Einführung in die Kernphysik

Das Buch deckt einen sehr großen Bereich der Kernphysik ab, d.h. es werden sowohl experimentelle als auch theoretische Aspekte beleuchtet sowie Anwendungen (Kernspaltung, Kernfusion, medizinischen Anwendungen, Strahlenschutz) ausführlich behandelt. Der Aufbau folgt der historischen Entwicklung. Schließlich wird auch Basiswissen aus der Teilchenphysik kurz angesprochen.

Table of Contents:
Vorwort xi 1 Entdeckung der Radioaktivität, natürliche Radioaktivität 1 1.1 Entdeckung 1 1.2 Natürliche Radioaktivität 2 1.3 Die kosmische Strahlung 3 1.4 Strahlenarten und natürliche Zerfallsreihen 5 1.5 Zerfallsgesetze, radioaktives Gleichgewicht 10 1.6 Die Entdeckung des Atomkerns (Rutherford-Streuung) 14 1.7 Wirkungsquerschnitt und Massenbelegung 17 1.8 Übungsaufgaben 19 2 Die statistische Natur des radioaktiven Zerfalls 21 2.1 Übungsaufgaben 25 3 Wechselwirkung von Strahlung mit Materie 27 3.1 Wechselwirkung geladener Teilchen mit Materie 27 3.1.1 Wechselwirkung schwerer, geladener Teilchen mit Materie 28 3.1.2 Wechselwirkung von Elektronen mit Materie 36 3.1.3 Wechselwirkung von Positronen mit Materie 41 3.2 Wechselwirkung von Neutronen mit Materie 42 3.3 Wechselwirkung von Photonenstrahlung mit Materie 44 3.3.1 Compton-Streuung 45 3.3.2 Photoeffekt 48 3.3.3 Paarbildung 50 3.3.4 Totaler Absorptionsquerschnitt 51 3.4 Sekundärprozesse 54 3.5 Übungsaufgaben 54 4 Strahlungsdetektoren 57 4.1 Prinzipien 57 4.1.1 Kalorimeter 57 4.1.2 Gas-Ionisationsdetektoren 58 4.1.3 Festkörper-Ionisationsdetektoren 66 4.1.4 Szintillationsdetektoren 69 4.1.5 Cerenkov-Detektor 72 4.1.6 Teilchenspurdetektoren 73 4.1.7 Thermolumineszenzdetektoren 76 4.1.8 Spezialdetektoren 77 4.2 Elektronische Impulsverarbeitung 78 4.3 Übungsaufgaben 81 5 Neue Teilchen und künstliche Radioaktivität 85 5.1 Isotope 85 5.2 Die Entdeckung des Neutrons 86 5.3 Die Entdeckung des Positrons 86 5.4 Künstliche Radioaktivität 88 5.5 Übungsaufgaben 89 6 AufbauderAtomkerne 91 6.1 Kernmassen 91 6.1.1 Statische elektrische undmagnetischeFelder 91 6.1.2 Massenspektrometer 94 6.1.3 Massenbestimmung über Kernumwandlungen 96 6.2 Die Größe des Atomkerns 99 6.3 Übungsaufgaben 105 7 Das Tröpfchenmodell des Atomkerns 107 7.1 Isotopentafel 107 7.2 Das Tröpfchenmodell 109 7.3 Stabilität gegen β-Zerfall 113 7.4 Stabilität gegen Nukleonenemission 115 7.5 Stabilität gegen Spaltung 115 7.6 Übungsaufgaben 117 8 Die quantenmechanische Behandlung des Atomkerns 119 8.1 Grundlagen 119 8.2 Zur Lösung der Schrödinger-Gleichung 122 8.3 Das Schalenmodell, Einzelteilchenniveaus 125 8.4 Kollektive Anregungen 130 8.5 Kernmomente 132 8.5.1 Elektrische Momente 132 8.5.2 Magnetische Momente 135 8.6 Experimentelle Bestimmung von Kernspin und -momenten 138 8.6.1 Kernspin 138 8.6.2 Kernmomente 139 8.7 Niveauübergänge 142 8.8 Übungsaufgaben 149 9 Der Mößbauer-Effekt 153 9.1 Nukleare Resonanzabsorption 153 9.2 Natürliche Linienbreiten 157 9.3 Anwendungen der Mößbauer-Spektrometrie 158 9.4 Übungsaufgaben 161 10 Die Theorie des α-Zerfalls 163 10.1 Modell des α-Teilchens im Potential des Restkerns 163 10.2 Ergänzende Bemerkungen zum α-Zerfall 165 10.3 Übungsaufgaben 167 11 Der β-Zerfall 169 11.1 Das β-Spektrum 169 11.2 Fermis Theorie des β-Zerfalls 171 11.3 Der experimentelle Nachweis des Neutrinos 176 11.4 Die Neutrinomassen 177 11.5 Die schwache Wechselwirkung 180 11.6 β-Übergänge: Drehimpulse, Matrixelemente, Kopplungskonstante 181 11.7 Die Paritätsverletzung 183 11.8 Übungsaufgaben 189 12 Kernreaktionen 191 12.1 Grundlagen 191 12.2 Erhaltungssätze und Kinematik 194 12.3 Qualitativer Verlauf von Anregungsfunktionen 198 12.4 Die quantenmechanische Behandlung der Streuung 200 12.5 Kernpotentiale und das optische Modell 209 12.6 Die R-Matrix-Theorie 211 12.7 Reaktionsmodelle 215 12.7.1 Compoundkernreaktionen 216 12.7.2 Direkte Kernreaktionen 222 12.8 Übungsaufgaben 225 13 Kernspaltung 227 13.1 Zur Geschichte der Kernspaltung 227 13.2 Physikalische Grundlagen, Kettenreaktion 229 13.3 Die Atombombe 233 13.4 Physik der Kernreaktoren 244 13.5 Typen von Kernreaktoren 248 13.5.1 Leichtwasserreaktor: Siedewasserreaktor (BWR – Boiling Water Reactor), Druckwasserreaktor (PWR – Pressurized Water Reactor) 249 13.5.2 Natururanreaktor (CANDU-Reaktor) 253 13.5.3 Graphitmoderierte Reaktoren 254 13.5.4 Schneller Brüter 257 13.6 Sicherheitsbewertung und Risiko 258 13.7 Reaktorunfälle 262 13.8 Beitrag der Kernenergie zur weltweiten Energiegewinnung 266 13.9 Ein natürlicher Kernreaktor 267 13.10 Übungsaufgaben 271 14 Kernfusion 273 14.1 Physikalische Grundlagen 273 14.2 Die Fusionsbombe 278 14.3 Fusionsreaktoren 281 14.3.1 Trägheitseinschluss 282 14.3.2 Magnetfeldeinschluss 287 14.3.3 Probleme und potentielle Gefahren von Fusionsreaktoren 298 14.4 Übungsaufgaben 302 15 Elementsynthese 303 15.1 Übungsaufgaben 309 16 Dosimetrie und die biologische Wirkung von Strahlung 311 16.1 Das Dosiskonzept 311 16.1.1 Grundlagen und grundlegende Größen 311 16.1.2 Angewandte Dosiskonzepte und Dosisgrößen 317 16.2 Die biologische Wirkung der Strahlung 318 16.2.1 Wirkung radioaktiver Strahlung 318 16.2.2 Deterministische Schäden 321 16.2.3 Stochastische Schäden 323 16.2.4 Individuelle Unterschiede der Strahlenempfindlichkeit 325 16.2.5 Hormesis 329 16.3 Die Strahlenbelastung des Menschen 331 16.3.1 Externe Strahlenbelastung 332 16.3.2 Interne Strahlenbelastung 335 16.3.3 Belastung durch Radon 338 16.4 Strahlentherapie 341 16.5 Übungsaufgaben 346 17 Beschleuniger 347 17.1 Elektrostatische Beschleuniger 347 17.1.1 Cockcroft-Walton-Beschleuniger 348 17.1.2 Van de Graaff-Beschleuniger 349 17.1.3 Tandembeschleuniger 350 17.2 Elektrodynamische Beschleuniger 351 17.2.1 Linearbeschleuniger [200] 352 17.2.2 Ringbeschleuniger 357 17.3 Übungsaufgaben 374 18 Elementarteilchen 377 18.1 Die Idee der Elementarteilchen 377 18.2 Entdeckungen der Hochenergiephysik 378 18.3 Austauschkräfte und Wechselwirkungsteilchen 382 18.4 Der Weg zum Standardmodell 384 18.5 Das Standardmodell 388 18.5.1 Erhaltungssätze und Symmetrie 389 18.5.2 Leptonen 392 18.5.3 Hadronen 397 18.5.4 Der Higgs-Mechanismus 400 18.6 Vereinheitlichte Theorie 403 18.7 Übungsaufgaben 407 Anhang A Wellen und ihre mathematische Darstellung 409 Anhang B Die δ-Distribution (Dirac’sche δ-Funktion) 413 Anhang C Vektoren und Differentialoperatoren 415 Anhang D Einige formale Grundlagen der Quantenmechanik 425 Anhang E Störungsrechnung und Fermis Goldene Regel 435 Anhang F Die Born’schen Näherungen 439 Anhang G Feynman-Diagramme 443 Literaturverzeichnis 447 Personenverzeichnis 459 Sachverzeichnis 467

About the Author :
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.