Die Kernphysik (oder Nuklearphysik) ist der Teilbereich der Physik, der sich mit dem Aufbau und dem Verhalten von Atomkernen beschäftigt. Während die Atomphysik sich mit der Physik der Atomhülle befasst, ist die Kernphysik mit der Aufklärung der Kernstruktur, also den Einzelheiten des Aufbaus der Atomkerne und ihrer Reaktionsweisen beschäftigt. Hierzu werden beispielsweise spontane Umwandlungen der Kerne (Radioaktivität), Streuvorgänge an Kernen und Reaktionen mit Kernen experimentell und theoretisch untersucht.
Die Hochenergiephysik und Elementarteilchenphysik haben sich aus der Kernphysik heraus gebildet und wurden daher früher mit zu ihr gezählt; die eigentliche Kernphysik wurde dann zur Unterscheidung manchmal als Niederenergie-Kernphysik bezeichnet. Die Reaktorphysik ist zu großen Teilen aus der Kernphysik heraus entstanden.
Die auf der Kernspaltung und Kernfusion beruhenden Technologien zur friedlichen Nutzung von Kernenergie (siehe Kerntechnik) und für militärische Zwecke haben sich u. a. aus bestimmten Forschungsergebnissen der Kernphysik entwickelt. Es ist aber irreführend, dieses technisch-wirtschaftlich-politische Gebiet als „die Kernphysik“ zu bezeichnen.
Personen, die in diesem Fachgebiet arbeiten oder gearbeitet haben, werden als Kernphysiker bezeichnet. Umgangssprachlich wird auch der Begriff „Atomwissenschaftler“ verwendet. In der Anfangsphase sprach man von Atomphysikern, wobei die Atomphysik, wie oben erwähnt, eine eigene Disziplin ist.
Beschreibung Kernphysik wird sowohl theoretisch als auch experimentell betrieben. Ihr wichtigstes theoretisches Hilfsmittel ist die Quantenmechanik. Experimentelle Werkzeuge sind z. B. Kernreaktoren (speziell die Forschungsreaktoren), Teilchen- und Strahlungsdetektoren, Teilchenbeschleuniger und die Vakuumtechnik. Diese und andere Werkzeuge befinden sich häufig als Teil weiterer Gebäude auf einem dafür eingerichteten Forschungszentrum. Zusammengefasst spricht man von Kernanlagen oder kerntechnischen Anlagen, umgangssprachlich auch von Atomanlagen. Es gibt jedoch auch Institute, die Kern- oder Nuklearforschung ohne Anlagen betreiben oder betrieben haben, beispielsweise das Niels-Bohr-Institut.
Aufgaben Die Aufgabe der „reinen“ Kernphysik im Sinne von Grundlagenforschung ist die Aufklärung und Erklärung der Kernstruktur, also der Einzelheiten des Aufbaus der Atomkerne, sowie ihres Verhaltens in Kernreaktionen.
Aus der Untersuchung der Radioaktivität und von Reaktionen mit Kernen haben sich viele Anwendungen entwickelt, beispielsweise Energiegewinnung aus Kernreaktionen mittels Kernreaktoren und Kernfusionsreaktoren, medizinische Diagnose- und Therapieverfahren (etwa Szintigraphie, Brachytherapie), zusammengefasst Nuklearmedizin genannt, chemische Anwendungen in der Radiochemie bzw. Kernchemie, Verfahren zur vorbeugenden Schadenserkennung in Rohrleitungen mittels Gammastrahlung, Herstellung von Materialoberflächen mit besonderen Eigenschaften mittels Ionenimplantation, Hilfsmethoden für andere Forschungsgebiete wie die Radiokohlenstoffdatierung in der Archäologie oder die Kosmochemie.
mini |Man stellt sich Kerne als eine – im einfachsten Fall kugelförmige – Ansammlung von Protonen und Neutronen vor, die sich extrem schnell bewegen Typische Größenordnungen im Bereich der Atomkerne und Kernprozesse sind Längen: 1 Fermi = 1 fm = 10−15 m Energien: 100 keV bis 100 MeV
Ein Atomkern ist aus Z Protonen und N Neutronen aufgebaut, zusammen als A=Z+N Nukleonen bezeichnet. Im neutralen Atom kommen Z Elektronen hinzu. Die Anzahl Z der Protonen heißt Kernladungszahl und ist auch die Ordnungszahl des betreffenden chemischen Elementes. Die Masse des Kerns wird fast ausschließlich durch die Gesamtzahl A der Nukleonen bestimmt, A wird deshalb auch Massenzahl genannt. Atomarten mit gleicher Ordnungszahl gehören zum selben Element, bei unterschiedlicher Neutronenzahl werden sie als Isotope des jeweiligen Elements bezeichnet. Während die chemischen Eigenschaften (fast) nur von der Ordnungszahl des Kerns abhängen, werden seine physikalischen Eigenschaften sowohl von der Ordnungszahl als auch von der Neutronenzahl bestimmt.
Bei der Beschreibung von Kernreaktionen und Stoßvorgängen ist der Begriff des Wirkungsquerschnitts von Bedeutung. Der Wirkungsquerschnitt für einen bestimmten Vorgang ist ein Maß für die Wahrscheinlichkeit, dass dieser Vorgang im Einzelfall eintritt.
Geschichte Die Darstellung orientiert sich vor allem an Friedrich Hund: Geschichte der physikalischen BegriffeFriedrich Hund: Geschichte der physikalischen Begriffe. 2. Auflage. Bibliographisches Institut, Mannheim 1978. Band 2: Die Wege zum heutigen Naturbild. ISBN 3-411-05544-8. und Jörn Bleck-Neuhaus: Elementare Teilchen. Siehe auch die übergeordnete Chronologie unter Atomzeitalter.
Radioaktivität
Die natürliche Radioaktivität wurde 1895 von Antoine Henri Becquerel anhand der Schwärzung einer Fotoplatte entdeckt, aber erst gegen 1915 richtig als kernphysikalische Erscheinung eingeordnet. Wichtige Entdeckungen, zunächst vor allem durch Pierre Curie und Marie Curie, waren, dass es verschiedene radioaktive Elemente gibt, die zum Teil auch erst in dem Prozess entstehen. Becquerel und das Ehepaar Curie erhielten für ihre Versuche zur Radioaktivität, die man als den historischen Beginn der Kernforschung bezeichnen könnte, 1903 den Nobelpreis für Physik. Die Strahlen wurden anfangs nur durch ihre verschiedene Durchdringungsfähigkeit unterschieden und 1900 von Ernest Rutherford Alpha-, Beta- und Gammastrahlen benannt. Er entdeckte 1900, dass die radioaktiven Elemente sich in andere Elemente umwandeln, sowie das Zerfallsgesetz, das den exponentiellen Zerfall einer reinen radioaktiven Substanz beschreibt. Da die Radioaktivität sich nicht durch chemische oder physikalische Beeinflussung beschleunigen oder verzögern lässt, schloss er richtig, dass es sich bei den Umwandlungen um rein zufällige Prozesse handeln muss. Der Zufallscharakter der ganzen Erscheinung wurde durch Egon von Schweidler 1905 anhand der erwarteten statischen Fluktuationen nachgewiesen und konnte auch durch Szintillation (William Crookes 1903) und Teilchenspuren in der Nebelkammer (Charles Wilson 1911) sichtbar gemacht werden. Solche Beobachtungen haben nicht unwesentlich dazu beigetragen, aus der Hypothese, dass es Atome gäbe, eine wissenschaftliche Gewissheit zu machen. 1909 zeigt Rutherford weiter, dass es sich bei Alphateilchen um doppelt ionisierte Heliumatome handelt. Nach den 1912/13 von Kasimir Fajans und Frederick Soddy gefundenen Verschiebungssätzen war klar, dass das chemische Element sich bei Alpharadioaktivität um ändert, bei Betaradioaktivität um , und dasselbe bleibt bei Gammaradioaktivität (). Unerklärbar war die hohe Energie der einzelnen Alpha- oder Betateilchen, um Größenordnungen höher als die Energieumsätze (pro Atom) bei chemischen Reaktionen. Gammastrahlen wurden 1914 von Rutherford durch Beugung an Kristallen als extrem kurzwellige elektromagnetische Wellen identifiziert.
Die lange Lebensdauer der Alphastrahler wurde 1928 von George Gamov auf den quantenmechanischen Tunneleffekt zurückgeführt, der vor allem auch ihre Abhängigkeit von der Energie der Alphateilchen erklären konnte. Zur Erklärung der Betaradioaktivität postulierte Enrico Fermi 1934 eine eigene schwache Wechselwirkung, in der die emittierten Elektronen zusammen mit den (damals hypothetischen) Neutrinos nach der Einsteinformel erst entstehen. Die Entstehung der Gammastrahlung wurde, wie die Lichtemission von Atomen, durch die 1928 von Paul Dirac vorgeschlagene und 1932 von Fermi weiter ausgearbeitete Quantenelektrodynamik beschrieben. Die z. T. extrem langen Lebensdauern, die bei „isomeren Kernen“ auch hier auftreten, wurden 1935 durch Carl Friedrich von Weizsäcker darauf zurückgeführt, dass anders als in der Atomhülle in diesen Fällen die betreffenden Gammaquanten mit einem hohen Drehimpuls erzeugt werden müssen.
Entdeckung des Atomkerns Bereits im Jahre 1903 folgerte Philipp Lenard aus der überraschenden Durchlässigkeit von Metallfolien für schnelle Elektronen, dass Atome einen äußerst kleinen schweren Kern besitzen müsstenHorst Wegener: Physik für Hochschulanfänger. Vieweg & Teubner, 1982. S. 462. und widersprach damit dem gleichzeitig entstandenen Thomsonschen Atommodell („Rosinenkuchen-Modell“, ). Diesem allerdings allgemein akzeptierten Modell zufolge sollte das Atom aus Elektronen in einer diffusen positiv geladenen Wolke in gleichmäßig verteilter, positiv geladener Masse bestehen. Das eigentliche Schlüsselexperiment bei der Entdeckung des Atomkerns gelang 1910 dem Doktoranden Ernest Marsden im Labor des Nobelpreisträgers Ernest Rutherford. Bei Kontrollversuchen zur Herstellung eines scharf begrenzten Strahls von α-Teilchen hatte er bemerkt, dass die Teilchen durch dünne Metallfolien zwar zu 99,99 % fast ohne Ablenkung hindurchgehen, in vereinzelten Fällen aber auch um mehr als 90° abgelenkt werden. Diese starke Ablenkung stand im Widerspruch zum Ergebnis, das nach dem Thomsonschen Atommodell erwartet werden musste. Bekannt war, dass α-Teilchen ionisierte Atome des Edelgases Helium sind und weder von den positiv geladenen Wolken noch von zahlreichen Zusammenstößen mit den Elektronen so weit von ihrer Bahn abgelenkt werden könnten. Ziel der Versuche in Rutherfords Labor war es eigentlich, die Eigenschaften dieser Wolke näher zu untersuchen. Rutherford interpretierte das unerwartete Ergebnis so, dass die Atome der Folie größtenteils aus leerem Raum bestanden, der die Alphateilchen ungehindert passieren ließ, während kleine, elektrisch geladene Partikel darin existierten, die die Alphateilchen aufgrund ihrer großen Masse bei einem der seltenen besonders engen Zusammenstöße sehr stark aus ihrer Bahn werfen konnten. Kurze Überschlagsrechnungen zeigten Rutherford, dass diese „Kerne“ mindestens 1000 Mal kleiner als das Atom sein, aber praktisch seine ganze Masse enthalten mussten. Ob sie positiv oder negativ geladen waren, ließ sich auf diesem Weg nicht entscheiden.
Diese Vorstellung wurde unterstützt durch Henry Moseley, der 1915 bei 40 Elementen nachwies, dass die Photonen der charakteristischen Röntgenstrahlung der schweren Elemente genau der Formel genügten, die 1913 von Niels Bohr für die innersten Bahnen des Elektrons im Coulombfeld einer positiven Punktladung aufgestellt worden waren, wenn die richtige Ordnungszahl für die Kernladung eingesetzt wurde. Die Durchmesser dieser Bohrschen Bahnen sind bis zu 100-mal kleiner als der Atomdurchmesser.
Eine endliche Größe des Atomkerns war, ebenfalls von Rutherford, 1919 dadurch nachgewiesen worden, dass die Ablenkung von Alphateilchen, die dem Mittelpunkt des Coulombpotentials näher als einige fm gekommen waren, nicht mehr der für Punktladungen berechneten Häufigkeitsverteilung folgte. Dieses Phänomen heißt „anomale Rutherfordstreuung“ und diente noch bis in die 1950er Jahre zur genaueren Bestimmung der Kernradien.
Bestandteile und Größe des Atomkerns 1919 fand Rutherford auf einer Aufnahme mit der Nebelkammer den Beweis, dass ein energiereiches Alphateilchen aus einem Stickstoffkern einen Wasserstoffkern herausgeschlagen hatte. Er sah im Wasserstoffkern einen universellen Baustein aller Kerne und gab ihm den Namen „Proton“. Da durch die Massenspektrometrie um diese Zeit schon festgestellt worden war, dass die Atome aller Elemente nahezu ganzzahlige Atomgewichte A hatten, nahm Rutherford an, die Kerne mit Massenzahl A und Ordnungszahl Z seien aus einer Anzahl A Protonen und (A–Z) Elektronen zusammengesetzt. Dieses Proton-Elektron-Modell wurde lange Zeit als gültig angenommen, bis 1932 von James Chadwick das Neutron entdeckt wurde.
Kernspin, magnetisches Dipolmoment, elektrisches Quadrupolmoment