struktur des atomkerns - biofizika
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Struktur des Atomkerns
den 3 Oktober 2019
Dr. Emőke Bódis
Prüfungsfrage
Die Struktur des Atomkerns. Die Eigenschaften des Kernkraftes. Bindungsenergie. Massendefekt. Tropfchenmodell und Schallmodell. Magische Zahlen.
Kernphysik um uns herum
Bildgebendes Verfahren
Der Radius des Atomkerns (10-15 m) ist 10 000-mal kleiner als der Radius des Atoms (10-10 m).
https://www.youtube.com/watch?v=wE4IVlXpa60
Die Atomen sind großtenteils leer.
Erinnerung: • Thomsonsches Atommodell (Rosinenkuchenmodell)• Bohrsches Atommodell• Quantenmechanisches Atommodell
Die Massenzahl eines Atoms ergibt sich die Summeder Masse aller Protonen und Neutronen einesAtomkerns.
Die Kernladungszsahl eines Atoms ist die Anzahl allerProtonen genannt.
Die Protonenzahl ist identisch mit der Ordnungszahlim Periodensystem der Elemente.
Die folgende Schreibweise symbolisiert den Aufbaueines Atoms:
Was sind die Isotope?
Atome mit identischer Kernladungszahl, jedoch unterschiedlicherMassenzahl.
- stabile Isotope (13C, 18O, 2H, 3H...)- nicht stabile (radioaktive) Isotope (14C, 235U, ... )
- natürliche Isotope- künstliche Isotope
ATO
MK
ERN
ATO
M
Wie wurde der Atomkern entdeckt? Rutherfordsches Streuversuch
Lichtblitz
-
1. Nahezu alle Alphateilchen gingen durch die Goldfolie hindurch, so als wäre sie nicht da.
2. Einige wenige Alphateilchen wurden geringfügig abgelenkt.
3. Ganz wenige Teilchen wurden um einen Winkel von mehr als 90° abgelenkt.
(1 aus 20 000).
RUTHERFORD erklärte, dieganze Atommasse im Zentrumdes Atoms auf einem sehrkleinen Raum vereinigt sei. Dies nannte er den Atomkern.
Waldelefant (Loxodonta cyclotis)
Dichte des Atomkerns: 3 Elefanten in einem Spielwürfel
Quarks: Elementarteilchen, aus denen
die Hadronen (Protonen und Neutronen) bestehen.
Materie ist aufgebaut aus:1. Quarks 2. Leptonen (zB Elektron) 3. Eichbosonen (die die Grundkräfte vermitteln)
PROTONQuarks: up-up-down
NEUTRONQuarks: up-down-down(up, down)
http://www.leifiphysik.de/kern-teilchenphysik/teilchenphysik/die-vier-fundamentalen-wechselwirkungen
Grundkräfte
Starke Wechselwirkung
1. Zwischen allen Teilchen: Wirken zwischen allen Teilchen, die aus Quarks
aufgebaut sind (Hadronen).
2. Die stärkste Kraft: Diese Kraft ist die stärkste! der 4 Grundkräfte der Physik.
3. Immer anziehend: Es sorgt dafür, dass Nukleonen sich gegenseitig
anziehen und somit also die Atomkerne zusammengehalten werden. Eigentlich müssten sich die Protonen in Atomkernen voneinander abstoßen, da sie alle eine positive Ladung tragen.
4. Ladungsunebhängigkeit: Zwischen p-p, n-n, p-n die Kraft hat gleiche
Stärke.
5. Kurze Reichweite: Die hat eine sehr kurze Reichweite. Nur unmittelbar
benachbarte Protonen und Neutronen ziehen einander an.
Aufbau eines Kerns aus freien Nukleonen
Die Bindungsenergie entspricht dem Energieäquivalent der Differenz zwischen der tatsächlichen Kernmasse (rechts) und der Summe der Massen aller Protonen und Neutronen (links), auch als Massendefekt bezeichnet.
Äquivalenz von Masse und Energievon Albert Einstein
nukl
Massendefekt - Rechnung
Bindungsenergie
Andere Definition der Bindungenergie: Sie ist die Energie, die notwendig ist, um die Teilchen voneinander (unendlich weit) wegzubewegen, sie also "endgültig" zu trennen.
EB/A: Bindungsenergie pro Nukleon
Die Bindungsenergie entspricht dem Energieäquivalent der Differenz zwischen der tatsächlichen Kernmasse (rechts) und der Summe der Massen aller Protonen und Neutronen (links), auch als Massendefektbezeichnet.
Äquivalenz von Masse und Energievon Albert Einstein
nukl
Kernmodelle: TröpfchenmodellTröpfchenmodell (Nils Bohr, Carl Friedrich von Weizsäcker, Hans Bethe, 1936) beschreibt den Atomkern als Tropfchen einer geladenen Flüssigkeit. Mit diesem klassischen Modell kann die Kernspaltung gut erklärt werden.
1. Das Volumen des Kernes ist proportional zu der Massenzahl (wie die Flüssigkeiten).
2. Deshalb die Dichte der Kerne ist immer gleich für alle Kerne (1017 kg/m3), (wie die Flüssigkeiten).
3. Inkompressibel (wie die Flüssigkeiten).4. Nur die nebenstehende Nukleonen
wechselwirken (wie die Flüssigkeiten).5. Nukleonen sind fast frei beweglich (wie
die Flüssigkeiten).6. Kern ist ein dynamisches Gebilde, kein
festes Stück Materie (wie die Flüssigkeiten).
Eigenschaften
EB = EVol + EOber + ECoul + Esym + EPaar
EB
Klassische Physik Quantummechanik
Kernmodelle: Tröpfchenmodell
http://www.leifiphysik.de/sites/default/files/medien/tropfmodell1_kernphygrundlagen_gru.gif
Symmetrieanteil ist quantenmechanischer Natur und sorgt für ein Gleichgewicht zwischen Neutronenzahl und Protonenzahl. Er verschwindet für Neutronenzahl=Protonenzahl und schwächt die Bindung mit zunehmender Differenz zwischen Neutronen- und Protonenzahl.
Paarungsteil ist auch quantenmechanischer Natur, der auf der Beobachtung beruht, dass Kerne mit geraden Nukleonenzahlenstabiler sind als solche mit ungeraden.
Kernmodelle: AtomschalenmodellDer Aufbau der Atomkerne in Analogie zum Schalenmodell der Atomphysik.
Betrachtet werden die einzelnen Nukleonen im effektiven Potential aller übrigenNukloenen. Es existieren diskrete Energienniveaus die entsprechend Pauli-Prinzip aufgefüllt werden.
Magische Zahlen
Kerne mit bestimmten Protonen/Neutronen-Zahlen sind besondersstabil, besonders häufig vor: 2, 8, 20, 28, 50, 82, 126 →Separation eines Nukleons benotigt besonders viel Energie
Magische Kerne sind sehr stabil:
Das Schalenmodell des Atomkerns erklärt die magischen Zahlen damit, dass dort jeweils die äußerste „Schale“ vollständig besetzt, also abgeschlossen ist.
Kernmodelle: Atomschalenmodell