Kernreaktion

Beispiel einer Kernreaktion, die über einen instabilen Zwischenkern verläuft: ${}_{3}^{6}\mathrm {Li} +{}_{1}^{2}\mathrm {H} \rightarrow {}_{4}^{8}\mathrm {Be} \rightarrow 2\ {}_{2}^{4}\mathrm {He}$

Eine Kernreaktion ist ein physikalischer Prozess, bei dem ein Atomkern durch den Zusammenstoß mit einem anderen Atomkern oder Teilchen seinen Zustand oder seine Zusammensetzung ändert. Häufig werden die elastischen Stöße von Kernen nicht dazu gerechnet, weil sich dabei nur die Impulse der beiden Stoßpartner ändern, manchmal auch nicht die unelastischen Stöße, bei denen zusätzlich einer der Stoßpartner in einen angeregten Zustand versetzt wird. Bei den übrigen Fällen – den Kernreaktionen im eigentlichen Wortsinn – ändern die Kerne durch Abgeben oder Aufnehmen von Teilchen ihre Zusammensetzung. Die Gesamtzahl der vorhandenen Nukleonen bleibt aber stets erhalten, in den meisten betrachteten Fällen auch die Neutronen- und die Protonenzahl je für sich. So entstehen entweder Isotope desselben chemischen Elements (sofern die Protonenzahl konstant bleibt) oder es findet eine Transmutation zu einem anderen Element statt.

Überblick

Kernreaktionen beruhen meist auf der starken und der elektromagnetischen Wechselwirkung, in bestimmten Fällen auch nur der letzteren allein. Die schwache Wechselwirkung spielt bei Kernreaktionen in der irdischen Umgebung praktisch keine Rolle, ist jedoch bei astrophysikalischen Vorgängen wichtig; in solchen Fällen kommt es auch zu Umwandlungen von Neutronen in Protonen oder umgekehrt.

Bei manchen Kernreaktion entsteht intermediär ein instabiler, kurzlebiger Zwischenkern (auch: Compoundkern; eng. compound nucleus), der rasch in die Folgeprodukte zerfällt (siehe Bild rechts oben).

Die erste beobachtete Kernreaktion im engeren Sinn wurde 1919 von Ernest Rutherford beschrieben. Dabei wurden Alphateilchen durch Stickstoff geschossen, was dahinter auf dem Zinksulfid-Schirm, der als Szintillator diente, auch Signale von Protonen ergab. Es handelte sich dabei um eine endotherme Kernfusionsreaktion:

${}^{14}\mathrm {N} +\alpha \,\rightarrow \,{}^{17}\mathrm {O} +p-1,2\,\mathrm {MeV}$

Nicht zu den Kernreaktionen zählt der radioaktive Zerfall, weil hier die Kernumwandlung spontan erfolgt, also nicht durch einen Stoß ausgelöst wird.

Spezielle Kernreaktionen

Kernspaltung

→ Hauptartikel: Kernspaltung

Die neutroneninduzierte Kernspaltung wird in Kernreaktoren genutzt. Sie wurde 1938 gemeinsam von Otto Hahn und Fritz Straßmann und im Kontakt mit Lise Meitner entdeckt. Die Spaltung ist nur bei schweren Atomkernen ab Thorium (Ordnungszahl 90) leicht und unter Energieabgabe möglich. Im Gegensatz zur Kernfusion, die in den Sternen abläuft, handelt es sich bei der Kernspaltung ähnlich der Radioaktivität um einen reinen Abbauprozess, um einen Sterbensprozess der Materie, die gleichsam unter ihrer eigenen Schwere zerbricht.

Kernfusion

→ Hauptartikel: Kernfusion

Die Kernfusion läuft vornehmlich in den Sternen ab. Dabei handelt es sich im Prinzip um einen Aufbauprozess, bei dem aus einfachen Stoffen schwerere und komplexere Materie und zugleich eine große Menge an Energie erzeugt wird.

Nukleare Spallation

Bei der nuklearen Spallation wird der Atomkern durch Beschuss mit Protonen oder Neutronen in kleinere Bruchstücke zersplittert.

Neutroneneinfang

Beim Neutroneneinfang (auch: Neutronenanlagerung), kurz $(\mathrm {n} ,\gamma )$, werden Neutronen in den Kern aufgenommen. Die Massenzahl wird dabei um 1 erhöht, die Ordnungszahl bleibt gleich. So entsteht etwa aus natürlich vorkommendem Gold $\mathrm {{}_{\ 79}^{197}Au}$ das synthetische Goldisotop $\mathrm {{}_{\ 79}^{198}Au}$ in einem zunächst hochangeregten Zustand, der unter Aussendung eines γ-Quants in den Grundzustand übergeht. $\mathrm {{}_{\ 79}^{198}Au}$ ist ein Beta-Minus-Strahler und wandel sich durch Abstrahlung eines Elektrons und eines Antineutrinos aus dem Kern zu dem Quecksilberisotop $\mathrm {{}_{\ 80}^{198}Hg}$ um. Dabei bleibt die Massenzahl konstant und die Ordnungszahl erhöht sich um 1:

$\mathrm {{}_{\ 79}^{197}Au+n\rightarrow {}_{\ 79}^{198}Au} +\gamma$

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Protoneneinfang

Beim Protoneneinfang (auch: Protonenanlagerung), kurz $(\mathrm {p} ,\gamma )$, werden Protonen vom Kern aufgenommen und ein energiereiches γ-Quant abgestrahlt. Die Massenzahl und die Ordnungszahl werden dabei zugleich um 1 erhöht. Da die Protonen und der Kern beide positiv elektrisch geladen sind, sind dabei starke Abstoßungskräfte zu überwinden. Der Protoneneinfang ist insbesondere für die Astrophysik bedeutsam. Beim Wasserstoffbrennen spielt der Protoneneinfang sowohl in der Proton-Proton-Kette als auch im CNO-Zyklus eine wichtige Rolle.

Kernreaktionsrate

Die Anzahl der Kernreaktionen pro Sekunde wird als Kernreaktionsrate oder kurz Reaktionsrate $R$ bezeichnet. Mit dem gegebenen Volumen des Reaktors ergibt sich daraus die Kernreaktionsratendichte $r=R/V$.

Siehe auch

• Kernreaktion - Artikel in der deutschen Wikipedia