Symmetrie 389

18.5.2 Leptonen 392

18.5.3 Hadronen 397

18.5.4 Der Higgs-Mechanismus 400

18.6 Vereinheitlichte Theorie 403

18.7 Übungsaufgaben 407

Anhang A Wellen und ihre mathematische Darstellung 409

Anhang B Die δ-Distribution (Dirac’sche δ-Funktion) 413

Anhang C Vektoren und Differentialoperatoren 415

Anhang D Einige formale Grundlagen der Quantenmechanik 425

Anhang E Störungsrechnung und Fermis Goldene Regel 435

Anhang F Die Born’schen Näherungen 439

Anhang G Feynman-Diagramme 443

Literaturverzeichnis 447

Personenverzeichnis 459

Sachverzeichnis 467

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