Grenzenlose Chemie
Teilchenbeschleuniger
Ein Teilchenbeschleuniger ist ein Gerät, das elektromagnetische Felder nutzt, um geladene Teilchen in wohldefinierten Strahlen auf hohe Geschwindigkeiten zu bringen.
Lernziele
Vorhersage des Kerntransmutationsprodukts, das mit einem Teilchenbeschleuniger erzeugt wird
Key Takeaways
Key Points
- Teilchenbeschleuniger werden seit jeher eingesetzt, um Atome oder Teilchen zusammenzuschlagen, oft um eine Kerntransmutation, d.h. die Umwandlung eines Elements in ein anderes, zu bewirken.
- Der Begriff Transmutation geht auf die Alchemie zurück.
- Es gibt zwei grundlegende Klassen von Beschleunigern: elektrostatische und Schwingungsfeldbeschleuniger.
Schlüsselbegriffe
- Transmutation: Die Umwandlung eines Elements in ein anderes durch eine Kernreaktion.
- Alchemie: Die antike Suche nach einem universellen Allheilmittel und nach dem Stein der Weisen. Das Verfahren entwickelte sich schließlich zur Chemie.
- Subatomare Teilchen: Eine von vielen Materieeinheiten, die kleiner als ein Atom sind.
Ein Teilchenbeschleuniger ist ein Gerät, das elektromagnetische Felder nutzt, um geladene Teilchen auf hohe Geschwindigkeiten zu bringen und sie in genau definierten Strahlen zu bündeln. Während sich die heutigen Teilchenbeschleuniger darauf konzentrieren, subatomare Teilchen zusammenzuschlagen, haben frühere Teilchenbeschleuniger ganze Atome zusammengeschlagen, um eine Kernfusion und damit eine Kerntransmutation zu bewirken.
Kerntransmutation ist die Umwandlung eines chemischen Elements oder Isotops in ein anderes. Mit anderen Worten: Atome eines Elements können durch Transmutation in Atome eines anderen Elements umgewandelt werden. Dies geschieht entweder durch Kernreaktionen, bei denen ein äußeres Teilchen mit einem Kern reagiert, das von einem Teilchenbeschleuniger geliefert werden kann, oder durch radioaktiven Zerfall, bei dem kein äußeres Teilchen benötigt wird.
Geschichte der nuklearen Transmutation
Der Begriff Transmutation geht auf die Alchemie zurück. Die Alchemisten waren auf der Suche nach dem Stein der Weisen, mit dem sich unedle Metalle in Gold verwandeln lassen. Die Unmöglichkeit der metallischen Transmutation war seit dem Mittelalter unter Alchemisten, Philosophen und Wissenschaftlern umstritten. Im 18. Jahrhundert ersetzte Antoine Lavoisier die alchemistische Theorie der Elemente durch die moderne Theorie der chemischen Elemente, und später entwickelte John Dalton den Begriff der Atome weiter, um verschiedene chemische Prozesse zu erklären. Der Zerfall von Atomen ist ein eigenständiger Prozess, der viel größere Energien erfordert, als die Alchemisten erreichen konnten.
Die nukleare Transmutation wurde erstmals von Frederick Soddy bewusst in der modernen Physik angewandt, als er zusammen mit Ernest Rutherford im Jahr 1901 entdeckte, dass sich radioaktives Thorium in Radium umwandelt. Im Moment der Erkenntnis, so erinnerte sich Soddy später, rief er aus: „Rutherford, das ist Transmutation!“ Rutherford erwiderte: „Um Himmels willen, Soddy, nennen Sie es nicht Transmutation. Sie werden uns als Alchemisten enthaupten.“
Teilchenbeschleuniger
Es gibt zwei grundlegende Klassen von Beschleunigern: elektrostatische und Schwingungsfeldbeschleuniger. Elektrostatische Beschleuniger verwenden statische elektrische Felder, um Teilchen zu beschleunigen. Ein kleines Beispiel für diese Klasse ist die Kathodenstrahlröhre in einem gewöhnlichen, alten Fernsehgerät. Weitere Beispiele sind der Cockcroft-Walton-Generator und der Van-de-Graaf-Generator. Die erreichbare kinetische Energie der Teilchen in diesen Geräten ist durch den elektrischen Zusammenbruch begrenzt. Schwingungsfeldbeschleuniger hingegen nutzen hochfrequente elektromagnetische Felder, um das Durchschlagsproblem zu umgehen. Diese Klasse, deren Entwicklung in den 1920er Jahren begann, ist die Grundlage für alle modernen Beschleunigerkonzepte und Großanlagen. Rolf Widerøe, Gustav Ising, Leó Szilárd, Donald Kerst und Ernest Lawrence gelten als Pioniere auf diesem Gebiet, da sie den ersten betriebsbereiten linearen Teilchenbeschleuniger, das Betatron und das Zyklotron konzipierten und bauten.
Da Kollider Aufschluss über die Struktur der subatomaren Welt geben können, wurden Beschleuniger im 20. Jahrhundert gemeinhin als Atomzertrümmerer bezeichnet. Trotz der Tatsache, dass die meisten Beschleuniger (mit Ausnahme von Ionenanlagen) tatsächlich subatomare Teilchen vorantreiben, bleibt der Begriff im allgemeinen Sprachgebrauch erhalten, wenn es um Teilchenbeschleuniger im Allgemeinen geht.
Fermi National Accelerator Laboratory: Luftaufnahme des Tevatron am Fermilab, das einer Acht ähnelt. Der Hauptbeschleuniger ist der obere Ring; der untere (der trotz des Aussehens etwa den halben Durchmesser hat) dient der Vorbeschleunigung, der Strahlkühlung und -lagerung usw.
Die Vorhersage der Transmutationsprodukte ist wie die Vorhersage der Produkte des radioaktiven Zerfalls. Es ist wichtig sicherzustellen, dass die Gesamt-Atommasse und die Ordnungszahlen auf beiden Seiten der Gleichung gleich bleiben.