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.
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 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 -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 -Zerfalls 163
10.1 Modell des -Teilchens im Potential des Restkerns 163
10.2 Ergänzende Bemerkungen zum -Zerfall 165
10.3 Übungsaufgaben 167
11 Der -Zerfall 169
11.1 Das -Spektrum 169
11.2 Fermis Theorie des -Zerfalls 171
11.3 Der experimentelle Nachweis des Neutrinos 176
11.4 Die Neutrinomassen 177
11.5 Die schwache Wechselwirkung 180
11.6 -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-Distribution (Diracsche-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 Bornschen Näherungen 439
Anhang G Feynman-Diagramme 443
Literaturverzeichnis 447
Personenverzeichnis 459
Sachverzeichnis 467
