Kernphysik
Die Wissenschaft der Atomkerne, der Radioaktivität und der stärksten Kraft im Universum.
🔵 Kernstruktur
Atomkerne bestehen aus Protonen und Neutronen (Nukleonen), die durch die starke Kernkraft zusammengehalten werden – die stärkste der vier Grundkräfte, wirkend auf Abstände unter ~1 Femtometer (10⁻¹⁵ m).
☢️ Radioaktiver Zerfall
Instabile Kerne emittieren spontan Strahlung: Alpha (α) – Heliumkern; Beta (β) – Elektron/Positron; Gamma (γ) – hochenergetisches Photon. Halbwertszeit (t½) ist die Zeit, in der die Hälfte der Atome zerfällt.
💥 Kernspaltung
Ein schwerer Kern (z.B. U-235) spaltet sich, wenn er von einem Neutron getroffen wird, in leichtere Kerne auf und setzt enorme Energie sowie weitere Neutronen frei. Diese Kettenreaktion treibt Kernreaktoren und Waffen an. E = Δmc²
⭐ Kernfusion
Leichte Kerne (z.B. Deuterium + Tritium) vereinigen sich zu einem schwereren Kern und setzen pro Masseneinheit noch mehr Energie frei als die Spaltung. Treibt die Sonne an. ITER und NIF sind die führenden Fusionsforschungsprojekte.
🔗 Bindungsenergie
Die Energie, die nötig ist, einen Kern vollständig in einzelne Nukleonen zu zerlegen. Eisen-56 hat die höchste Bindungsenergie pro Nukleon – damit ist es der stabilste Kern. Energie wird freigesetzt, wenn Kerne sich in Richtung Eisen-56 bewegen.
🌡️ Kettenreaktion
Jede Spaltung setzt Neutronen frei, die weitere Spaltungen auslösen können. Eine kontrollierte Kettenreaktion (Reaktor) hält k=1. Eine unkontrollierte Reaktion (Bombe) hat k>1. Kritische Masse ist die Mindestmasse zur Aufrechterhaltung einer Kettenreaktion.
🧲 Kernkräfte
Die starke Kraft bindet Quarks zu Nukleonen und Nukleonen zu Kernen. Die schwache Kraft regelt den Betazerfall und ist verantwortlich für Kerntransmutation. Beide sind Kurzreichweitenkräfte.
🔬 Isotope
Atome desselben Elements mit unterschiedlicher Neutronenzahl. U-235 (0,7% natürliches Vorkommen) ist spaltbar; U-238 (99,3%) nicht. Anreicherung erhöht den U-235-Anteil für Reaktor- oder Waffeneinsatz.