Angewandte Kernphysik

Die Grundlage der Verwendung von Atomkernen als Uhren basiert auf dem Phänomen des radioaktiven Zerfalls von angeregten (d.h. nicht im Grundzustand mit tiefster Energie befindlichen) Nukliden, womit alle durch feste Protonenzahl Z und Neutronenzahl N gekennzeichnete Kernsysteme bezeichnet werden.. Dabei schwindet die Zahl N der zerfallsbereiten Kerne in einem Ensemble nach dem radioaktiven Zerfallsgesetz wo N(0) die Anzahl der angeregten Kerne in einer Probe zur Zeit t = 0 und τ die mittlere Lebensdauer des Zerfallsmodus ist. Kennt man N(0), so ist durch Messung von N(t) die seit t = 0 verflossene Zeit im Prinzip einfach bestimmt als Der große Vorteil bei der Verwendung nuklearer Systeme besteht nun darin, daß

Bei der Verwendung von Nukliden als Sonden bleibt die untersuchte Probe praktisch unverändert, da nur ein so kleiner Teil der Probenatome mit den Sondenteilchen wechselwirkt, daß die unvermeidlich verursachten Schäden in der Probe, obwohl sie lokal sehr groß sein können, für den gesamten Probekörper völlig vernachlässigbar sind. Das Ziel ist also, ein Bild vom inneren Aufbau der Probe zu gewinnen, ohne sie im Gesamten zu verändern oder gar zerstören zu müssen. Dabei wird das Sondenteilchen durch seine Wechselwirkung mit den Probenatomen deren Art und Verteilung im Inneren der Probe signalisieren. Wir müssen deshalb zunächst auf diese Wechselwirkung zwischen Sonde und Probenatom eingehen.

In diesem Kapitel werden wir eine Übersicht über die Möglichkeiten und Realisierungen geben, wie Strahlung aus Teilchenbeschleunigern verwendet werden kann, um Proben dauerhaft zu verändern. Das kann die Abtragung von Teilen eines Werkstücks sein oder aber die Veränderung der Proben, bis zum Auftreten völlig neuer physikalischer Eigenschaften, d.h. die Erzeugung neuer Materialien. Wir müssen also zunächst verstehen, unter welchen Umständen permanente Änderungen beim Teilchendurchgang geschehen. (Die bisherigen Änderungen waren alle temporär oder permanent auf so kleinem lokalem Maßstab, daß die integralen Probeneigenschaften unverändert blieben).

Die Kernspaltung als Quelle kontrollierter oder unkontrollierter Nuklearenergie in der Form von Reaktoren bzw. Bomben ist dem Bewußtsein der breiten Öffentlichkeit als einzige Anwendung der Kernphysik geläufig. Wir haben bereits in den bisherigen Kapiteln gesehen, wie falsch dies ist. Zudem ist die der Nuklearenergie zugrunde liegende Physik der Kernspaltung schon vergleichweise „alt“, da sie sich seit etwa 1950 nicht mehr wesentlich verändert hat, obwohl die Technologie der Reaktoren in den folgenden Jahrzehnten ständig verbessert wurde und die Militärtechnologie der Bombenentwicklung sogar ein wesentlicher Grund für die umfangreiche Förderung war, die die Kernphysik in der Zeit des kalten Krieges erfahren hat. Im Gegensatz dazu hat die physikalische Grundlagenforschung die Atomkerne von Anbeginn als einzigartiges quantenmechanisches System endlich vieler Teilchen mit großer Dichte und starker Wechselwirkung untersucht und tut dies heute noch. Dabei hat sie eine reiche Ernte von fundamentalen Erkenntnissen erbracht, deren technologische Anwendungsmöglichkeit generell bisher nicht erkennbar ist, deren erkenntnistheoretischer Gewinn aber sehr schwer wiegt und weit über die Kernphysik hinausreicht. Insofern hat die kernphysikalische Grundlagenforschung auch gegenwärtig große „Anwendungsrelevanz“, allerdings in einem Sinne, der in dieser Darstellung von sekundärer Bedeutung bleiben muß.