Plasmaphysik

Unter einem Plasma versteht man irgendeine Art von Materie in einem Zustand, in dem die atomaren Partikelchen nicht elektrisch neutral, sondern mindestens teilweise elektrisch neutral sind, wobei aber durchschnittlich gleich viele positive und negative Ladungen vorkommen, so dass das Plasma im ganzen quasineutral ist. Der Plasmazustand ist am ähnlichsten dem gasformigen Zustand der Materie, aus dem er auch meist durch Energiezufuhr entsteht. Trotzdem verhält sich ein Plasma in vieler Hinsicht völlig anders als ein gewöhnliches Gas.

Ein bestimmtes Gas ist im thermischen Gleichgewicht durch zwei Größen vollständig zu charakterisieren, nämlich durch seine Dichte und durch seine Temperatur. Diese beiden Größen sind auch für das Plasma wichtig, daneben braucht man jedoch eine Anzahl weiterer Angaben, um es zu charakterisieren. Die wichtigsten dieser Angaben ist der Lonisationsgrad unterhalb 1 und vollionisierte Plasmen mit dem Ionisationsgrad 1 oder nahezu 1, die ausschliesslich aus geladenen Teilchen gebildet werden.

Weiterhin ist es wichtig, zu wissen, was für neutrale und geladene Teilchen im Plasma herumschwirren. Die neutralen Teilchen, die im gewöhnlichen Gas Molekule sind, können im Plasma bei höherer Temperatur teilweise in (neutrale) Atome dissoziert sein; diese wiederum, aber auch die Molekule, kommen zu dem in verschiedenen Anregungsstufen vor. Ähnliches gilt es für die positiven Ionen, bei denen ausserdem noch entscheidend ist, in welcher Lonisationsstufe sie sich befinden, das heißt, wie viele Elektronen einem Atom oder Molekul verlorengegangen sind.

Die äusserste Grenze der Ionisierung ist, erreicht, wenn von einem Atom nur noch der nackte Kern übrig ist. Bei den negativ geladenen Teilchen ist es überdies wesentlich, ob sie negative Ionen oder - wie bei hoherer Temperatur stets - freie Elektronen sind, die eine wesentlich höhere Beweglichkeit haben und dadurch dem Plasma eine höhere elektrische Leitfähigkeit und auch sonst andere Eigenschaften verleihen.

KERNPHYSIK
Röntgenblitze von Neutronensternen

Forscher des Heidelberger Max-Planck-Instituts für Kernphysik konnten zusammen mit Kollegen am Speicherring des Schwerionenforschungszentrums im chinesischen Lanzhou neue und präzisere Massenmessungen für vier protonenreiche Nuklide durchführen. Die Ergebnisse erlauben einen Einblick in Kernfusionsprozesse auf Neutronensternen, die für intensive kosmische Röntgenblitze sorgen.

Neutronensterne gehören neben den Schwarzen Löchern zu den exotischsten Objekten der Astronomie. Sie stehen am Ende der Entwicklung eines massereichen Sterns, der nach Verbrauch seines nuklearen Brennstoffs unter seiner eigenen Schwerkraft in einer spektakulären Supernova zu einem zuerst kompakten Objekt kollabiert: um die zwei Sonnenmassen konzentrieren sich innerhalb eines Durchmessers von nur rund 20 Kilometern und die Dichte im Inneren ist so ungeheuer hoch, dass ein würfelzuckergrosses Stück davon die Massen von einigen Milliarden Tonnen besitzt.

Wie ihr Name schon sagt, bestehen sie überwiegend aus Kernmaterie, zeigen aber dennoch wie die meisten Himmelskörper einen differenzierten Aufbau: ein überwiegend aus Neutronen bestehender Kern - eventuell gar ein innerster Bereich aus Quarkmaterie - und eine vermutlich kristalline Kruste aus Ionen (überwiegend Eisen und leichtere Elemente) und Elektronen. Unser Wissen darüber beruht zum grössten Teil auf theoretischen Überlegungen und um diese zu testen sind die Astrophysiker auf die Beobachtungsdaten angewiesen, die uns in verschiedener Form erreichen.

Von besonderem Interesse sind dabei enge Doppelsternsysteme, die einen Neutronenstern enthalten, der von seinem Partnerstern dank des geringen Abstands und seiner hohen Schwerkraft Materie ansaugt. Dabei kommt es zu so genannten Röntgenstrahlen-Ausbrüchen, welche zu den intensivsten astronomischen Röntgenquellen zählen. Nach heutigem Verständnis speisen sich diese Ausbrüche aus thermonuklearen Prozessen auf der Oberfläche des Neutronensterns.

Die hier einfallende Materie aus dem Partnerstern besteht überwiegend aus Wasserstoff und Helium und bildet unter dem Einfluss der ungeheuren Schwerkraft, welche einige 100 Millionen mal stärker ist als auf der Erdoberfläche, ein heisses dichtes Plasma aus Elektronen, Protonen und Heliumkernen. Die Protonen können mit Kernen aus der Kruste des Neutronensterns fusionieren und so eine thermonukleare Reaktionskette starten, in der in rascher Folge weitere Protonen in den Atomkern eingebaut werden. Dieser Vorgang wird rp-Prozess (rapid proton capture process) genannt und die dabei freiwerdende Energie wird in Form von Röntgenquanten abgestrahlt.

Allerdings benötigt dieser Fusionsprozess eine bestimmte Aktivierungsenergie, da zunächst die elektrische Abstossung zwischen Protonen und Kernen überwunden werden muss, bis sie sich für einen Einfang nahe genug kommen. Um dieses thermonukleare Brennen zu zünden ist somit - ähnlich wie bei Kernfusionsreaktoren - eine kritische Temperatur und Dichte erforderlich und hierfür muss erst genügend brennbares Material in der Atmosphäre des Neutronensterns angesammelt verdichtet und aufgeheizt werden. Einige Neutronensterne zeigen daher periodische Röntgen-Ausbrüche alle paar Stunden ähnlich einem Geysir.

Ein typischer Ausbruch dauert nur einige Sekunden, zeigt aber zudem ein gewisses Nachglьhen von einigen Minuten Dauer. Um dies besser zu verstehen ist die Kernphysik gefragt und hier lohnt sich ein Blick auf die Nuklidkarte - dem "Periodensystem der Atomkerne" - welche die Kerne sortiert nach ihrer Anzahl von Protonen und Neutronen in einer Tabelle anordnet (siehe Grafik). Die weissen Pfeile zeigen einen typischen rp-Reaktionsweg: Durch Einfang von Protonen entstehen neue, schwerere Elemente, die sich wiederum durch radioaktiven Betazerfall in Richtung des "Tals" der stabilen Nuklide (schwarz) in nahezu gleich schwere, aber neutronenreichere Nuklide umwandeln können.

Beide Prozesse stehen in Konkurrenz zueinander, wobei zunächst der Protoneneinfang schneller erfolgt. Mit zunehmender Protonenzahl, also wachsender Kernladung wird aber die elektrostatische Barriere grösser und damit die Fusion erschwert und verlangsamt, bis schliesslich die Protonen-Abbruchkante erreicht ist, wo kein zusätzliches Proton mehr gebunden ist. Im Wettbewerb zwischen Proton-Einfang und Betazerfall bewegt sich somit der rp-Prozess entlang der Abbruchkante. Von Bedeutung sind dabei Nuklide nahe der Kante, wo der Einfangprozess langsamer wird als der konkurrierende Betazerfall und der Reaktionspfad sozusagen einen Umweg nimmt (grüne Pfeile).

Vor solchen Nukliden stehen die Protonen sozusagen in der Warteschlange, weshalb sie auch "Wartepunkte" genannt werden. Der rp-Prozess stockt hier und damit auch die Produktion von Röntgenquanten, was zum beobachteten langsameren Nachglühen beiträgt. Die Situation wird dadurch verkompliziert, dass die Reaktionsrate zusätzlich von Dichte und Temperatur der Protonen abhängt, was in Modellrechnungen aber simuliert werden kann.

Diese Modellrechnungen brauchen aber genaue Informationen über die Eigenschaften der beteiligten Nuklide - an erster Stelle die Bindungsenergie des zusätzlichen Protons. Hier hilft den Kernphysikern Einsteins berühmte Formel E = mc², nach der Energie und Masse äquivalent sind. Wird ein Proton eingefangen und dabei Energie als Röntgenquant freigesetzt, so nimmt die Masse des Kerns etwas weniger als eine Protonenmasse zu.

Forscher um Klaus Blaum und Yuri Litvinov vom Heidelberger Max-Planck-Institut für Kernphysik haben nun zusammen mit ihren chinesischen Kollegen und Kooperationspartnern aus Japan, Frankreich und den USA am Schwerionenforschungszentrum in Lanzhou (China) die Masse von drei Nukliden (Germanium-63, Arsen-65 und Selen-67) nahe der Protonen-Abbruchkante (gelbe Quadrate in der Karte) erstmalig und fьr Krypton-71 mit deutlich besserer Präzision bestimmt.

Die besondere Herausforderung ist hierbei die kurze Lebensdauer dieser Kerne, die teilweise nur gut eine Zehntelsekunde betrэgt, was die sonst übliche Präzisionsmassenmessung in Ionenfallen nicht mehr erlaubt. Ein Speicherring stellt eine Art Rennbahn für Ionen dar, welche darin einige Millionen mal pro Sekunde umlaufen - innerhalb ihrer Lebensdauer somit einige hunderttausend Umläufe, was ausreicht, um die - massenabhängige - Umlaufdauer möglichst genau zu bestimmen. Typischerweise befinden sich dabei nur einige Dutzend Ionen im Speicherring und die Messungen werden mehrfach wiederholt, um höhere Präzision zu gewinnen.

Insgesamt dauerte das Experiment etwa zwei Wochen und aus dem Ergebnis der direkten Massenmessungen der vier Nuklide konnte die jeweilige Proton-Bindungsenergie bestimmt werden. Für Arsen-65, dessen Mutternuklid Germanium-64 schon als Kandidat für einen Wartepunkt galt, ergab sich, dass das Proton gerade eben nicht mehr gebunden ist - es also nur kurzzeitig eingefangen werden kann. Theoretische Rechnungen konnten mit den neuen Daten zeigen, in welchen Dichte- und Temperaturbereichen der Einfang langsamer ist als der konkurrierende Betazerfall, das Isotop also einen wesentlichen Wartepunkt darstellt.

In einer Simulation für einen Rцntgenausbruch zeigte sich aber, dass der rp-Prozess dennoch ьberwiegend über Germanium-64 verläuft, also keinen wesentlichen Wartepunkt darstellt. Die neuen Messungen beseitigten zudem die grössten Unsicherheiten dieser Simulationen und lenken das Augenmerk auf weitere mögliche Wartepunkte bei schwereren Nukliden. Die Physiker berichten in der Fachzeitschrift Physical Review Letters über die neuen Ergebnisse.

Das Atom

Ein Atom besteht aus einem positiv geladenen Kern der aus Protonen und Neutronen besteht und aus negativ geladenen Atomhüllen auf denen Elektronen kreisen. Bei einem Atom ist die Anzahl der Elektronen gleich der Anzahl der Protonen und somit ist es nach aussen hin neutral. Die Anzahl der Protonen entscheidet darüber um was für einen Stoff es sich handelt. Das erste Element im Periodensystem der Elemente ist Wasserstoff. Die Elemente sind im Periodensystem nach der Protonenanzahl sortiert. Der Kern eines Wasserstoffatoms besteht aus nur einem Proton. Es gibt jedoch von jedem Element verschiedene Isotope. Isotope sind Atome mit der gleichen Anzahl an Protonen, aber mit einer verschiedenen Anzahl an Neutronen. Verschiedene Isotope unterscheiden sich nicht in ihren chemischen Eigenschaften. Vom Wasserstoff gibt es insgesamt drei Isotope. Das erste Isotop ist der normale Wasserstoff von dem ich gerade sprach. Das zweite Isotop heisst Deuterium und der Atomkern dieses Isotops besteht aus einem Proton und einem Neutron und das dritte Isotop heisst Tritium und sein Atomkern besteht aus einem Proton und zwei Neutronen. Bei Tritium tritt ein Ungleichgewicht zwischen Protonen und Neutronen ein, somit ist es instabil und zerfällt. Das Teilchen, das bei diesem Zerfall entsendet wird ist als radioaktiv bezeichnet und wirkt ionisierend (es hat eine Ladung). Aus Atomen kann man Ione machen. Man kann sagen, dass ein Ion ein Atom ist, das weniger oder mehr Elektronen als Protonen besitzt. Es ist somit nicht neutral und wirkt ionisierend (radioaktiv).

Die Radioaktivität

Unter dem Begriff Radioaktivität versteht man Atomkerne die zerfallen. Der Grund warum sie zerfallen ist der, dass sie instabil sind. Und auch dafür gibt es einen Grund, denn ein Kern ist entweder wenn er zu schwer oder wenn ein Ungleichgewicht zwischen den Protonen und Neutronen besteht instabil. Alle Atomkerne die eine höhere Nukleonenzahl (Protonen und Neutronen zusammen) als 210 haben sind instabil. Es gibt drei Zerfallsarten: den Alphazerfall, den Betazerfall und den Gammazerfall. Da man heute noch nicht bestimmen kann welcher Kern als nächster zerfallen wird gibt man es statistisch an. Man kann nämlich ungefähr sagen wieviele Kerne in einer bestimmten Zeit zerfallen werden. Nach diesem Prinzip werden Halbwertszeiten aufgestellt. Nach einer Halbwertszeit sind die Hälfte der Kerne eines radioaktiven Präparates zerfallen. Plutonium-239 hat z. B. eine Halbwertszeit von 24000 Jahren, Radium-228 hat eine von 6,7 Jahren, Thorium-232 eine von 14 Milliarden Jahren und Polonium-212 eine von 0,0000003 Sekunden. Es gibt viele physikalische Grössen die, die Radioaktivität beschreiben, aber ich werde nur eine von ihnen und nämlich die Aktivität (A) vorstellen. Die Aktivität setzt sich zusammen aus der Anzahl der Kernzerfälle geteilt durch die Zeit. Die Einheit der Aktivität ist das Becquerel (Bq). Das Becquerel beschreibt immer die Anzahl der Kernzerfälle in einer Sekunde. 20 Bq sind also 20 Kernzerfälle in einer Sekunde. Um diese Kernzerfälle nachzuweisen gibt es den sogenannten Geigerzähler. Er besteht aus einem geschlossenen Rohr welches meistens mit Argon gefüllt ist. An einem Ende des Rohrs ist ein Draht, der jedoch weder das andere Ende des Rohrs, noch die Wände berühren darf. Der Draht ist positiv geladen und die Wände sind negativ geladen. Ein radioaktives Teilchen welches nun in dieses Rohr hineinfliegt ionisiert ein oder mehrere Gasatome. Dadurch bewegen sich die herausgestossenen Elektronen zum Draht. Dies bewirkt einen Spannungsstoss. Dieser Spannungsstoss wird auf einem Ausgabegerät als ein Kernzerfall angezeigt. Auf dem Foto ist ein Geigerzähler abgebildet.

Инженерлік-құрылыс факультетінің студенттеріне арналған

Die Teile eines Gebäudes

Den einzelnen Bauteilen fallen bestimmte Aufgaben zu. Das Dach überdeckt den Baukörper und schützt ihn vor Witterungseinflüssen. In horizontaler Richtung werden die Geschosse durch die Decken voneinander getrennt. Die Geschossdecken übernehmen die Belastungen, die durch die Nutzung der Gebäude entstehen und übertragen sie neben ihrer Eigenlast auf die tragenden Wände. Es handelt sich um zwei verschiedene Belastungsarten: Die ständige Last wird durch die Eigenlast der gesamten Decke einschliesslich des Fussbodenbelages hervorgerufen. Sie ist also ständig vorhanden. Der Verkehrslast ist in ihrer Grösse, in ihrer Wirkungsweise und in ihrer Lage veränderlich. Ihre Grösse richtet sich nach der Art der Nutzung der Gebäude.

Als horizontale Trennung zwischen den einzelnen Wohnungen haben die Decken ausserdem die Aufgabe, in Verbindung mit dem Fussbodenbelag eine ausreichende Wärmedämmung zu gewährleisten. Überdies sollen sie genügend schalldämmende Eigenschaften besitzen.

Die Verbindungen zwischen den einzelnen Geschössen und den Zugang zu den Wohnungen ermöglichen die Treppen. Die Breite der Treppenlaufe ist abhängig von der Anzahl der Benutzer. Die Mindesbreite zwischen den Handlaufen beträgt 1 m.

Die Wände umschliessen das Wohngebäude nach aussen und trennen die einzelnen Wohnräume in vertikaler Richtung voneinander. Von belasteten Wänden sprechen wir dann, wenn Dach - oder Deckenlasten durch sie in den Baugrund geleitet werden. Je nach gewähltem Konstruktionsprinzip können dies die Aussen - und Innenlangswände oder die Querwände sein.

Die Wände ruhen auf den Fundamenten. Die Fundamente übertragen die Lasten des Bauwerkes in den Baugrund. Die Tragfähigkeit des Baugrundes ist örtlich unterschiedlich. Die Art des Baugrundes entscheidet über die Tragfähigkeit. Diese beeinflusst die Breite der Fundamente.