Kernphysik

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Bei den bisher besprochenen Kernprozessen sind immer nur stabile Kerne, so wie wir sie in Tabelle I angegeben finden, entstanden. Am Anfang des vergangenen Jahres 1934 hat das Ehepaar Joliot-Curie zum erstenmal eine Kernreaktion entdeckt, bei der ein unstabiles, radioaktives Element gebildet wird. Bestrahlt man Aluminium mit α-Strahlen, dann können neben Protonen noch Neutronen und Positronen nachgewiesen werden. Daß Protonen entstehen, ist leicht verständlich, offenbar findet der folgende Prozeß statt:



wobei ein schon früher beobachtetes stabiles Si-Isotop entsteht. Versucht man in ähnlicher Weise eine Gleichung für eine Umwandlung, bei der ein Neutron entsteht, aufzustellen, so wird man auf die Reaktion



geführt. Es muß dann ein Element mit der Kernladungszahl 15, d.h. Phosphor, entstehen, aber dieser Phosphor kann nicht das chemische Atomgewicht 31, sondern muß nur das Gewicht 30 besitzen. Ein solches Isotop von Phosphor hat man, wie es aus Tabelle I hervorgeht, bisher nicht finden können, es ist einzig nur Phosphor mit dem Atomgewicht 31 bekannt. Man kann sich nun aber vorstellen, daß der neue Phosphor ³⁰₁₅P selber zerfällt unter Aussendung eines Positrons. Dann entsteht nach der Gleichung



da die Positronenmasse in der Näherung der Gleichung vernachlässigbar klein ist, wieder das Silicium ³⁰₁₄Si, von dem wir schon oben sahen, daß es als stabiler Kern existenzfähig ist. In

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dieser Weise hätte man sowohl das Auftreten von Protonen, wie das von Neutronen und Positronen erklärt.

Es ist manchmal nützlich, sich die Kernreaktionen durch eine graphische Darstellung zu veranschaulichen. Zu diesem Zwecke kann man die Elemente als Punkte in ein Koordinatensystem eintragen, in welchem in horizontaler Richtung die im Kern enthaltene Zahl der Protonen und in vertikaler Richtung die damit verbundene Zahl der Neutronen aufgetragen ist. Einen kleinen Ausschnitt aus einer solchen Darstellung zeigt Fig. 5, in welcher

Figur 5
Umwandlungen von Aluminium bei Bestrahlung mit α-Strahlen.

die schwarzen Kreise bekannte und stabile Elemente darstellen. Da es nur ein Aluminium-Isotop gibt, ist über der Abszisse 13 in der Höhe 14 der entsprechende schwarze Kreis gezeichnet. Die Kernladungszahl, identisch mit der Protonenzahl, ist 13; das Atomgewicht ist 27, daher muß man den 13 Protonen noch 14 Neutronen hinzufügen. Ähnlich sind die 3 stabilen Silicium-Isotopen ²⁸₁₄Si, ²⁹₁₄Si und ³⁰₁₄Si als 3 schwarze Kreise über der Abszisse 14 eingetragen. Die Einfügung eines α-Teilchens in den Al-Kern würde nach einem Punkt führen, der 2 Einheiten

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mehr nach rechts und 2 Einheiten weiter nach oben liegt. Nun verliet aber der Kern bei der zuerst besprochenen Reaktion ein Proton, deshalb erreicht man schließlich einen Punkt, der um einen Schritt weiter nach links liegt. Diese Stelle aber ist durch einen schwarzen Kreis gekennzeichnet und entspricht dem stabilen ³⁰₁₄Si. Die zweite oben besprochene Reaktion führt vom Punkte mit den Koordinaten 15 und 16 nach einem um eine Einheit darunterliegenden Punkt, denn jetzt soll ein Neutron verloren werden. Der so erreichte Punkt ist nicht durch ein stabiles Element besetzt. Wenn es auftritt, so muß es wegen der Protonenzahl gleich 15 ein Phosphor mit dem Atomgewicht 15 + 15 = 30 sein. Dieses Element ist, da es unstabil sein muß, durch einen ungeschwärzten Kreis angedeutet. Der radioaktive Zerfall dieses Elementes geht unter Aussendung eines Positrons vor sich, was man als Verlust eines Protons und gleichzeitigen Gewinn eines Neutrons in der Figur deuten kann und wodurch man wieder an eine Stelle kommt, die mit einem stabilen Element (³⁰₁₄Si) besetzt ist.

Joliot-Curie haben nun erstens nachweisen können, daß mit α-Strahlen bestrahltes Aluminium nach Aufhören der Bestrahlung noch einige Zeit unter Aussendung von Positronen radioaktiv ist. Die Halbwertszeit beträgt 3¼ Minute. Zweitens konnten sie den chemischen Nachweis führen, daß die Radioaktivität verknüpft ist mit einem chemischen Element, das sich in seinen Reaktionen wie Phosphor verhält. So wird bei der raschen Auflösung des bestrahlten Aluminiums in Salzsäure die Radioaktivität vom entweichenden Wasserstoff, offenbar als Phosphorwasserstoff, mitgeführt.

Ähnlich wie Al verhält sich auch das Bor, von dem gezeigt werden konnte, daß die Kernreaktion nach den Gleichungen

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verläuft, denn es konnte der radioaktive Stickstoff, dessen Halbwertszeit 14 Min. beträgt, chemisch nachgewiesen werden. Dieser Nachweis war historisch der allererste, der ausgeführt wurde.

Nach Bekanntwerden der Versuche von Joliot-Curie wurde nicht nur von anderer Seite ihre Richtigkeit bestätigt und neue Fälle künstlicher Radioaktivität entdeckt, sondern es wurden auch in England und Amerika mit Hilfe von künstlich beschleunigten Protonen (¹₁H) und Deutonen (²₁H) einige radioaktiv zerfallende neue Elemente erzeugt.