Kernphysik

Grundidee und Abgrenzung

Die Kernphysik, auch Nuklearphysik genannt, ist der Teilbereich der Physik, der den Aufbau und das Verhalten von Atomkernen untersucht. Sie unterscheidet sich von der Atomphysik: Die Atomphysik behandelt vor allem die Atomhülle, die Kernphysik dagegen die Kernstruktur, also die Zusammensetzung und Eigenschaften der Atomkerne, sowie ihre Reaktionen.

Untersucht werden unter anderem spontane Umwandlungen von Kernen, also Radioaktivität, Streuvorgänge an Kernen und Reaktionen mit Kernen. Die Kernphysik wird theoretisch und experimentell betrieben. Ihr wichtigstes theoretisches Hilfsmittel ist die Quantenmechanik. Experimentell nutzt sie zum Beispiel Forschungsreaktoren, Teilchen- und Strahlungsdetektoren, Teilchenbeschleuniger und Vakuumtechnik.

Aus der Kernphysik gingen wichtige Nachbargebiete hervor oder wurden stark von ihr geprägt, darunter Hochenergiephysik, Elementarteilchenphysik und Reaktorphysik. Technologien der Kernspaltung und Kernfusion, sowohl zur friedlichen Energiegewinnung als auch für militärische Zwecke, beruhen teilweise auf Forschungsergebnissen der Kernphysik. Es ist jedoch irreführend, das technisch-wirtschaftlich-politische Gebiet der Kernenergie insgesamt als „die Kernphysik“ zu bezeichnen.

Aufbau des Atomkerns

Atomkerne werden im einfachsten Bild als sehr kleine, oft kugelförmig gedachte Ansammlungen von Protonen und Neutronen beschrieben. Diese Teilchen heißen zusammen Nukleonen. Sie bewegen sich im Kern sehr schnell. Typische Größenordnungen sind Längen von 1 Fermi = 1 fm = 10^−15 m und Energien von etwa 100 keV bis 100 MeV.

Ein Atomkern besteht aus Z Protonen und N Neutronen. Zusammen bilden sie A = Z + N Nukleonen. Z heißt Kernladungszahl und ist zugleich die Ordnungszahl des chemischen Elements. A heißt Massenzahl, weil die Masse des Kerns fast vollständig durch die Gesamtzahl der Nukleonen bestimmt wird. In einem neutralen Atom kommen zu den Z Protonen auch Z Elektronen in der Hülle hinzu.

Atomarten mit gleicher Ordnungszahl gehören zum selben Element. Wenn sie sich in der Neutronenzahl unterscheiden, heißen sie Isotope dieses Elements. Die chemischen Eigenschaften hängen fast nur von der Ordnungszahl ab, die physikalischen Eigenschaften des Kerns dagegen von Ordnungszahl und Neutronenzahl. Bei Kernreaktionen ist außerdem der Wirkungsquerschnitt wichtig: Er ist ein Maß dafür, wie wahrscheinlich ein bestimmter Vorgang bei einem einzelnen Stoß oder einer einzelnen Reaktion eintritt.

Ziele und Anwendungen

Die Aufgabe der reinen Kernphysik als Grundlagenforschung ist es, die Kernstruktur und das Verhalten von Atomkernen in Kernreaktionen aufzuklären und zu erklären. Dabei geht es nicht nur um die Frage, woraus Kerne bestehen, sondern auch darum, warum sie stabil oder instabil sind, wie sie zerfallen und wie sie bei Stößen oder Teilchenbeschuss reagieren.

Aus der Untersuchung der Radioaktivität und von Kernreaktionen sind viele Anwendungen entstanden. Dazu gehören Energiegewinnung aus Kernreaktionen in Kernreaktoren und Kernfusionsreaktoren, medizinische Diagnose- und Therapieverfahren wie Szintigraphie und Brachytherapie, zusammengefasst als Nuklearmedizin, sowie Anwendungen in Radiochemie und Kernchemie.

Weitere Beispiele sind die vorbeugende Schadenserkennung in Rohrleitungen mit Gammastrahlung, die Herstellung besonderer Materialoberflächen durch Ionenimplantation und Hilfsmethoden für andere Forschungsgebiete, etwa die Radiokohlenstoffdatierung in der Archäologie oder die Kosmochemie.

Radioaktivität und Entdeckung des Kerns

Die natürliche Radioaktivität wurde 1895 von Antoine Henri Becquerel durch die Schwärzung einer Fotoplatte entdeckt, aber erst um 1915 richtig als kernphysikalische Erscheinung eingeordnet. Pierre Curie und Marie Curie trugen wesentlich zur Erforschung radioaktiver Elemente bei. Becquerel und das Ehepaar Curie erhielten 1903 den Nobelpreis für Physik.

Ernest Rutherford benannte 1900 Alpha-, Beta- und Gammastrahlen nach ihrer unterschiedlichen Durchdringungsfähigkeit. Er erkannte, dass radioaktive Elemente sich in andere Elemente umwandeln, und formulierte das Zerfallsgesetz für den exponentiellen Zerfall einer reinen radioaktiven Substanz. Da Radioaktivität nicht durch chemische oder physikalische Einflüsse beschleunigt oder verzögert werden kann, wurde sie als zufälliger Prozess verstanden. 1909 zeigte Rutherford, dass Alphateilchen doppelt ionisierte Heliumatome sind. Die Verschiebungssätze von Kasimir Fajans und Frederick Soddy erklärten später, wie sich die Ordnungszahl bei Alpha-, Beta- und Gammastrahlung ändert: bei Alpharadioaktivität ΔZ = −2, bei Betaradioaktivität ΔZ = +1 und bei Gammaradioaktivität ΔZ = 0.

Die Entdeckung des Atomkerns gelang durch Streuexperimente. Philipp Lenard hatte 1903 bereits aus der Durchlässigkeit von Metallfolien für schnelle Elektronen auf einen kleinen schweren Kern geschlossen. Das entscheidende Experiment geschah 1910 im Labor von Ernest Rutherford: Ernest Marsden beobachtete, dass Alphateilchen dünne Metallfolien zu 99,99 % fast ohne Ablenkung durchdrangen, einzelne Teilchen aber um mehr als 90° abgelenkt wurden. Rutherford deutete dies so, dass Atome größtenteils leerer Raum sind und einen sehr kleinen, massereichen Kern enthalten. Dieser Kern musste mindestens 1000 Mal kleiner als das Atom sein und praktisch die ganze Masse enthalten.

1919 fand Rutherford mit einer Nebelkammeraufnahme den Beweis, dass ein energiereiches Alphateilchen aus einem Stickstoffkern einen Wasserstoffkern herausgeschlagen hatte. Den Wasserstoffkern deutete er als universellen Kernbaustein und nannte ihn Proton. Das damalige Proton-Elektron-Modell wurde 1932 durch James Chadwicks Entdeckung des Neutrons abgelöst.

Kernenergie und Kernmodelle

Um 1920 zeigten genaue Massenmessungen, dass Kerne etwas leichter sind als die Summe ihrer Bausteine. Diese Massendifferenz heißt Massendefekt und hängt mit der Bindungsenergie zusammen. Arthur Eddington vermutete diesen Zusammenhang als eine frühe praktische Anwendung von Einsteins Formel E = m c^2. Er erkannte auch, dass Fusion von Wasserstoff zu Helium eine mögliche Quelle der Sonnenenergie ist. Für die Sonne wurde später der Bethe-Weizsäcker-Zyklus wichtig, benannt nach Hans Bethe und Carl Friedrich von Weizsäcker, die ihn 1938 beschrieben.

Anfang der 1930er Jahre waren Massendefekte der Kerne mit etwa 1 % Genauigkeit bekannt. Teilchenbeschleuniger erreichten Energien knapp unter 1 MeV, sodass bei Kernreaktionen Massen und Bewegungsenergien bilanziert werden konnten; Einsteins Formel wurde dabei mit 10 % Genauigkeit bestätigt. Die Kernspaltung wurde 1938/39 durch Otto Hahn, Fritz Strassmann und Lise Meitner entdeckt. Sie setzte pro Urankern über 200 MeV frei. 1942 wurde in den USA der erste Kernreaktor in Betrieb genommen. Plutonium mit Z = 94 wurde in Reaktoren durch Neutroneneinfang an Uran hergestellt. 1952 wurde die Fusion von Wasserstoff zu Helium in der ersten H-Bombe realisiert.

Zur Erklärung des Kerns entstanden verschiedene Kernmodelle. Nach der Entdeckung des Neutrons ersetzte das Proton-Neutron-Modell das ältere Proton-Elektron-Modell. Für die starke Anziehung im Kern wurde die Starke Wechselwirkung angenommen. Hideki Yukawa deutete ihre kurze Reichweite 1937 durch Austausch eines hypothetischen Teilchens; dieses wurde 1947 von Cecil Powell in der Höhenstrahlung entdeckt und Pion genannt.

Carl Friedrich von Weizsäcker entwickelte 1935 das Tröpfchenmodell, das Bindungsenergie und Massendefekt mit starker Kernkraft und elektrostatischer Abstoßung beschreibt. 1949 erklärten Maria Goeppert-Mayer und J. Hans D. Jensen mit dem Schalenmodell viele Eigenschaften der Kerne, etwa „magische Zahlen“, Kernspins und magnetische Momente. Für deformierte Kerne und kollektive Anregungen wurde später das Kollektivmodell wichtig, das James Rainwater, Aage Bohr und Ben Mottelson prägten.

Reaktionen, Spaltung und gesellschaftliche Bedeutung

Kernreaktionen sind Vorgänge, bei denen Atomkerne durch Stöße, Teilchenbeschuss oder Energieaufnahme verändert werden. Rutherford beobachtete 1919 eine der ersten echten Kernreaktionen: 14N + 4α → 17O + 1p. Chadwick wies 1932 das Neutron als Kernbaustein nach, indem er nach Beschuss von Beryllium mit Alphateilchen neutrale Teilchenstrahlung analysierte: 9Be + 4α → 12C + 1n.

Ein wichtiger Reaktionstyp ist der Neutroneneinfang. Niels Bohr erklärte 1936 scharfe Maxima im Wirkungsquerschnitt durch die kurzzeitige Bildung eines angeregten Compoundkerns, der seine Energie danach auf verschiedene Weise wieder abgeben kann. Neutroneneinfang kann zu schwereren Isotopen führen oder, wie 1938 entdeckt, Kernspaltung auslösen. Später wurden durch Kernreaktionen in Höhenstrahlung und an Teilchenbeschleunigern neue Elementarteilchen wie Pionen und Lambdateilchen entdeckt. Mit Schwerionenreaktionen wurden sehr schwere, meist kurzlebige Kerne oberhalb von Z = 99 hergestellt. Bei hochenergetischem Protonenbeschuss tritt häufig Spallation auf: Die Einschussenergie verteilt sich auf viele Nukleonen, danach folgt Abregung durch Verdampfung von vor allem Neutronen oder durch Spaltung.

Die induzierte Kernspaltung wurde im Dezember 1938 von Otto Hahn und Fritz Straßmann entdeckt. Dabei werden Urankerne durch Neutronen gespalten. Später zeigte sich, dass dabei viel Energie und weitere Neutronen freigesetzt werden. Dadurch wird eine Spaltungs-Kettenreaktion möglich, also die schnelle Freisetzung technisch nutzbarer Energiemengen bei hoher Leistung. Während des Zweiten Weltkriegs wurde diese Möglichkeit zivil und militärisch erforscht. In Deutschland arbeiteten unter anderem Carl Friedrich von Weizsäcker und Werner Heisenberg an einem Kernreaktor. Im Manhattan-Projekt in Los Alamos forschten unter Robert Oppenheimer unter anderem Enrico Fermi, Hans Bethe, Richard Feynman, Edward Teller und Felix Bloch; das Projekt diente von Anfang an der Waffenentwicklung, führte aber auch zu Erkenntnissen für Kernreaktoren.

Die Kernphysik ist gesellschaftlich besonders umstritten, weil ihre Ergebnisse sowohl friedlich als auch zerstörerisch genutzt werden können. Für Fortschrittskritiker galt sie als „Büchse der Pandora“, für Fortschrittsgläubige als eine der nützlichsten Entdeckungen des 20. Jahrhunderts. Die Kernspaltungstechnik war ein Auslöser neuer Fragen der Wissenschaftsethik, etwa bei Hans Jonas und Carl Friedrich von Weizsäcker. Die politische Debatte über verantwortbaren Umgang mit Kernenergie dauert an, zum Beispiel beim Atomausstieg Deutschlands.