Einführung in die Kernphysik

Harry Friedmann ist Gruppensprecher der Gruppe Kernphysik an der Fakultät für Physik der Universität Wien. Während und nach seinem Studium beschäftige er sich mit neutroneninduzierten Kernreaktionen sowie der Messung von Radiokohlenstoff. Außerdem führte er Rechnungen nach dem statistischen Modell durch. Später wandte er sich der Umweltradioaktivität zu und arbeitete an der Erdbebenprognoseforschung auf Basis von Radonmessungen in Luft und Wasserproben. Er konzipierte und leitete das Österreichische Nationale Radonprojekt. Daneben entwickelte er Spektroskopie-Software und arbeitet an Untersuchungen von Schwerionenreaktionen nahe und unter der Coulombbarriere. Er ist Autor zahlreicher Publikationen in wissenschaftlichen Zeitschriften sowie eines Buches über natürliche Radioaktivität.

• Vorwort xi1 Entdeckung der Radioaktivität, natürliche Radioaktivität 11.1 Entdeckung 11.2 Natürliche Radioaktivität 21.3 Die kosmische Strahlung 31.4 Strahlenarten und natürliche Zerfallsreihen 51.5 Zerfallsgesetze, radioaktives Gleichgewicht 101.6 Die Entdeckung des Atomkerns (Rutherford-Streuung) 141.7 Wirkungsquerschnitt und Massenbelegung 171.8 Übungsaufgaben 192 Die statistische Natur des radioaktiven Zerfalls 212.1 Übungsaufgaben 253 Wechselwirkung von Strahlung mit Materie 273.1 Wechselwirkung geladener Teilchen mit Materie 273.1.1 Wechselwirkung schwerer, geladener Teilchen mit Materie 283.1.2 Wechselwirkung von Elektronen mit Materie 363.1.3 Wechselwirkung von Positronen mit Materie 413.2 Wechselwirkung von Neutronen mit Materie 423.3 Wechselwirkung von Photonenstrahlung mit Materie 443.3.1 Compton-Streuung 453.3.2 Photoeffekt 483.3.3 Paarbildung 503.3.4 Totaler Absorptionsquerschnitt 513.4 Sekundärprozesse 543.5 Übungsaufgaben 544 Strahlungsdetektoren 574.1 Prinzipien 574.1.1 Kalorimeter 574.1.2 Gas-Ionisationsdetektoren 584.1.3 Festkörper-Ionisationsdetektoren 664.1.4 Szintillationsdetektoren 694.1.5 Cerenkov-Detektor 724.1.6 Teilchenspurdetektoren 734.1.7 Thermolumineszenzdetektoren 764.1.8 Spezialdetektoren 774.2 Elektronische Impulsverarbeitung 784.3 Übungsaufgaben 815 Neue Teilchen und künstliche Radioaktivität 855.1 Isotope 855.2 Die Entdeckung des Neutrons 865.3 Die Entdeckung des Positrons 865.4 Künstliche Radioaktivität 885.5 Übungsaufgaben 896 AufbauderAtomkerne 916.1 Kernmassen 916.1.1 Statische elektrische undmagnetischeFelder 916.1.2 Massenspektrometer 946.1.3 Massenbestimmung über Kernumwandlungen 966.2 Die Größe des Atomkerns 996.3 Übungsaufgaben 1057 Das Tröpfchenmodell des Atomkerns 1077.1 Isotopentafel 1077.2 Das Tröpfchenmodell 1097.3 Stabilität gegen β-Zerfall 1137.4 Stabilität gegen Nukleonenemission 1157.5 Stabilität gegen Spaltung 1157.6 Übungsaufgaben 1178 Die quantenmechanische Behandlung des Atomkerns 1198.1 Grundlagen 1198.2 Zur Lösung der Schrödinger-Gleichung 1228.3 Das Schalenmodell, Einzelteilchenniveaus 1258.4 Kollektive Anregungen 1308.5 Kernmomente 1328.5.1 Elektrische Momente 1328.5.2 Magnetische Momente 1358.6 Experimentelle Bestimmung von Kernspin und -momenten 1388.6.1 Kernspin 1388.6.2 Kernmomente 1398.7 Niveauübergänge 1428.8 Übungsaufgaben 1499 Der Mößbauer-Effekt 1539.1 Nukleare Resonanzabsorption 1539.2 Natürliche Linienbreiten 1579.3 Anwendungen der Mößbauer-Spektrometrie 1589.4 Übungsaufgaben 16110 Die Theorie des α-Zerfalls 16310.1 Modell des α-Teilchens im Potential des Restkerns 16310.2 Ergänzende Bemerkungen zum α-Zerfall 16510.3 Übungsaufgaben 16711 Der β-Zerfall 16911.1 Das β-Spektrum 16911.2 Fermis Theorie des β-Zerfalls 17111.3 Der experimentelle Nachweis des Neutrinos 17611.4 Die Neutrinomassen 17711.5 Die schwache Wechselwirkung 18011.6 β-Übergänge: Drehimpulse, Matrixelemente, Kopplungskonstante 18111.7 Die Paritätsverletzung 18311.8 Übungsaufgaben 18912 Kernreaktionen 19112.1 Grundlagen 19112.2 Erhaltungssätze und Kinematik 19412.3 Qualitativer Verlauf von Anregungsfunktionen 19812.4 Die quantenmechanische Behandlung der Streuung 20012.5 Kernpotentiale und das optische Modell 20912.6 Die R-Matrix-Theorie 21112.7 Reaktionsmodelle 21512.7.1 Compoundkernreaktionen 21612.7.2 Direkte Kernreaktionen 22212.8 Übungsaufgaben 22513 Kernspaltung 22713.1 Zur Geschichte der Kernspaltung 22713.2 Physikalische Grundlagen, Kettenreaktion 22913.3 Die Atombombe 23313.4 Physik der Kernreaktoren 24413.5 Typen von Kernreaktoren 24813.5.1 Leichtwasserreaktor: Siedewasserreaktor (BWR – Boiling Water Reactor), Druckwasserreaktor (PWR – Pressurized Water Reactor) 24913.5.2 Natururanreaktor (CANDU-Reaktor) 25313.5.3 Graphitmoderierte Reaktoren 25413.5.4 Schneller Brüter 25713.6 Sicherheitsbewertung und Risiko 25813.7 Reaktorunfälle 26213.8 Beitrag der Kernenergie zur weltweiten Energiegewinnung 26613.9 Ein natürlicher Kernreaktor 26713.10 Übungsaufgaben 27114 Kernfusion 27314.1 Physikalische Grundlagen 27314.2 Die Fusionsbombe 27814.3 Fusionsreaktoren 28114.3.1 Trägheitseinschluss 28214.3.2 Magnetfeldeinschluss 28714.3.3 Probleme und potentielle Gefahren von Fusionsreaktoren 29814.4 Übungsaufgaben 30215 Elementsynthese 30315.1 Übungsaufgaben 30916 Dosimetrie und die biologische Wirkung von Strahlung 31116.1 Das Dosiskonzept 31116.1.1 Grundlagen und grundlegende Größen 31116.1.2 Angewandte Dosiskonzepte und Dosisgrößen 31716.2 Die biologische Wirkung der Strahlung 31816.2.1 Wirkung radioaktiver Strahlung 31816.2.2 Deterministische Schäden 32116.2.3 Stochastische Schäden 32316.2.4 Individuelle Unterschiede der Strahlenempfindlichkeit 32516.2.5 Hormesis 32916.3 Die Strahlenbelastung des Menschen 33116.3.1 Externe Strahlenbelastung 33216.3.2 Interne Strahlenbelastung 33516.3.3 Belastung durch Radon 33816.4 Strahlentherapie 34116.5 Übungsaufgaben 34617 Beschleuniger 34717.1 Elektrostatische Beschleuniger 34717.1.1 Cockcroft-Walton-Beschleuniger 34817.1.2 Van de Graaff-Beschleuniger 34917.1.3 Tandembeschleuniger 35017.2 Elektrodynamische Beschleuniger 35117.2.1 Linearbeschleuniger [200] 35217.2.2 Ringbeschleuniger 35717.3 Übungsaufgaben 37418 Elementarteilchen 37718.1 Die Idee der Elementarteilchen 37718.2 Entdeckungen der Hochenergiephysik 37818.3 Austauschkräfte und Wechselwirkungsteilchen 38218.4 Der Weg zum Standardmodell 38418.5 Das Standardmodell 38818.5.1 Erhaltungssätze und Symmetrie 38918.5.2 Leptonen 39218.5.3 Hadronen 39718.5.4 Der Higgs-Mechanismus 40018.6 Vereinheitlichte Theorie 40318.7 Übungsaufgaben 407Anhang A Wellen und ihre mathematische Darstellung 409Anhang B Die δ-Distribution (Dirac’sche δ-Funktion) 413Anhang C Vektoren und Differentialoperatoren 415Anhang D Einige formale Grundlagen der Quantenmechanik 425Anhang E Störungsrechnung und Fermis Goldene Regel 435Anhang F Die Born’schen Näherungen 439Anhang G Feynman-Diagramme 443Literaturverzeichnis 447Personenverzeichnis 459Sachverzeichnis 467