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Physics

University, School

Gießen, August- Hermann-Franke Schule

Grade, Teacher, Year

Neuhof, 2012

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Die Festplatte Aufbau und Funktionsweise der Festplatte Ein Festplattenlauf­wer­k funktioniert im Prinzip wie ein Diskettenlaufwe­rk.­ In dem eine Diskette dauerhaft eingebaut ist: Ein Antriebsmotor bringt eine magnetisierbare Scheibe in Drehung, die Schreib-und Leseköpfe werden durch einen weiteren Motor in ihre Positionen gebracht. Eine Festplatte ist fest im Gehäuse eingebaut und hat den Vorteil dass sich so höhere Genauigkeiten bei der Justierung erreichen lassen. Der mechanische Aufbau einer Festplattensche­ibe­â€¦
Gymnasium St. Ursula Schuljahr 2011/12 Funktionsweise der Holografie und Anwendungsbeisp­iel­e Inhaltsverzeich­nis 1. Das Prinzip der Holografie 3 1.1. Licht als Welle 3 1.1.1    Interferenzen..­...­........­............ 1.1.2    Kohärenz.......­...­........­............ 1.1.3    Beugung........­...­........­............ 1.2       Fresnelsche Zonenplatte....­...­........­..........5 1.2.1    Aufnahme.......­...­........­............ 5 1.2.2    Rekonstruktion­...­........­............…

Gliederung:

       Kernfusion – Voraussetzungen

       Kernfusion im Weltraum

       Proton – Proton – Reaktion

       Bethe-Weizsäcker-Zyklus

       3-α-Prozess

       Kalte Fusion

       Kernfusion auf der Erde

       Deuterium – Tritium – Reaktion

       Stellarator vs. Tokamak

       Kernfusion – Fluch oder Segen?

Kernfusion - Voraussetzung

Proton:

Ist ein stabiles und positiv geladenes Teilchen und hat eine Ladung von +1.6 x10-19


Neutron:

Das Neutron ist neutrales Teilchen, welches nur teilweise stabil ist.

Als freies Neutron ist es instabil und zerfällt. (ca. 881,5 s)

Das Neutron schwerer und hat eine höhere Ruhemasse von 1,3 MeV wie das Proton

n -> p + + + e + 0.78 MeV

Damit ist das Neutron ein Betastrahler.

Neutronen unterliegen schwacher Wechselwirkungen.

Neutrinos

Sind kleine neutrale Elementarteilchen mit sehr kleiner Masse. Durchdringen nahezu jede Materie ohne Abgelenkt zu werden.

Bedeutet: Kleines Neutron.

Es gibt 3 Neutrino: Elektron, Myon und Tau, auch das Antiproton zählt dazu.


Massedefekt:

Ist der Unterschied zwischen der Summe alle Nukleonen eines Atomkerns und der tatsächlich gemessenen Masse des Atomkerns.

Nukleonen: Neutron und Proton

Die Bindungsenergie verringert die Ruheenergie der Nukleonen und somit wird ein Teil der Masse in Energie umgewandelt

EB = ∆m*c²

Delta M =(Masse Proton + Masse Neutron) – Masse Atom

Eine Maximale Fusion ist bist Nickel-62 bzw. Eisen 56 möglich, weil ab dann der Massendefekt wieder abnimmt.

Ein Optimum liegt bei ca. 60 Nukleonen.

Der Quotient aus Massendefekt und Nukleon zahl nennt man Packungsanteil.

Bsp:

Masse Proton = 1.007276 u / Masse Neutron = 1.008665 u / Masse Helium = 4.03188 u

Masse P + N = 4.00151 u => Massendefekt von 0.03037 u bzw. 0.76%

U 235 + 1N (236.053 u) => Ba 142 + Kr 92 + 2N (235.860 u) => Massendefekt von 0.193 u bzw. 0.08%


Plasma:

„Der vierte Aggregatzustand“ , entsteht nur bei einen hohen Temperatur.

Fest, flüssig, Gas

Die Kerne trennen sich von den Elektronen.

Elektronen und Kerne (Ion) sind getrennt.

Dadurch ist ein Plasma eklektisch leitend.


Coulombwall:

Ist das Potenzial gegen das ein positiv geladenes Teilchen ankämpfen muss um an den Atomkern zu erlangen.

Dieses Potential ist sehr groß, nahezu unendlich. Das Potential ist abhängig von der Ladung beider Träger. Rutherdorf entdeckte diese als erstes, bei seinen Versuchen mit Alphastrahlung. Die Alphastrahlung erklärt das Auftreten einer nahezu und endlichen Höhe mancher Atome.

Dieses beruht auf der Coulombkraft.

Zwischen zwei geladenen Teilchen, herrscht die Coulombkraft, diese muss erst überwunden werden bevor es zu einer Fusion kommen kann.

Die strake Wechselwirkung stellt dabei die Coulombkraft dar.

Coulombpotential:

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Funktionsweise der Kernfusion und der Kernkraftwerke
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A ist dabei der Abstand. Das Ergebnis ist in MeV.


Tunneleffekt:

Der Tunneleffekt ist ein quantenmechanischer Effekt, der es Teilchen erlaubt eine unüberwindbare Barriere zu überwinden.

Der Effekt nutzt die Energie-Zeit-Unschärferelation aus, kann aber dennoch nur kleine Distanzen überwinden.


Dazu borgt sich das Teilchen, welches die Barriere durchtunnelt, Energie von der Umgebung und überwindet den verbotenen Bereich.

Der Tunneleffekt ist einer der wichtigsten Effekte in der Physik. Es ist auch eher kein Tunnel. Es ist ein „schnipsen“.

Die unüberwindbare Barriere stellt der Coulombwall dar.

Dieser Effekt nutzt aus, dass es eine Energieunschärfe gibt. Energie ist daher nicht genau bestimmbar.

Teilchen die eine Barriere durchtunneln, nehmen sich Energie aus einem Verbotenen Raum, dies ist ein Widerspruch mit dem Energieerhaltungssatz. Da solche Teilchen Energie aus dem „nichts“ aufnehmen. Nach dem durchtunneln wird diese Energie wieder abgegeben.

Der Alphazerfall nutzt den Tunneleffekt z.B. Urankerne. (Halbwertszeit)

Der Tunneleffekt ist zu einer sehr geringen Wahrscheinlichkeit möglich.

Maxwell-Boltzmann-Verteilung, sie besagen das kaum ein Teilchen genug kinetische Energie hat um den Coulombwall zu überwinden und daher auf den Tunneleffekt zurückgreifen muss. Um eine permanente Kettenreaktion aufrecht zu halten


Kernfusion im Weltraum:

Proton – Proton – Reaktion:

Eine von zwei Arten des Wasserstoffbrennens.

4 Protonen reagieren zu einem Helium Kern, dabei wird 0,635 % der Masse in Energie Umgewandelt.

Kann ab 3 Millionen Kelvin stattfinden.

Braucht somit die niedrigste Energie

Nur bei jedem 1xStoß kommt es zu einer Fusion.

Ein durchschnittliches Proton hat eine Lebenszeit von 1.4x Jahren

Bei dieser Reaktion annihiliert ein mit einem zu zwei Gammaquanten und 1.022 MeV


Proton – Proton – Reaktion I: 91% auf der Sonne

Zwei He fusionieren zu einem 4He und zwei 1H, dabei wird Energie von 26.204 MeV frei.

Diese Reaktion tritt bei 10-14 Millionen Kelvin in der Sonne auf.


Proton – Proton – Reaktion II: 9%

Die Reaktion liefert 18,94 MeV und läuft bei einer Temperatur von 14-23 Millionen Kelvin ab.

Wobei hier das 4He als Katalysator fungiert.

Es entsteht dabei Beryllium, welches eine Halbwertzeit von 2.6 x10^-16 Sekunden


Proton – Proton – Reaktion III: 0.1%

Die Reaktion läuft bei einer Temperatur über 23 Millionen Kelvin ab, dabei liefert sie nur 1,73 MeV.

Dies sind eine der Energiereichsten Neutrinos die man kennt.

Es gibt noch die pep Reaktion, diese findet nur 1:1400 auf. Es reagieren 2P + 1E zu einem D + Neutrino

Die Hep, es reagiert ein He-3 + H zu einem He-4 + Neutrino und Positron


Bethe-Weizsäcker-Zyklus

Findet bei Temperaturen von 14-30 Millionen Kelvin statt und ist dabei sehr langsam.

Die Energiebilanz beträgt dabei 25.03 MeV.

Eine Form des Wasserstoffbrennens mithilfe von schweren Atomen wie Sauerstoff (O), Stickstoff (N) und Kohlenstoff (C).

Fängt bei dem C12 an. Die Sonne gewinnt dadurch nur 1.6% ihrer Energie.

Sehr langsam, einige Produkte wie O-15 haben eine Lebensdauer von 3.2x10^8 Jahre. Der N-15 z.b. nur 82 Sekunden.

Die zweite Variante des Wasserstoffbrennens.


3-α-Prozess

Es verbinden sich drei α-Teilchen zu einem Kohlenstoffatom.

Kommt aber erst dann zustande, wenn es kein Wasserstoff mehr gibt.

Dies geschieht bei einer Temperatur von über 100 Millionen Kelvin

Diese Art ist sehr unwahrscheinlich, da alle beteiligten Atome nahezu gleichzeitig aufeinander treffen müssten.

Ist ein sehr unwahrscheinlicher Prozess, da aufgrund der geringen Lebensdauer des Be und alle drei He kerne fast gleichzeitig fusionieren müssten.

3-α-prozess, weil 3 He Atome reagieren.

Beryllium-Barriere: Kohlenstoff nicht genug vorhanden. 1:1.000.000.000.


Exkurs: Die Nukleosynthese

Die Nukleosynthese beschreibt die Elemententstehung.

Entstehung der Elementarteilchen, Qurak-Gluon-Plasma

Kohlenstoffbrennen

C12+ He4 -> O16 + Gammastrahlung oder es entsteht MG, Na, NE

Sauerstoffbrennen

O16+ He4 -> Ne20 + Gamma bzw: Schwefel, SI, MG

Neonbrennen

Ne20 + He4 -> Mg + Gamma oder Ne

Siliciumbrennen

Si28 + Si28 -> Ni56 + Gamma

Ni56 zerfällt in Co56 + Positron und Neutrino, wo drauf das Co56 zu Fe56 +Positron + Neutrino zerfällt. Damit sieht man, das bei Fe Schluss ist.


Kalte Fusion:

Idee: Die Herstellung von Energie ohne ein Plasma

1989 behauptete 2 Wissenschaftler (Fleischmann und Pons) sie hätten es geschafft, doch dies war nicht der Fall. Viele sind sich sicher, dass die Kalte Fusion überhaupt nicht stattfinden kann.

Myonen-katalysierte Fusion:

Voraussetzung: Myonen sind schwerer wie Elektronen.

-> + + Vµ

Die Myonen ersetzen ein Elektron in dem DT Orbital, wobei das Orbital näher an den Atomkern rückt.

Dadurch verkürzt sich der Radius zwischen H und 2H um das 200 Fache

DµT -> + n + µ + 17,6 MeV

Problem: Dies klappt nur in 99.4% der Fälle, in den anderen 0.6% würde sich 5He bilden bzw. µ

Myonen haben eine Lebensdauer von 10^-9 Sekunden, somit könnten sie 2000 mal Fusionieren, aber auf Grund der 0.6% sind es nur 166.7 mal, somit wäre es auf der Erde nicht durchführbar. Die erzeugung eines Myons benötigt 3 GeV, das Myon produziert nur 2.9 GeV


Deuterium – Tritium –Reaktion:

Deuterium:

Schwerer Wasserstoff, besteht einem Proton, einem Neutron und einem Elektron.

Kommt in der Natur vor.

Kommt zu 0.015% in Wasser vor.

Tritium:

Superschwerer Wasserstoff, besteht aus zwei Neutronen, einem Proton und einem Elektron

Nicht direkt natürlich herstellbar und ist leicht Radioaktiv.

Es kann in der Stratosphäre gebildet werden. Durch ein Neutron der kosmischen Strahlung. Dann reagier ein Stickstoff mit einem Neutron zu einem Kohlenstoff und einem Tritium.

Halbwertszeit ist ca. 12.32 Jahre, in der Biosphäre sind so 3.5 Kg Tritium vorhanden.

Tritium zerfällt zu He3 + Positron + Neutrino


Wieso D-T Reaktionen?

Beide Stoffe sind leicht beschaffbar und Tritium ist kein Gammastrahler

Deuterium in Wasser und das Tritium in Form von Lithium in der Erdkruste.

Beste Energiebilanz

Es hat das Beste Verhältnis aus der Erde. Energie reinstecken und rausbekommen.

Massendefekt


Deuterium – Tritium Reaktion:

Ein 2H fusioniert mit einem 3H zu einem 4He, einem Neutron und 17.588 MeV

Die Reaktion braucht eine Temperatur von 15 Millionen Kelvin in einem Stern, auf der Erde wird dazu 100 Millionen Kelvin benötig.

Dies liegt an den Druckverschiedenheiten. In der Sonne kann mehr Druck aufgebaut werden, wie auf der Erde

Geringe Abstoßungskräfte

Es sind zwei sehr kleine Elemente und daher eine sehr geringe Abstoßungskraft.


Deuterium – Deuterium Reaktion:

2H + 2H -> n + 3He + 3.3 MeV

Isobare des Tritiums:

p + 3H -> 4He + γ + 19.8 MeV

3H + 3He -> p + 4He + 18.3 MeV

3H + 3H -> 2n + 4He + 11.3 MeV

3He + 3He -> 4He + 2p +13 MeV

Isobare: Gleiche Massenzahl, aber Unterschiedliche Nukleonenzahl.


Stellarator vs. Tokamak

Plasma kann aufgrund seiner Temperatur nicht in einem Gefäß aufbewahrt werden. Deshalb wird es in einem Magnetfeld eingeschlossen.

Würde das Plasma eine Wand berühren, würde es Sofort auskühlen.

Jedes Elementarteilchen hat einen Spin (Drehimpuls).

Das ist der Grund, wieso die Magnetfeldspulen bei Tokamak und Stellarator so kompliziert sein müssen. Man muss erreichen, dass trotz der eigenen Drehung, das Plasma nicht an die Wand kommt.


Exkurs: Trägheitsfusion:

Die Trägheitsfusion ist ein Verfahren zur Fusion von 2H und 3H ohne Magnetfeldeinschluss. Es wird durch z.B. durch Laser so viel Energie zugefügt, dass sich die Masse verdichtet und dabei fusionieren kann.

Eine Wasserstoffbombe arbeitet nach dem Prinzip. Am Lawrenc Livermore National Laboratory LLNL, ist das größte Forschungslabor die eine Trägheitsfusion mit Lasern versuchen

Dieses funktioniert nur einige Nanosekunden. In dieser Zeit reicht die Masseträgheit des Plasmas aus, um die Reaktion am Laufen zu halten.

Nicht so, wie im Einschlussverfahren, wo das Plasma darüber gesteuert wird.

Die Trägheitsfusion macht noch nicht den Anschein eines Netto-Energiegewinns.


Die Stromheizung:

Ein Strom wird durch das Plasma geleitet.

Dabei erwärmt es sie, wie bei einer Herdplatte.

Funktioniert nur bis 20-30 Millionen Kelvin, denn der Wiederstand nimmt ab.


Hochfrequenzheizung:

Prinzip wie in einer Mikrowelle.

Strahlt man elektromagnetische Wellen in das Plasma, so nehmen die Teilchen die Energie auf.

Ionen haben eine Kreisfrequenz von 10-100 MHz, Elektronen eine von 60-150 GHz

Die Teilchen geben die Energie über Stöße weiter.


Neutralteilchenheizung:

Die Teilchen werden in das Plasma eingeschossen.

Ionen werden erzeugt und dann neutralisiert, vorher können sie nicht eingeschossen werden.

Geben auch hier die Energie über Stöße weiter. Wären die Eingeschossenen Teilchen nicht neutral, würden sie vom Magnetfeld abgelenkt werden. Soweit sie ihre Energie übertragen haben, fallen sie aus dem Plasmastrom raus und werden Abgesaugt.



Verunreinigungen werden durch ein Hilfs-Magnetfeld oder die bestimmte Bauweise ausgesondert.

Mehr dazu bei Stellarator und Tokamak

Die Verunreinigungen prallen dabei auf Platten und verlieren Energie, sodass sie Elektronen aufnehmen können.

Es herrscht ein Ultrahochvakuum, da auch Luft das Plasma abkühlen kann, geringe Mengen reichen.

So bald ein Ion seine Elektronen aufgenommen hat, ist es schwerer wie die Teilchen des Plasmas und wird mit der Vakuumpumpe abgesaugt. Ebenso wie die Asche (He)


Tritiumbrüten:

Das Tritium wird im Blanket gebrütet. Der Blanket ist die äußere Hülle eines Kernfusionsreaktors.

Brüten nennt man den Herstellungsprozess. Der Blanket ist entweder für das Brüten oder als Neutronenreflektor gedacht bzw. als Schutz des Torus

6Li + n -> 4He + 3H + 4.8 MeV

7Li + n -> 4He + 3H n´ - 2.5 MeV

Li6 = 7.5% in der Erde

Li7 = 92.5% in der Erde

Als Neutronenvermehrung wir Beryllium oder Blei benutzt. Da 1 Neutron pro Fusion nicht ausreicht. Li ist durchaus Reaktionsfreudig und wird deshalb in einer Mischform wie LiO verwendet.


Tokamak

Besteht aus einem Torus welches von Magnetfeldspulen umgeben ist.

Russische Erfindung. Tokamak steht für: Toroidale Kamer in Magnetspulen

Das Plasma wird in Pellets eingeschossen, Pellet Injektion

3 Magnetfelder werden erzeugt.

Eins durch das Plasma selbst, da dieses mit Strom durchflossen wird.

Funktioniert nur Pulsartig.

Die spulen können immer nur eine Gewisse Spannung aufnehmen, danach müssen die Spulen sich entladen.


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