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Kernreaktion

In der Kernphysik wird eine Kernreaktion als ein Prozess betrachtet, bei dem ein oder zwei Kerne und ein externes subatomares Teilchen kollidieren, um dadurch ein oder mehrere neue Nuklide zu erzeugen.

Bei einer Kernreaktion muss also mindestens eine Umwandlung von einem Nuklid in ein anderes bewirkt werden. Interagiert ein Kern mit einem anderen Kern oder Teilchen und trennt sich dann, ohne das sich die Natur der Nuklide ändert, wird der Prozess als eine Art Kernstreuung, jedoch nicht als Kernreaktion bezeichnet.

Natürliche Kernreaktionen ergeben sich in der Wechselwirkung zwischen kosmischer Strahlung und Materie. Kernreaktionen können künstlich erzeugt werden, um Kernenergie zu erhalten. Das ist die Kernreaktion als Kernkettenreaktionen in spaltbaren Materialien, die eine induzierte Kernspaltung erzeugt, sowie Kernfusionsreaktionen, bei denen versucht wird, die Kernfusion in der Sonne nachzubilden. Die Kernreaktion wird aber auch genutzt, um bestimmte Nuklide zu erzeugen, die in der Medizintechnik Anwendung finden, etwa Radionuklide für Strahlentherapien oder in der Nuklearmedizin.

Kernreaktionen sind als Forschungsgegenstand Bestandteile der Kernphysik wie ebenso der Teilchenphysik.

Ab 1911 verwendete Ernest Rutherford in seinen Streuexperimenten Alpha-Partikel einer radioaktiven Substanz, in denen er deren elastische Streuung an Atomkernen aus Gold beobachtete. Die erste Beobachtung einer Kernreaktion im engeren Sinne, ebenfalls von Rutherford, stammt aus dem Jahr 1919: Die Alpha-Partikel wurden durch Stickstoff geschossen, was Protonensignale auf dem hinter dem Stickstoff befindlichen Zinksulfidschirm lieferte, der als Szintillator diente (Reaktion: 14N + α → 17O + p).

Nachfolgende Forschungen zu Kernreaktionen und deren Verwendung stützten sich hauptsächlich auf künstlich beschleunigte Projektilpartikel und standen daher in engem Zusammenhang mit der Entwicklung von Teilchenbeschleunigern. 1930 gelang es John Cockcroft und Ernest Walton, den ersten Beweis für eine Kernreaktion zu erbringen, die durch künstlich beschleunigte Teilchen ausgelöst wurde - zu dieser Zeit als Kernfragmentierung benannt. Sie bestrahlten Lithium mit Protonen mit einer kinetischen Energie von 300 keV; Atomkerne von Helium-4 (Alpha-Teilchen) wurden als Reaktionsprodukte beobachtet.

Reaktionsgeschwindigkeit in der Kernreaktion

Ist die Reaktionsgleichung ausgeglichen, bedeutet dies nun keineswegs, dass die Reaktion auch tatsächlich stattfindet. Die Geschwindigkeit, mit der Reaktionen stattfinden, hängt von der Energie der Partikel, dem Fluss der Partikel und dem Querschnitt der Reaktion ab.

Neutronen gegen Ionen

Bei der anfänglichen Kollision, die die Reaktion auslöst, müssen sich die Partikel so nahe kommen, dass die Anziehungskraft im Nahbereich sie beeinflussen kann. Da die häufigsten Kernpartikel positiv geladen sind, bedeutet dies, dass sie eine signifikante elektrostatische Abstoßung überwinden müssen, bevor die Reaktion beginnen kann. Obwohl der Zielkern Teil eines neutralen Atoms ist, muss das andere Teilchen weit über die Elektronenwolke hinaus eindringen und sich dem positiv geladenen Kern nähern. Daher müssen diese Partikel zuerst auf hohe Energie beschleunigt werden, zum Beispiel durch Teilchenbeschleuniger.

Da die Abstoßungskraft proportional zum Produkt der beiden Ladungen ist, sind die Reaktionen zwischen schweren Kernen seltener und erfordern eine höhere Initiierungsenergie als zwischen einem schweren Kern und einem leichten Kern. Während die Reaktionen zwischen zwei leichten Kernen am häufigsten sind. Neutronen hingegen haben keine elektrische Ladung, die Abstoßung verursacht und bei sehr niedrigen Energien eine Kernreaktion auslösen kann. Tatsächlich ist bei extrem niedrigen Teilchenenergien (die beispielsweise dem thermischen Gleichgewicht bei Raumtemperatur entsprechen) die Broglie-Wellenlänge des Neutrons bei Energien nahe den Resonanzen der beteiligten Kerne stark erhöht, was möglicherweise seinen Einfangabschnitt erheblich vergrößert. Somit können niederenergetische Neutronen noch reaktiver sein als hochenergetische Neutronen.

Quizfragen zum Thema

1. Was bedeuten in der Kernreaktion die Begriffe exotherm und endotherm?

   Bei einer exothermen Kernreaktion wird Energie freigesetzt.
   Bei einer endothermen Kernreaktion wird Energie aufgenommen

2. Was ist die Kernreaktionsrate?

   Die Kernreaktionsrate ist eine physikalische Größe und ist der Quotient aus Reaktionsanzahl und der Zeitspanne, in der die Kernreaktionen gezählt werden.

3. Wozu werden Teilchenbeschleuniger verwendet?

   Wie die Bezeichnung es schon aussagt, werden damit Teilchen beschleunigt, etwa Atomkerne, Elementarteilchen oder Moleküle, um besondere Formen der Kernreaktion zu erzielen. Teilchenbeschleuniger werden heute sehr vielfältig eingesetzt. Von der Kernphysik bis zur industriellen Anwendung, etwa dem Elektronenstrahlschweißen.

4. Ist radioaktiver Zerfall eine Kernreaktion?

   Nein, physikalisch betrachtet ist radioaktiver Zerfall keine Kernreaktion, weil hier ein Umwandlungsprozess ohne den Einfluss eines zweiten Teilchens stattfindet. Es ist keine Reaktion, sondern eine Aktion.

5. Was ist der Q-Wert?

   Der Q-Wert (Q = Quantität) ist der Energiebeitrag in einer Kernreaktion. Der Q-Wert ist bei exothermen Reaktionen positiv, bei endothermen Reaktionen negativ.

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