Quelltext der Seite Kernreaktion

Du bist aus dem folgenden Grund nicht berechtigt, die Seite zu bearbeiten:
Diese Aktion ist auf Benutzer beschränkt, die der Gruppe „Benutzer“ angehören.
Du kannst den Quelltext dieser Seite betrachten und kopieren.
Eine '''Kernreaktion''' ist ein physikalischer Prozess, bei dem ein [[Atomkern]] durch den Zusammenstoß mit einem anderen Atomkern oder Teilchen seinen Zustand oder seine Zusammensetzung ändert. Häufig werden die elastischen [[Stoß (Physik)|Stöße]] von Kernen nicht dazu gerechnet, weil sich dabei nur die [[Impuls (Physik)|Impuls]]e der beiden Stoßpartner ändern, manchmal auch nicht die unelastischen Stöße, bei denen zusätzlich einer der Stoßpartner in einen [[Angeregter Zustand|angeregten Zustand]] versetzt wird. Bei den übrigen Fällen – den Kern''reaktionen'' im eigentlichen Wortsinn –  ändern die Kerne durch Abgeben oder Aufnehmen von Teilchen ihre Zusammensetzung. Die Gesamtzahl der vorhandenen [[Nukleon]]en bleibt aber stets erhalten, in den meisten betrachteten Fällen auch die [[Neutron]]en- und die [[Proton]]enzahl je für sich.

Nicht zu den Kernreaktionen zählt der [[Radioaktivität|radioaktive Zerfall]], weil hier die Kernumwandlung spontan erfolgt, also nicht durch einen Stoß ausgelöst wird. 

Mit der ''Erforschung'' von Kernreaktionen befassen sich vor allem die [[Kernphysik]] und die [[Teilchenphysik]]. Eine wichtige Rolle spielen Kernreaktionen bei der Entstehung der Nuklide, s. [[Astrophysik]], [[Kosmochemie]]. ''Anwendungen'' gibt es z.&nbsp;B. in der Energietechnik (siehe [[Kernreaktor]], [[Fusionsreaktor]]) und der Medizintechnik (Herstellung von [[Radionuklid]]en für  [[Nuklearmedizin]] und [[Strahlentherapie]]).

Aus [[Impulserhaltungssatz|Impulserhaltung]] und [[Energieerhaltungssatz|Energieerhaltung]] ergeben sich bei den Kernreaktionen bestimmte Beschränkungen. Sie werden im Artikel [[Kinematik (Teilchenprozesse)|Kinematik]] beschrieben. Auch andere [[Erhaltungsgröße]]n wie die [[Baryonenzahl]] spielen eine Rolle.

== Geschichte ==
[[Ernest Rutherford]] benutzte ab 1911 [[Alphateilchen]] aus einer radioaktiven Substanz in seinen Streuversuchen, bei denen er deren elastische Streuung an Gold-Atomkernen beobachtete. Die erste Beobachtung einer Kernreaktion im engeren Sinn, ebenfalls durch Rutherford, datiert von 1919: Alphateilchen wurden durch Stickstoff geschossen, was dahinter auf dem Zinksulfid-Schirm, der als [[Szintillator]] diente, auch Signale von Protonen ergab (Reaktion: <sup>14</sup>N + α → <sup>17</sup>O + p).<ref>{{Literatur | Autor = E. Rutherford | Titel = Collision of α particles with light atoms. IV. An anomalous effect in nitrogen | Sammelwerk = Philosophical Magazine | Band = 37 | Jahr = 1919 |Seiten = 581-587}} ([http://web.lemoyne.edu/~giunta/rutherford.html Veröffentlichungstext])</ref> 

Die weitere Erforschung und Nutzung von Kernreaktionen beruhte überwiegend auf künstlich beschleunigten Geschossteilchen und war daher eng verbunden mit der Entwicklung der [[Teilchenbeschleuniger]]. [[John Cockcroft]] und [[Ernest Walton]] gelang 1930 der erste Nachweis einer durch künstlich beschleunigte Teilchen ausgelösten Kernreaktion – damals stolz als Kern''zertrümmerung'' bezeichnet. Sie bestrahlten [[Lithium]] mit [[Proton]]en der kinetischen Energie 300&nbsp;[[keV]]; als Reaktionsprodukte wurden [[Helium]]-4-Atomkerne (Alphateilchen) beobachtet.<ref> Eric B. Paul, Nuclear and Particle Physics, North-Holland Publ. Comp., 1969</ref> Es handelte sich also um die Reaktion <sup>7</sup>Li + p → 2 <sup>4</sup>He. Die von ihnen bestimmte Energie- und Massenbilanz wurde zum ersten experimentellen Nachweis der „[[Äquivalenz von Masse und Energie|Umwandlung von Masse in Energie]]“ nach Einsteins Gleichung ''E=mc''<sup>2</sup>.

== Formelschreibweise und Beispiele ==
[[Datei:Li6-D_Reaction.svg|miniatur|Beispiel einer Kernreaktion: <math>{}^{6}_{3}\mathrm{Li}+{}^{2}_{1}\mathrm{H}\rightarrow2\ {}^{4}_{2}\mathrm{He}</math>]]
In dem als Beispiel gezeigten symbolischen Bild reagieren ein <sup>6</sup>Li-Kern und ein [[Deuterium]]-Kern (ein ''Deuteron'') und bilden den [[Zwischenkern]] <sup>8</sup>Be, der unmittelbar darauf in zwei [[Alphateilchen]] zerfällt.

Eine Kernreaktion kann durch eine Formel ähnlich einer [[Chemische Gleichung|chemischen Gleichung]] dargestellt und überprüft werden. [[Kernzerfall|Kernzerfälle]] können ähnlich dargestellt werden, allerdings steht dann nur ''ein'' Kern auf der linken Seite. Jedes Teilchen, das an der Reaktion teilnimmt, wird mit seinem [[Chemisches Symbol|chemischen Symbol]] geschrieben, mit der [[Massenzahl]] links oben und der [[Ordnungszahl]] links unten. Da die Ordnungszahl durch das chemische Symbol eindeutig festgelegt ist, kann sie auch weggelassen werden. 

Die Formel zum abgebildeten Beispiel lautet

:<math>{}^{6}_{3}\mathrm{Li}+{}^{2}_{1}\mathrm{H}\rightarrow{}^{4}_{2}\mathrm{He}+{}^{4}_{2}\mathrm{He}</math>

oder vereinfacht

:<math>{}^{6}_{3}\mathrm{Li}+{}^{2}_{1}\mathrm{H}\rightarrow2\ {}^{4}_{2}\mathrm{He}</math> .

Das [[Neutron]] wird als n geschrieben, das [[Proton]] kann als <sup>1</sup>H oder p geschrieben werden. Manche Teilchen kommen in so vielen betrachteten Reaktionen vor, dass man sie üblicherweise abkürzt. So wird beispielsweise der <sup>4</sup>He-Kern mit dem [[Griechisches Alphabet|griechischen Buchstaben]] α bezeichnet. [[Deuteron]]en (schwerer [[Wasserstoff]], <sup>2</sup>H) werden mit d bezeichnet. 

Bei vielen interessierenden Reaktionen trifft ein relativ leichtes Teilchen ([[Nukleon]] oder leichter Kern, das ''Projektil'') auf einen verhältnismäßig schweren Kern, ein Teilchen aus derselben „leichten“ Klasse (das ''Ejektil'') wird emittiert, und ein anderer Kern bleibt zurück. In diesen Fällen kann die Reaktion vereinfacht folgendermaßen geschrieben werden

:<math>\mathrm{Ausgangskern}\; (\mathrm{Projektil}, \mathrm{Ejektil})\; \mathrm{Endkern}</math> .

Der Ausgangskern wird oft als [[Target (Physik)|Targetkern]] bezeichnet (von {{enS|''target''}} ‚Zielscheibe‘).<br>
Projektil bzw. Ejektil sind meist [[Proton]]en, [[Deuteron]]en, Heliumkerne, [[Triton (Physik)|Tritonen]], [[Neutron]]en, [[Gammaquant]]en usw. 

Mit Teilchensymbolen lautet die Formel dann beispielsweise

:<math>{}^{6}_{3}\mathrm{Li}+\mathrm{d}\rightarrow\alpha+\alpha</math> ,

mit weggelassenen Ordnungszahlen

:<math>{}^{6}\mathrm{Li}+\mathrm{d}\rightarrow\alpha+\alpha</math>

oder in komprimierter Form

:<math>{}^{6}\mathrm{Li} (\mathrm{d},\alpha) \alpha</math> .

=== Weitere Beispiele ===
Aus einem [[Atomkern]] von [[Silber]]-107 entsteht unter Einfang eines [[Neutron]]s und Aussendung eines [[Gammastrahlung|γ-Quants]] Silber-108: 
:'''<sup>107</sup>Ag(n,γ)<sup>108</sup>Ag'''

<sup>14</sup>N wird durch ein Neutron der Höhenstrahlung in <sup>14</sup>C verwandelt (durch diesen Prozess wird laufend <sup>14</sup>C erzeugt, die Basis der [[Radiokohlenstoffdatierung]]):
:'''<sup>14</sup>N(n,p)<sup>14</sup>C'''

Ein [[Lithium]]-6-Kern absorbiert ein Neutron und geht dadurch über in ein [[Tritium|Triton]] und einen Helium-4-Kern:  
:'''<sup>6</sup>Li(n,t)<sup>4</sup>He'''

Die in den Beispielen angeführten Reaktionstypen (gleichgültig mit welchem Targetnuklid) bezeichnet man kurz als (d,α)-, (n,γ)-, (n,p)- bzw. (n,t)-Reaktionen.

=== Spezielle Arten von Kernreaktionen und Sonderfälle ===
Die komprimierte Schreibweise wird auch für [[Streuung (Physik)|Streuprozesse]] verwendet. Zum Beispiel steht <sup>12</sup>C(n,n)<sup>12</sup>C oder kurz  <sup>12</sup>C(n,n) für die elastische Streuung eines Neutrons an einem Kohlenstoff-12-Kern. Eine unelastische Streuung wird durch einen Strich am ausfallenden Teilchen angedeutet, z.&nbsp;B. <sup>12</sup>C(n,n') oder <sup>12</sup>C(α,α').

Bei der insbesondere mit [[thermisches Neutron|thermischen Neutronen]] wichtigen (n,<math>\gamma</math>)-Reaktion spricht man von [[Neutroneneinfang]] oder Neutronenanlagerung, bei (p,<math>\gamma</math>) entsprechend von [[Protonenanlagerung]].

Sonderfälle hinsichtlich der Schreibweise sind die induzierte [[Kernspaltung]] und die [[Spallation]]. Eine bestimmte Spaltungsreaktion, z.&nbsp;B. die erste bekannte, von [[Otto Hahn]] und Mitarbeitern entdeckte, lässt sich, je nach Anzahl der freigesetzten Neutronen, als <sup>235</sup>U + n → <sup>140</sup>Ba + <sup>94</sup>Kr + 2n oder <sup>235</sup>U + n → <sup>140</sup>Ba + <sup>93</sup>Kr + 3n schreiben (s. [[Entdeckung der Kernspaltung#Spaltprodukt-Paare |Entdeckung der Kernspaltung]]). Wenn jedoch – wie in der Praxis häufig – im Einzelfall nicht interessiert, welches der vielen möglichen Paare von Spaltprodukten entsteht und wie viele neue Neutronen emittiert werden, wird einfach <sup>235</sup>U(n,f) geschrieben (f für engl. {{lang|en|''fission''}} ‚Spaltung‘). 

Bei der Spallationsreaktion wird, ausgelöst durch ein hochenergetisches Teilchen, ein Kern in viele Bruchstücke zerschlagen; hier ist die Schreibweise im genannten Formelstil offensichtlich wenig sinnvoll.

== Reaktionsmechanismen ==
Kernreaktionen beruhen meist auf der [[starke Wechselwirkung|starken]] und der [[elektromagnetische Wechselwirkung|elektromagnetischen Wechselwirkung]], in bestimmten Fällen auch nur der letzteren allein. Die [[schwache Wechselwirkung]] spielt bei Kernreaktionen in der irdischen Umgebung praktisch keine Rolle, ist jedoch bei [[astrophysik]]alischen Vorgängen wichtig; in solchen Fällen kommt es auch zu Umwandlungen von Neutronen in Protonen oder umgekehrt.

Die experimentellen Beobachtungen legen nahe, dass Kernreaktionen je nach den beteiligten Kernen/Teilchen und je nach Stoßenergie auf sehr verschiedene Weise verlaufen können. Die nachstehend beschriebenen Typen, Zwischenkernreaktion und direkte Reaktion, sind  nur idealisierte Grenzfälle; tatsächlich beobachtete Reaktionen sind meist Mischungen aus den Typen, d.&nbsp;h. die entstehenden Teilchen, Strahlungen usw. stammen anteilig aus den verschiedenen Prozessen.<ref> Bethge, Walter, Wiedemann: ''Kernphysik''. 2. Auflage, Springer Verlag 2001</ref>

=== Zwischenkernreaktionen ===
{{Hauptartikel|Zwischenkern}}

Ist die Stoßenergie klein im Vergleich zur [[Bindungsenergie]] eines Protons oder Neutrons im Kern (diese beträgt im Durchschnitt über alle [[Nuklid]]e etwa 9&nbsp;MeV), lassen sich die Beobachtungen oft gut durch das Zwischenkernmodell erklären: Die beiden zusammenstoßenden Teilchen/Kerne verbinden sich zu einem neuen Kern, der dann unabhängig von der Art seiner Entstehung wieder in zwei oder mehr Teile zerfällt. Typische Kennzeichen einer Zwischenkernreaktion sind:
* [[Resonanz#Kernphysik|Resonanzen]] in der [[Anregungsfunktion]]
* Vorwärts-Rückwärts-Symmetrie, d.&nbsp;h. Spiegelsymmetrie um die 90-Grad-Richtung der im [[Schwerpunktsystem]] betrachteten [[Winkelverteilung]]

=== Direkte Reaktionen ===
Bei höheren Stoßenergien treten dagegen ''direkte'' Reaktionsmechanismen in den Vordergrund. Dabei werden ein oder mehrere Nukleonen zwischen den Kernen ausgetauscht. Sie werden auch als '''Transferreaktionen''' bezeichnet.<ref>[https://www.spektrum.de/lexikon/physik/transferreaktionen/14686 Transferreaktionen], Lexikon der Physik, Spektrum Verlag</ref> Hierzu zählt z.&nbsp;B. die '''Strippingreaktion''' (engl. {{lang|en|''stripping''}} ‚abstreifen‘), die besonders bei [[Deuteron]]en als Geschossen wichtig ist. Das relativ schwach gebundene Deuteron zerreißt dabei in seine beiden Bestandteile Neutron und Proton; dasjenige Teilchen, dass dem Targetkern nahe genug gekommen ist, wird absorbiert, während das andere weiterfliegt. Es ergibt sich also eine (d,n)- oder (d,p)- Reaktion. Auch die (d,np)-Reaktion ist als direkte Reaktion (engl. {{lang|en|''deuteron breakup''}} ‚Aufbrechen des Deuterons‘) möglich, wenn das Deuteron im Kraftfeld des Targetkerns zerreißt, aber keine Absorption erfolgt. Strippingreaktionen spielen auch, wenngleich mit geringerer Wahrscheinlichkeit, z.&nbsp;B. als (<sup>3</sup>He,d)-, (<sup>6</sup>Li, d)-Reaktionen usw. eine Rolle.

Andere direkte Reaktionen sind die ''Pickup-Reaktion'' (engl. {{lang|en|''pick up''}} ‚aufgreifen‘, ‚mitnehmen‘), bei der das Geschossteilchen ein Nukleon aus dem Targetkern absorbiert und mitnimmt, z.&nbsp;B. eine (p,d)- oder (d,<sup>3</sup>He)-Reaktion, und die ''Kickoff''-Reaktion (engl. {{lang|en|''kick off''}} ‚wegstoßen‘), z.&nbsp;B. vom Typ (n,p). (n,p)-Reaktionen tragen z.&nbsp;B. wesentlich zur [[Neutronenaktivierung|Materialaktivierung]] durch schnelle Neutronen in [[Fusionsreaktor]]en bei.

Typisch für direkte Reaktionen sind 
*eine mit der Stoßenergie über einen größeren Bereich [[Reelle monotone Funktion|monoton]] ansteigende Anregungsfunktion
*eine starke Bevorzugung kleiner Reaktionswinkel, also ein „Vorwärtspeak“ der Winkelverteilung.

Alle als direkte Reaktion möglichen Reaktionstypen sind, wie oben erwähnt, auch als Zwischenkernreaktion möglich. Oft sind Überlagerungen beider Grundtypen zu beobachten, z.&nbsp;B. eine Anregungsfunktion mit glattem, allmählich ansteigendem Untergrund und einzeln darauf sitzenden Resonanzen.

== Q-Wert und Energiebilanz ==
Da die [[Bindungsenergie]] pro Nukleon in verschiedenen Kernen unterschiedlich ist, verlaufen manche Kernreaktionen [[Exotherme Reaktion|exotherm]], d.&nbsp;h. sie setzen Energie zusätzlich zur vorhandenen [[kinetische Energie|kinetischen]] Energie frei. Andere verlaufen [[Endotherme Reaktion|endotherm]], also unter Aufnahme von Energie; diese muss dann als kinetische Energie durch einen oder beide Reaktionspartner "mitgebracht" werden ([[Schwellenenergie]]), damit die Reaktion möglich ist (also ihr [[Wirkungsquerschnitt]] von Null verschieden ist). Energien werden in der Kernphysik meist in Mega[[elektronenvolt]] (MeV) angegeben.

Die überschüssige Energie exothermer Reaktionen kann als kinetische Energie der Reaktionsprodukte und/oder als [[Gammastrahlung]] freigesetzt werden. 

Auch exotherme Reaktionen können eine [[Aktivierungsenergie]] benötigen. Dies gilt immer bei gleichnamig [[Elektrische Ladung|geladenen]] Reaktionspartnern, weil die [[Coulombwall|elektrische Abstoßung]] überwunden werden muss; wegen des [[Tunneleffekt]]es ist diese Aktivierungsenergie allerdings nicht scharf definiert. Wenn ein Stoßpartner ungeladen (Neutron oder Photon) ist, spielt die elektrische Abstoßung keine Rolle, aber auch dann kann eine Mindestenergie nötig sein, um etwa einen genügend hohen [[angeregter Zustand|Anregungszustand]] des [[Zwischenkern]]s zu erreichen. Ein Beispiel hierfür ist die neutroneninduzierte [[Kernspaltung|Spaltung von Kernen]] mit gerader [[Neutronenzahl]]. 

Bei der Schreibweise entsprechend einer chemischen Gleichung kann zusätzlich der Energiegewinn oder -verlust ''Q'' angegeben werden: 

:Anfangskern + Projektil → Endkern + Ejektil + ''Q''. 

Das letzte der oben genannten Beispiele, der Brutprozess im [[Blanket]] eines [[Fusionsreaktor]]s, lautet so geschrieben:

:<math> \ {}^{6}_{3} \mathrm {Li} \ + \mathrm {n} \ \to \ {}^{4}_{2} \mathrm {He} \ + \ {}^{3}_{1} \mathrm {H} \ + \ 4{,}8 \; \mathrm {MeV} \ \ </math> 

Dieser Energiebetrag (in der Kernphysik üblicherweise nur „''Q''-Wert“ genannt) ist bei exothermer Reaktion positiv, bei endothermer negativ. Er gibt die Differenz zwischen der gesamten kinetischen Energie vor und nach der Reaktion an und lässt sich nach [[Äquivalenz von Masse und Energie|''E&nbsp;=&nbsp;m&nbsp;c<sup>2</sup>'']] aus der Differenz der [[Masse (Physik)|Gesamtmassen]] auf der Anfangsseite und der Endseite ermitteln. Der Massenunterschied im oben angegebenen Beispiel ist

:<math> M\left( ^{6}\mathrm{Li}\right) +  M(\mathrm n) -  M\left( ^{4}\mathrm{He}\right) - \ M\left( ^{3}\mathrm H\right)</math> 
:<math> = 6{,}015122 \ \mathrm {u} + 1{,}008665 \ \mathrm {u} - 4{,}002603 \ \mathrm {u} - 3{,}016029 \ \mathrm {u}</math> 
:<math> = 0{,}005155 \ \mathrm {u}</math> 

Die [[Atomare Masseneinheit]] u entspricht dem Energiebetrag

:<math>1 \,\mathrm u \, c^2 = 931{,}49 \ \mathrm {MeV}</math>,
daher ergibt sich der Q-Wert zu 

:<math> Q = 0{,}005155 \ \mathrm {u} \cdot \left( 931{,}49 \ \frac{\mathrm {MeV}}{\mathrm {u}}\right) = 4{,}802 \ \mathrm {MeV}</math>, wie oben angegeben.

Man kann in den Kernmassen den Anteil <math>A \,\mathrm u</math> (<math>A</math> ist die jeweilige [[Massenzahl|Nukleonenanzahl]]) von vornherein weglassen, weil er sich in der Differenzbildung ohnehin heraushebt. Man verwendet also statt der Massen die [[Massenexzess]]e und vermeidet so die Ermittlung einer kleinen Differenz großer Zahlen. Dies ist bei nicht digitalen Berechnungen eine nützliche Erleichterung.

== Statistische Schwankungen ==
Trifft ein gegebener, konstanter Strom von Projektilteilchen auf ein gegebenes Ziel, lässt sich aus dem [[Wirkungsquerschnitt]] der interessierenden Reaktion die ''[[Kernreaktionsrate]]'' (Anzahl der Reaktionen pro Zeitintervall) berechnen. Diese ist jedoch nur ein statistischer Mittelwert. Die tatsächlich in einer bestimmten Zeitdauer beobachtete Anzahl von Reaktionen schwankt zufällig um diesen Mittelwert; die Häufigkeit, mit der die einzelnen möglichen Anzahlen auftreten, folgt der [[Poisson-Verteilung]]. Somit ist Strahlung aus einer Kernreaktion (mit konstanter Reaktionsrate) auf die gleiche Art statistisch verteilt wie die aus einer radioaktiven Quelle.

==Literatur==
*[[Herman Feshbach]]: ''Theoretical Nuclear Physics'', Band 2: ''Nuclear Reactions'', Wiley 1992

== Weblinks ==
{{Wiktionary|Kernreaktion}}
* [http://www.physics.nist.gov/PhysRefData/Compositions/ Tabelle der Atommassen]
* [http://www.periodensystem-online.de/index.php?id=calc&form=nureaction Script zur Berechnung von Energiebilanzen von Kernreaktionen]
* [http://www.nndc.bnl.gov/qcalc/ ''Q Value Calculator''] zur Q-Wert-Berechnung

== Einzelnachweise ==
<references />

{{Normdaten|TYP=s|GND=4030343-3}}

[[Kategorie:Kernphysik]]
Zurück zur Seite Kernreaktion.
Abgerufen von „https://www.cosmos-indirekt.de/Physik-Schule/Kernreaktion“
Quelltext der Seite Kernreaktion

Die News der letzten Tage
