Willkommen zur Kernphysik 101

Worum es in diesem Kurs geht

Sie kennen das Atom bereits: Protonen und Neutronen, die zu einem Kern zusammengepackt sind, Elektronen in Orbitalen außerhalb. Dort lebt die Chemie – in der Elektronenhülle.

Die Kernphysik beginnt an der Oberfläche des Kerns und geht tiefer.

Im Innern des Kerns halten Kräfte, die eine Million Mal stärker als der Elektromagnetismus sind, die Materie gegen die heftige Abstoßung positiv geladener Protonen zusammen. Wenn diese Kräfte freigesetzt werden – beim radioaktiven Zerfall, bei der Spaltung, bei der Fusion – übersteigen die Energiedichten alles, was die Chemie erzeugen kann.

Ein Kilogramm Uranbrennstoff setzt so viel Energie frei wie 3.000 Tonnen Kohle. Nicht wegen exotischer Materie – weil E=mc² besagt, dass eine winzige Masse in eine enorme Energiemenge umgewandelt wird.

Dieses Modul behandelt Kernstruktur, starke und schwache Kräfte, radioaktiven Zerfall, Halbwertszeit-Kinetik, Bindungsenergie, Spaltungs-Wirkungsquerschnitte, Fusionsplasmen und Einheiten der Strahlungsmessung. Am Ende werden Sie in der Lage sein, echte kernphysikalische Berechnungen durchzuführen.

Skala und Einheiten

Orientierung

Größenskala: Ein Kern hat einen Durchmesser von etwa 1–10 Femtometern (fm), wobei 1 fm = 10⁻¹⁵ m. Ein Atom ist etwa 100.000 Mal größer (Ångström-Skala, ~10⁻¹⁰ m).

Energieskala: Chemische Reaktionen beinhalten Energien von wenigen eV (Elektronenvolt). Kernreaktionen beinhalten Energien von Hunderten von keV bis Hunderten von MeV – ein Faktor von 10⁶ bis 10⁸ größer.

Masse-Energie: 1 atomare Masseneinheit (u) = 931,5 MeV/c². Dieser Umrechnungsfaktor ist die Brücke zwischen Kernmassenmessungen und Energie.

Wichtige Teilchen:

- Proton: Masse = 1,007276 u, Ladung = +e

- Neutron: Masse = 1,008665 u, Ladung = 0

- Elektron: Masse = 0,000549 u, Ladung = −e

- 1 u = 1,66054 × 10⁻²⁷ kg

Notation: Ein Kern mit Z Protonen und N Neutronen hat die Massenzahl A = Z + N. Geschrieben als ᴬ_Z X – z. B. hat ²³⁵U Z=92, A=235, N=143.

Woher kommt die Energie?

Bevor wir die Physik systematisch aufbauen, wollen wir Ihre Intuition erkunden.