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Atomphysik: Grundlagen, Atomhülle, Atomkern ; ein Arbeitsbuch für Studium und Unterricht

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Bibliographic Details
Main Author:	Graewe, Herbert (Author)
Format:	Book
Language:	German
Published:	Bonn ; München u.a. Dümmler 1963
Edition:	2., überarb. und erw. Aufl.
Series:	Dümmlerbuch 4131
Subjects:	Atoms Molecules Nuclear physics Atomphysik Kernphysik Einführung Lehrbuch
Online Access:	Inhaltsverzeichnis
Physical Description:	416 S. Ill., graph. Darst.

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adam_text	ATOMPHYSIK GRUNDLAGEN • ATOMH Ü LLE • ATOMKERN Ein Arbeitsbuch für Studium und Unterricht Von Dr HERBERTGRAEWE Zweite, überarbeitete und erweiterte Auflage Mit 82 Abbildungen FERD5 Ü MMLERSVERLAG-BONN HANNOVER • HAMBURG • KIEL • M Ü NCHEN Dütnmlerbuch 4131 Inhalt Seite Vorwort 5 A Grundlagen der Atomphysik 17 I Der molekulare Aufbau der Materie 17 § 1 Die Teilbarkeit der Materie (Veranschaulii hung kleiner Größen) 17 § 2 Moleküle 19 § 3 Lösen und Verdampfen 19 § 4 Die Zahl der Moleküle 20 a) Die LoscHMiDTsche Zahl für die Raumeinheit eines Gases 20 b) Die LoscHMiDTsche Zahl für 1 Mol eine-; Stoffes 20 § 5 Die Masse der Moleküle 21 § 6 Moleküle und Atome 21 § 7 Die Realität der Atome 22 § 8 Veranschaulichung der Größenverhältnisse von Atomen und Molekülen sowie ihrer Raumerfüllung • 22 II Molekülabstände und Molekularkräfte 25 t § 9 Die Abstände zwischen den Molekülen 25 § 10 Mittlere freie Weglänge und Stoßzahl 25 §11 Reichweite der Molekularkräfte - 26 III Das periodische System der Elemente und das Atommodell 27 §12 Absolute und relative Atomgewichte 27 § 13 Die Ordnung der Elemente nach ihren phvsikalisch-chemisclien Eigen schaften 27 §14 Das Atommodell 29 a) Grundlegende Untersuchungen 29 b) Das Atommodell von RUTHERFORD (1911) 30 c) Das Atommodell von BOHR (1913) 31 d) Veranschaulichung der Größenverhältn isse 31 §15 Kernladung und Schalenaufbau 32 a) Ordnungszahl und Kernladungszahl 32 b) Perioden und Schalenaufbau der Elekti onenhül le 33 § 16 Ionen, Elektronenpaare und Edelgaskonfiguration 35 a) Ionen und Ionenbindung 35 b) Elektronenpaare und Atombindung 36 Inhalt 9 §17 Wertigkeit (Valenz) 38 §18 Isotope, isobare und isomere Atome 39 IV Die Elementarteilchen und die Äquivalenz von Masse und Energie 40 § 19 Das Elektron als Träger einer negativen 1 lementarladung 41 ä) Kathodenstrahlen 41 b) Die elektrische Elementarladung 41 c) Die spezifische Ladung qjm 42 d) Die Masse des Elektrons 44 e) Das Massen Verhältnis des Elektrons und Wasserstoff atoms 44 f) Abhängigkeit der Elektronenmasse von ihrer Geschwindigkeit 45 g) Äquivalenz von Masse und Energie 46 h) Die atomare Energieeinheit „Elektroneuvolt und ihr Massenäquiva lent 47 §20 Das Positron als Antielektron (DIRAC 192i , ANDERSON 1932) 51 a) Positronen in der Sekundärstrahlung der kosmischen Strahlung (Hö henstrahlung) 51 b) Positronenerzeugung durch andere energiereiche Strahlen 51 c) Positronenstrahlung künstlich radioaki iver Stoffe 52 d) Lebensdauer der Positronen 52 §21 Das Proton als Kern des WasserstofFate ms (MARSDEN 1914) und das das Antiproton (1955) 52 a) Protonen in Wasserstoffkanalstrahlen 52 b) Protonen durch Beschuß wasserstoffhall iger Substanzen mitoe-Strahlen 54 c) Protonen aus Stickstoffkernen 54 d) Protonen als Kerngeschosse 54 e) Das Antiproton 54 § 22 Das Neutron als „Element der Kernladung Null (CHADWICK 1932) und Antineutron (1956) 55 a) Entstehung von Neutronen beim Aufi reffen von «-Teilchen auf be stimmte Atomkerne 55 b) Nachweis von Neutronen 56 c) Wirkung von Neutronenstrahlen auf den menschlichen Körper 57 d) Die Masse des Neutrons 57 e) Das Antineutron 57 §23 Das Nukleon als Urbaustein der Atomkerne (HEISENBERG 1932/35) und das Antiatom , 60 a) Das Nukleon-Elektron-Atom 60 b) Das Antinukleon-Positron-Atom 61 §24 Mesonen Hyperonen Neutrino und Anl ineutrino 61 a) Die Mesonen als Elementarteilchen v n mittlerer Masse 61 b) Die Hyperonen als Elementarteilchen mit größerer als Nukleonen- masse 65 c) Neutrino und Antineutrino als „Nulli:eilchen (PAULI; FERMI 1934) 67 §25 Die einfachsten zusammengesetzten Teilchen und der Aufbau ihrer Atomkerne 69 a) Das Deuteron und Triton als Kerne d is schweren und überschweren Wasserstoffs 69 b) Das Alphateilchen und Alphinateilchen als Kerne des gewöhnlichen und leichten Heliums 73 § 26 Zusammenfassende Ubersicht über die Elementarteilchen 75 10 Inhalt V Die Dualität zwischen Wellen und Korpuskeln- 77 § 27 Photoeffekt und Lichtquanten 77 a) Der lichtelektrische oder Photoeffekt (1 [ERTZ 1887, HALLWACHS 1888, LENARD 1899) 77 b) Die PLANCKSche Theorie der Energiequanten (1900) und ihre Er weiterung durch EINSTEIN (1905) 79 c) Die EiNSTEiNsche Erklärung des lichtelektrischen Effekts 81 d) Veranschaulichung der Unterschiede /wischen klassischer und Quan tenphysik • 83 § 28 Masse, Energie und Impuls der Photonei i 84 §29 Der COMPTON-Effekt (1923) 87 § 30 Die Doppelnatur der Strahlungsquanten 89 §31 Das Doppelbild von Welle und Teilchen bei bewegter Materie (DE BROGLIE-Wellen) 89 a) Die Welleneigenschaften der Elektronenstrahlen (DAVISSON und GERMER 1927) 91 b) Die Welleneigenschaften von Neutronen- und Atomstrahlen 92 c) Die Wellenlänge der Materiestrahlen (DE BROGLIE-Wellenlänge) 93 § 32 DE BROGLiE-Wellen in der Atomhülle 97 §33 Klassische Mechanik und Wellenmechaink 98 §34 Die Unbestimmtheitsrelation von HEISENBERG 100 a) Unbestimmtheitsrelation und Wahrsc) leinlichkeitsverteilung der Elek tronen in der Atomhülle 100 b) Das Rechnen mit Unscharfen und dir Komplementarität 101 c) Unschärfebeziehungen in der Elektro uenhülle des Atoms 102 VI Materialisation und Zerstrahlung 104 §35 Umwandlung von Strahlung in Materie ( ANDERSON 1932; BLACKETT und OC ?HIALINI 1933) • 104 a) Der Vorgang der Elektronenpaar-Erzeugung 104 b) Der Energieumsatz bei dei Elektroneupaar-Erzeugung 105 c) Die Erhaltung des Impulses bei der I lildung des Elektronenzwillings 106 § 36 Umwandlung von Materie in Strahlung (HEITING 1933 KLEMPERER 1934) 107 a) Der Vorgang der Zerstrahlung („Vernichtungsstrahlung) 107 b) Der Massenumsatz bei der Zerstrahlung 107 c) Die Erhaltung des Impulses bei der Zerstrahlung 108 d) Gegenüberstellung von Materialisation (Paar-Erzeugung) und Zer strahlung (Paar-Vernichtüng) 108 §37 Die Bildung von Schauern durch kosmische Strahlung 109 B Atomhülle und Linienspektren 113 VII Linienspektren im Bereich des sichtbaren Lichts und unmittel bar angrenzender Gebiete („optische Spektren) 113 §38 Die verschiedenen Arten von Spektren 113 §39 Gequantelte Energiestufen in der Atomhülle 114 a) Grund-und Oberschwingung als sta i ionäre Zustände 114 b) Anregung des Atoms durch Energie?, ufuhr 1 115 Inhalt 11 § 40 Quantensprünge von einem höheren in einen niederen angeregten Zu stand oder in den Grundzustand 118 a) Entstehung von Linienspektren 118 b) Das „Leuchtelektron 121 c) Ionenspektren („Funkenspektren) 121 §41 Berechnung des Niveauschemas für das Wasserstoffatom 122 a) Die Radien der BoHRschen Kreise 122 b) Die Bahngeschwindigkeit des Elektrons 124 c) Die Energie des Elektrons auf der rc-ten Bahn 125 d) Beziehung zwischen Energie und Frequenz 128 e) Entstehung kontinuierlicher Spektren 131 § 42 Verbesserte Atommodelle und Folgerungen aus der Modellvorstellung 131 a) Das BoHR-SoMMERFELDsche Atommodell mit mitbewegtem Kern 131 b) Das SoMMERFELDsche Atom mit elliptischen Bahnen (1915/16) 132 c) Atommodell und Quantenmechanik 134 d) Das BoHRsche Korrespondenzprinzip 134 VIII Linienspektren im Bereich hoher Frequenzen („Röntgenspek tren) 135 §43 Entstehung von Röntgenspektren 135 § 44 Die charakteristische Röntgenstrahlung ! 137 §45 Die Quantensprünge bei Röntgenspektri n 141 a) Einfaches Niveauschema 141 b) Anregungsspannungen und aufgespaltenes Niveauschema 142 IX Verteilung und Eigenschaften der Elektronen in der Atomhülle 145 § 46 Die Quantenzahlen n, l, s und j 145 1 Die Hauptquantenzahl n 145 2 £)ie Nebenquäntenzahl l bzw £ 146 3 Die Spinquantenzahl J bzw © 147 4 Die innere Quantenzahl j bzw Q- 148 §47 Drehimpuls, magnetisches Moment und magnetische Quantenzahlen 149 a) BoHRsches Magneton und Kernmag)leton 149 b) Die magnetischen Quantenzahlen m/ und ms 150 § 48 Die möglichen Elektronenzustände in der Atomhülle 152 §49 Die Reihenfolge des Hüllenaufbaus 157 §50 Aufbau der Perioden • 159 C Aufbau und Umwandlung der Atomkerne 162 X Nachweis von schnellen Einzelteilche n 162 §51 Szintillationszähler, Kristallzähler, Cerenkov-Zähler, Kernspurplatten, Nebel- und Blasenkammer - 162 a) Der Szintillationszähler (KALLMANN 1947) 162 b) Der Kristallzähler 163 c) Der Cerenkov-Zähler 164 d) Das photographische Verfahren (KI JOSIIITA 1909, REINGANUM 1911 ua) 165 12 Inhalt e) Die Expansions-Nebelkammer von WILSON (1912) 166 f) Die Diffusions-Nebelkammer von LANGSDORF (1936) 167 g) Die Blasenkammer von GLASER (1952 i 169 §52 Elektrische Zähler (RUTHERFORD und Gl CGER 1908) 170 a) Der Funkenzähler nach GREINACHER 170 b) Die Ionisationskammer 170 c) Der GEiGERSche Spitzenzähler (1913) 172 d) Das Zählrohr von GEIGER und MÜLLER (1928) 173 XI Methoden zur Erzeugung schneller Einzelteilchen 176 §53 Natürliche «-Strahlen 176 § 54 Künstliche Teilchenbeschleunigung durch sehr hohe Gleichspannungen 176 a) Stoßgeneratoren 176 b) Der „Kaskadengenerator nach GREINACHER (1920) 177 c) Der Bandgenerator nach VAN DE GRA ÄFF (1931) 178 § 55 Vielfachbeschleunigung 179 a) Der geradlinige Beschleuniger, kurz als Linac (= linear accelerator) bezeichnet (WIDERÖE 1928) 179 b) Das Zyklotron (LAWRENCE und LIVINGSTONE 1930/32) 181 c) Das Synchro-Zyklotron 186 §56 Wirbelbeschleunigung 188 a) Das Betatron oder die „Elektronenschleuder (WIDERÖE 1928, STEEN- BECK 1935, KERST 1940/41) 188 b) Das Synchro-Betatron oder Elektronen-Synchrotron 191 c) Das Protonen-Synchrotron (Bevatron Cosmotron, Phasotron) 192 d) Das AG-Synchrotron (Synchrotron mit alternierendem Gradienten) 194 XII Der radioaktive Zerfall und der Aufbau der Atomkerne , 196 §57 Natürliche und künstliche Radioaktiv ität und ihre Maßeinheiten (BECQUEREL 1896, MARIE und PIERRE CURIE 1898 - IRENE CURIE und JOLIOT 1934) 196 a) Die Radioaktivität und die radioakth en Stoffe 196 b) Die Einheit der Zerfallsrate 196 c) Die Einheit der Ionendosis 197 §58 Die radioaktiven Strahlenarten 198 a) Die «-Strahlen (He + +-Strahlen) 199 b) Die Elektronenstrahlen (ß~•-Strahlen 199 ^ c) Die Positronenstrahlen (ß+-Strahlen) 200 d) Die y-Strahlen 200 e) Nicht beobachtete Teilchen beim natürlichen radioaktiven Zerfall 201 §•59 Kernumwandlungen beim radioaktiven Zerfall 201 §60 Die Entstehung isobarer Atomkerne 204 §61 Die Entstehung isotoper Atomkerne 205 § 62 Natürliche radioaktive Zerfallsreihen 209 §63 Das Zerfallsgesetz 211 §64 Isomere Atomkerne 215 § 65 Reichweite und Geschwindigkeit von x- eilchen und ihre Beziehung zur Zerfallskonstanten 216 a) Reichweite und Zerfallsenergie der natürlichen a-Teilchen 216 b) Die GEiGER-NüTTALLSche Beziehung der «-Strahlung 217 Inhalt 13 § 66 Das GAMOwsche Kernmodell und die a-Sirahlung 218 §67 /S-Zerfall und Neutrino-Hypothese 220 § 68 Die if-Strahlung (inverse /^-Umwandlung) 223 §69 Die y-Strahlung und das Termschema der Atomkerne 223 §70 Zusammenfassende Übersicht über die 5 v ichtigsten Typen radioaktiver Kernumwandlungen 226 § 71 Über Kerne und Kernkräfte 226 a) Vergleichende Ubersicht über Atomhülle und Atomkern 226 b) Reichweite der Kernkräfte 226 c) Die Kernkräfte als Austauschkräfte 227 d) Die Absättigung der Kernkräfte 228 e) Die Stabilität der Atomkerne (nach HEISENBERG) „Magische Zahlen 228 f) Atomkerne mit gerader und ungerader Massenzahl 230 g) Isobare Kerne und stabile Isotope 231 h) Der Neutronenüberschuß in schweren Atomkernen 231 i) Der Kernspin 233 k) Magnetisches Moment und elektrische-; Quadrupolmoment des Atom kerns 233 1) Die räumliche Struktur der Kernteilclien 234 m) Die Parität und die Paritätsverletzuni; 234 n) Zusammenfassende Übersicht über die Kerneigenschaften 236 XIII Künstliche Kernumwandlungen : 237 § 72 Kernumwandlungen durch Beschuß mit «-Teilchen 237 a) Die erste Elementumwandlung durch RUTHERFORD(1919)237 b) Weitere Umwandlungen durcha-Teil hen (Entdeckung des Neutrons) 239 c) Instabile Umwandlungsprodukte dun h ( x, n)-Reaktionen 239 d) Kernumwandlungen mit künstlich beschleunigten a-Teilchen 240 e) Kernreaktionen vom Typ (a, d) oder («, pri) 241 f) ybersicht über die einfachsten Umw;indlungstypen bei a-Beschuß 241 § 73 Kernumwandlungen durch Protonenbes huß 243 a) Die erste Umwandlung eines Atomkerns durch künstlich beschleu nigte geladene Teilchen 243 b) ÜbersichtüberdieeinfachstenUmwan 1 lungstypenbeiProtonenbeschuß 244 § 74 Kernumwandlungen durch Deuteronenbeschuß 246 §75 Kernumwandlungen durch Neutronenbejehuß 248 a) Neutronenquellen 248 b) Reaktionstypen bei Neutronenbeschu ! 249 c) Besonderheiten bei Kernumwandluns;en mit Neutronen 250 § 76 Kernumwandlungen durch y-Quanten 253 a)- Anregung des Atomkerns 253 b) Umwandlungstypen bei y-Bestrahlung 253 c) Kernphotoeffekt und Photoneutronen, Photoprotonen (usw ) 255 § 77 Kernumwandlung und Streuung 256 § 78 Umwandlungen mit Aussendung mehrerer Teilchen und weitere Beson derheiten 258 a) Mehrfachprozesse 258 1 Bekannte Reaktionstypen mit Neu tronenemission 259 2 Bekannte Reaktionstypen mit Proionenemission 259 3 Bekannte Reaktionstypen mit gleichzeitiger Protonen- und Neu tronenemission ^ 259 Inhalt 4 Bekannte Reaktionstypen mit Alphateilchen:Emission in Verbin- , dung mit Protonen- oder Neutroneuemission 259 b) Reaktionen mit Elektronen 263 c) Reaktionen mit Tri tonen 264 1 Tritonen als Kerngeschosse 264 2 Tritonen als emittierte Teilchen 265 d) Reaktionen mit schwereren Kerngescl i ossen 265 e) Spallation (Kernsplitterung) 267 £) Kernspaltung 267 § 79 Zerlegung von Kernen durch Kernreakti* nen 269 §80 Zusammenfassende Ubersicht über die einfachsten Kernumwandlungen 270 §81 Gold aus Quecksilber oder Quecksilber aus Gold? 271 a) Gold aus Quecksilber 271 b) Quecksilber aus Gold 272 § 82 Die Elemente 43, 61, 85 und 87 273 1 Technetium Tc (Element 43) 273 2 Promethium Pm (Element 61) 275 3 Astatin At (Element 85) 276 4 Francium Fr (Element 87) 278 §83 Die Transurane (Elemente 93 bis 103) 279 1 Neptunium Np (Element 93) 279 2 Plutonium Pu (Element 94) 281 3 - Americium Am (Element 95) 283 4 Curium Cm (Element 96) 284 5 Berkelium Bk (Element 97) und Californium Cf (Element 98) 286 6 Einsteinium Es (Element 99) und Fermium Fm (Element 100) 287 7 Mendelevium Md (Element 101) und Nobelium No (Element 102) 289 8 Lawrencium Lw (Element 103) 291 9 Graphische Darstellung der Entstehung und des Zerfalls einiger Tran surane 291 10 IJie Neptunium-Zerfallsreihe 293 § 84 Die Ausbeute bei Kernumwandlungen 294 a) Angabe der durchschnittlichen Teilch :nzahl 294 b) Angabe des Wirkungsquerschnitts 296 § 85 Energietönung bei Kernreaktionen : 300 ä) Bestimmung der Teilchenenergie , 300 b) Exotherme und endotherme Reaktioni n 300 § 86 Massendefekt und Bindungsenergie 302 a) Der Massenverlust beim Einbau von Nukleonen in den Atomkern 302 b) Die Einheitlichkeit der Kernmaterie 304 c) Energie-Masse-Bilanz bei Kernumwandlungen 305 d) Zusammenfassung 306 t § 87 Isotopentrennung 307 a) Durch Elektrolyse nach UREY u WASHBURN (1932) 307 b) Durch Diffusion nach G HERTZ (1932) 307 c) Durch Thermodiffusion nach CLUSIUS und DICKEL (1938) 307 d) Mit dem AsTONschen Massenspektrographen (1919) 308 e) Durch Trenndüsen nach BECKER (1957) 309 f) Durch Gaszentrifugen nach BEAMS 309 g) Chemische Trennverfahren nach UREY 310 §88 Anwendungen künstlich radioaktiver Isotope (Tracer-Technik) 310 a) Technische Anwendungen 311 Inhalt 15 b) Physikalisch-chemische Anwendungen • ; 312 c) Biologisch-biochemische Anwendungi n 313 d) Medizinische Anwendungen in Diagnose und Therapie 315 e) Altersbestimmung organischer Stoffe 316 f) Erzeugungsmethoden der wichtigsten radioaktiven Isotope für Indi katorzwecke 317 XIV Kernzertrümmerung, Kernspaltung und Atomenergie 319 §89 Kernzertrümmerung durch extreme Erhitzung (nach HEISENBERG) 319 § 90 Kernspaltung (OTTO HAHN, FRITZ STRAJSMANN Dezember 1938) 320 a) Das Zerbrechen schwerster Atomkerne durch Kernschwingungen 320 b) Beispiele für Kernspaltungen 323 c) Spontane Kernspaltungen (BOHR und YVHEELER, 1939) 325 d) Die Energietönung der Kernspaltung 326 §91 Kettenreaktion, Atombombe und Kernreaktor 327 a) Lawinenartiges Anwachsen der Kernspaltungen bei Uran 235 und Plutonium 239 durch Neutronenvermehrung 327 b) Ausnutzung der Spaltungsenergie in der Uran- bzw Plutonium- Bombe (A-Bombe) 329 c) Erzeugung des Kernsprengstoffs U 2:15, Pu 239 und U 233 330 d) Die H-Bombe 331 e) Vergleich der Atomenergie mit der chemischen Reaktionsenergie 331 f) Gelenkte Kettenreaktion im Kernreaktor als technische Energiequelle (FERMI, Dezember 1942) • 334 § 92 Der Energiehaushalt der Fixsterne und «las Alter der Welt 340 a) Atomenergie als Energiequelle der Fixsterne 340 b) Gedanken zum Alter der Welt Ausblick 342 Isotopentabelle (mit Angaben über 275 stabile und 1264 instabile Isotope) 344 Die chemischen Atomgewichte der natürlichen Elemente mit 12G -= 12,0000 als neuer Atomjfewichtsbasis 391 Schrifttumsverzeichnis 392 Sachverzeichnis 399
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