Effekte der Physikund ihre Anwendungen

herausgegeben von

Manfred von ArdenneGerhard Musiol

Uwe Klemradt

Herausgeber

Prof. Dr. Manfred von Ardenne (†) erlangte durch zahlreiche Erfindungen und Publikationen Weltruhm.Prof. Dr. Gerhard Musiol, Hauptautor des Bronstein, lehrte an der Technischen Universitat Dresden.Prof. Dr. Uwe Klemradt lehrt Physik an der RWTH Aachen.

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3., uberarbeitete, neu strukturierte und wesentlich erweiterte Auflage 2005c©Wissenschaftlicher Verlag Harri Deutsch GmbH, Frankfurt am Main, 2005

Druck: fgb • freiburger graphische betriebe <www.fgb.de>Printed in Germany

Vorwort zur dritten Auflage

Diese kompakte, ubersichtliche Darstellung weit gefacherter physikalischer Phanomene unter Betonung der An-wendungen fullt offenkundig eine Lucke zwischen den zahlreichen hervorragenden einfuhrenden Lehrbuchernund lexikalischen Werken, so dass auch die 2. Auflage in vergleichsweise kurzer Zeit vergriffen war. Aufgrunddes großen Zuspruchs der Leserschaft wurde daher eine 3. Auflage ins Auge gefasst, die sich jedoch deutlich vonder vorigen unterscheiden sollte: Zum einen musste der raschen Weiterentwicklung der Physik seit der 1. AuflageRechnung getragen werden, zum anderen erschien es angemessen, noch besser auf die Bedurfnisse von Studieren-den einzugehen, die mittlerweile neben dem ursprunglich angesprochenen Leserkreis – Physiker, Ingenieure undTechnologen in der Berufspraxis – zu den haufigsten Nutzern dieses Buches gehoren.

Die bisherigen acht Sachgebiete wurden gemeinsam mit den neuen Artikeln in der vorliegenden Auflage in 17 Ka-pitel und einen Anhang eingeordnet. Dies ermoglichte es, umfangreiche Sachgebiete mit deutlich verbesserterTrennscharfe darzustellen und Effekte in wichtigen Stoffgebieten wie Gase und Flussigkeiten, Stromungsmecha-nik, Akustik, Phasenubergange und dynamische Systeme (Chaos), die bisher nicht oder nur am Rande vertretenwaren, zusatzlich in eigenen Kapiteln zu berucksichtigen. In diesem Zusammenhang sei angemerkt, dass ein Ka-pitel zur Nanotechnologie bewusst (noch) nicht aufgenommen wurde, da sich dieses Gebiet zur Zeit noch starkim Fluss befindet; bei einer zukunftigen Auflage mag hier eine Neubewertung erforderlich sein. Die wichtigstenmethodischen Grundlagen dieser Richtung sind jedoch eingearbeitet.

Insgesamt wurde die 3. Auflage der ”Effekte der Physik und ihre Anwendungen“ deutlich erweitert und umfasstnunmehr 345 Artikel von rund 150 Autoren, einschließlich der 14 federfuhrenden Autoren, gegenuber 225 Artikelnvon 90 Autoren mit 9 federfuhrenden Autoren in den ersten beiden Auflagen. Alle Artikel (es gibt einige wenigeAusnahmen), die bereits in der vorigen Auflage vertreten waren, wurden redigiert und auf den neuesten Stand ge-bracht, zum Teil durch neue Autoren. Auch der Anhang wurde vollstandig uberarbeitet und enthalt jetzt angesichtsdes Umfangs des Buches nur noch Anmerkungen zu SI–Einheiten sowie eine Tabelle wichtiger Konstanten.

Einen schnellen Zugriff auf den außerordentlich umfangreichen Informationsgehalt des Buches ermoglichen zweiStichwortverzeichnisse: eins fur die Stichworte der Effekte an sich und eins fur die Anwendungen der Effekteeinschließlich physikalisch–methodischer sowie spezieller apparativer Entwicklungen.

Die Herausgeber hoffen, dass die neubearbeitete 3. Auflage ebenso positiv aufgenommen wird wie die vorangegan-genen zwei. Die Notwendigkeit, vielschichtige Themen knapp abzuhandeln und einzelnen Kapiteln zuzuordnen,fuhrte an mancherlei Stellen zu Kompromissen; ebenso ist die Auswahl der behandelten Effekte sicherlich sub-jektiv und keinesfalls erschopfend. Wir sind jedoch zuversichtlich, dass sich auch die vorliegende 3. Auflage alsnutzlich erweisen und in der Praxis bewahren wird.

Schließlich mochten wir noch einmal den wichtigen Umstand betonen, dass unser Buch insbesondere die An-wendungen der Effekte darstellen bzw. moglichst viele von ihnen wenigstens aufzahlen soll. Das Spektrum dieserAnwendungen ist teilweise sehr groß, unterschiedlich von Effekt zu Effekt, bei manchen gibt es zur Zeit nur er-ste Hinweise auf mogliche Anwendungen, und es kommen im Verlaufe der Zeit immer wieder neue hinzu. Einenvollstandigen Uberblick zu erarbeiten ist ein schwieriges Unterfangen, auch weil neue Anwendungen meist intechnischen und technologischen Fachzeitschriften veroffentlicht werden, die nur von den auf diesen Gebietenarbeitenden Fachvertretern gelesen werden. Herausgeber und Verlag wenden sich daher an die Leserschaft desBuches mit der Bitte, noch nicht erfasste Anwendungen der im Buch dargestellten physikalischen Effekte demVerlag mitzuteilen, damit sie in der nachsten Auflage berucksichtigt werden konnen. Auch Hinweise auf nochnicht einbezogene Effekte und deren Anwendungen sind willkommen.

Zuletzt ein Wort zur Herausgeberschaft: Leider ist Herr Prof. Dr. h. c. mult. Manfred von Ardenne, auf dessenInitiative die vorliegende Herausarbeitung der Anwendungen physikalischer Effekte zuruckgeht, noch vor demBeginn der Arbeiten zur 3. Auflage verstorben. Es ist uns ein Bedurfnis, auch in Anerkennung und unter Betonungseines großen wissenschaftlichen Gesamtwerkes, an dieser Stelle unseren besonderen Dank fur sein Engagementzum Ausdruck zu bringen.

An der Erarbeitung und Gestaltung der 1. Auflage hatte Herr Dr. S. Reball entscheidenden Anteil. Nach seinemAusscheiden als Mitherausgeber mochten wir ihm noch einmal fur seinen bemerkenswerten Einsatz herzlich dan-ken.

Mit der Aufnahme von Herrn Prof. Dr. U. Klemradt als zweiten Herausgeber anlasslich der Erarbeitung der 3. Auf-lage wurde ein Generationswechsel eingeleitet, der die Kontinuitat der ”Effekte der Physik und ihre Anwendungen“sichert.

Zum Schluss mochten wir dem Verlag Harri Deutsch fur die stete Unterstutzung und, in Anbetracht der relativlangen Zeitspanne der Erarbeitung der 3. Auflage, auch fur Verstandnis und Geduld unseren Dank zum Ausdruckbringen.

Dresden und Aachen, im Juni 2005 Prof. Dr. Gerhard MusiolProf. Dr. Uwe Klemradt

Aus dem Vorwort zur ersten Auflage

Ein relativ leichter und zugleich praktischer Zugang zu dem umfangreichen Wissensfundus der Physik eroffnet sichuber die beobachtbaren physikalischen Erscheinungen. Viele von ihnen wurden besonders in den fruhen Jahrender Entwicklung der Physik mit dem Begriff des Effekts gekennzeichnet. Damit sollte der grundlegende Charakterzum Ausdruck gebracht werden. Allerdings hat sich fur andere Erscheinungen mit der gleichen Tragweite diesesAttribut nicht eingeburgert. Wenn in dem vorliegenden Buch von Effekten die Rede ist, dann sind damit beideGruppen gemeint.

Dementsprechend wurde bei der Erarbeitung dieses Buches eine Auswahl von sowohl seit langem bekannter alsauch erst in jungster Zeit gefundener wesentlicher beobachtbarer physikalischer Erscheinungen vorgenommenund in einheitlicher Form und im Umfange eines einbandigen Werkes zusammengestellt und aufbereitet. Rund 90Autoren haben unter der Leitung von 9 federfuhrenden Autoren 225 Beitrage zu Erscheinungen aus den Materie-strukturen des Atomkerns, der Atomhulle, der Molekule und des Plasmas, uber elektrische, elektromagnetischeund Halbleitereffekte, uber optische und photographische, mechanische und warmetechnische Effekte verfaßt. Ei-nige psychologische Erscheinungen, die bei der Beobachtung und Messung physikalischer Erscheinungen vonBedeutung sind, erganzen dieses Spektrum.

Dresden, im November 1986 Manfred von ArdenneGerhard MusiolSiegfried Reball

Inhaltsverzeichnis

1 Effekte der subatomaren Physik (Prof. Dr. G. Musiol) 1Einfuhrung (Prof. Dr. G. Musiol) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1Abschirmung ionisierender Strahlung (Prof. Dr. B. Dorschel †, Dr. J. Henniger) . . . . . . . . . . . . 2Aktivierung (Dr. K. Irmer, Dr. E. J. Langrock) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6Alphazerfall, Alphastrahlung (Prof. Dr. W. Stolz) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10Annihilation (Prof. Dr. A. Andreeff ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14Betazerfall, Betastrahlung (Prof. Dr. W. Stolz) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16Braggsche Reflexion (Prof. Dr. E. Wieser) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21Bremsstrahlung (Dr. R. Wedell) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24Bruten (Dr. S. Tesch) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27Cherenkov–Effekt (Dr. S. Tesch) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30Compton–Effekt (Prof. Dr. A. Andreeff ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32Elementarteilchen (Prof. Dr. G. Bohm, Prof. Dr. S. Nowak) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34Gammastrahlung (Prof. Dr. W. Stolz) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43Isotopentrennung (Dr. G. Muller) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47Isotopie und Isotopie–Effekte (Dr. G. Muller) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50Kernanregung, Kernabregung (Dr. S. Tesch) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53Kernfusion (Dr. S. Tesch) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56Kernreaktionen (Dr. S. Tesch) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61Kernspaltung (Dr. S. Tesch) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67Kumakhov–Strahlung (Dr. R. Wedell) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71Magnetische Resonanz (Prof. Dr. S. Wartewig) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74Magnet–Resonanz–Tomographie (Prof. Dr. A. Keller) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82Markierung (Dr. A. Zeuner) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87Myonenatome (Dr. S. Tesch) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91Naturkonstanten (Prof. Dr. A. Andreeff ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94Neutronenstrahlen (Prof. Dr. A. Andreeff ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98Neutronenstreuung (Prof. Dr. E. Wieser) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102Paarbildung (Dr. S. Tesch) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107Polarisation von Teilchen (Dr. S. Tesch) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109Positronenstrahlen (Prof. Dr. K. Uhlmann) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112Radioaktivitat (Prof. Dr. W. Stolz) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116Relativistische Effekte (Dr. H.-R. Kissener) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119Schwerionenstrahlen (Prof. Dr. R. Bock, Prof. Dr. G. Kraft, Prof. Dr. R. Neumann) . . . . . . . . . . . 125Strahlfokussierung (geladene Teilchen) (PD Dr. J. Dietrich) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132Strahlkuhlung (PD Dr. J. Dietrich) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139Strahlungstransport (Dr. J. Henniger) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145Szilard–Chalmers–Effekt (Prof. Dr. E. Herrmann) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152Teilchenbeschleunigung (PD Dr. J. Dietrich) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154Tunnel–Effekt (Prof. Dr. A. Andreeff ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162Ubergangsstrahlung (Dr. R. Wedell) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163Winkelkorrelationen (Prof. Dr. A. Andreeff ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166

III

Inhaltsverzeichnis

2 Effekte der Atom- und Molekulphysik (Prof. Dr. G. Musiol) 168Einfuhrung (Prof. Dr. G. Musiol) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168AUGER–Effekt (Prof. Dr. K. Uhlmann) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169Elektronenbeugung (Dr. W. Leikam) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172Elektronenmikroskopie (Dr. Martina Luysberg) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177Elektronenstrahlen (Dr. S. Panzer) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182Feldionisation (Prof. Dr. Chr. Edelmann) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 188Ionenstrahlen (Prof. Dr. W. Hauffe) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191Kossel–Effekt (Dr. V. Geist) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 195Linienverbreiterung (PD Dr. G. Zschornack) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 198Matrix–Effekt (Dr. P. Jugelt, Dr. M. Schiekel) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 202Paul–Falle (Prof. Dr. J. Leonhardt) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 208Photo–Effekt (Prof. Dr. K. Uhlmann) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 210Rastersondenmikroskopie (PD Dr. Ph. Ebert) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 215Rekombination (Prof. Dr. J. Leonhardt) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 220RONTGEN–Strahlen (Dr. P. Jugelt, Dr. M. Schiekel) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222RONTGEN–Computertomographie (Prof. Dr. A. Keller) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 230RONTGEN–Ubergange in mehrfach ionisierten Atomen (PD Dr. G. Zschornack) . . . . . . . . . . . . 235Synchrotron–Strahlung (Dr. O. Schwarzkopf ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 239Vielfach–Ionisationsprozesse (PD Dr. G. Zschornack) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 246ZEEMAN–Effekt (Prof. Dr. S. Wartewig) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 249

3 Effekte der Plasmaphysik (Prof. Dr. A. Rutscher) 252Einfuhrung (Prof. Dr. A. Rutscher) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 252Erzeugung des Plasmazustandes (Prof. Dr. A. Rutscher) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 253Gasentladung (Dr. G. Hartel) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 255Gasionisierung (Prof. Dr. A. Rutscher) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 259Hohlkatoden–Effekt (Prof. Dr. A. Rutscher) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 262PENNING–Effekt (Prof. Dr. A. Rutscher) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 264Plasmachemische Stoffwandlung (Prof. Dr. A. Rutscher) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 266Plasma–Einschluss (Dr. M. Endler) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 269Plasma–Heizung (Dr. H. P. Laqua) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 273Plasma–Strahlen (Prof. Dr. A. Rutscher) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 275Plasma–Strahlung (Dr. E. Kindel) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 277Plasma–Wand–Wechselwirkung (Prof. Dr. J. Meichsner) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 281Thermonukleare Fusion (Dr. M. Endler) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 285

4 Effekte der Festkorperphysik (Prof. Dr. U. Klemradt) 289Einfuhrung (Prof. Dr. U. Klemradt) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 289Ausheilung von Materialdefekten (Dr. R. Klabes) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 290Austauscheffekt (Prof. Dr. Chr. Edelmann) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 292Bestrahlungseffekte in Festkorpern (Prof. Dr. L. Wuckel) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 294Carter–Leck–Effekt (Prof. Dr. Chr. Edelmann) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 302Desorption (Prof. Dr. Chr. Edelmann) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 304Diffusion (Dr. H.–J. Weiss) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 307Felddesorption, Feldverdampfung (Prof. Dr. Chr. Edelmann) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 309Festkorperverdampfung (Dr. G. Beister) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 311Festkorperzerstaubung (Prof. Dr. W. Hauffe) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 313Formgedachtnis–Effekt (Prof. Dr. P. Paufler) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 318Gasabgabe (Prof. Dr. Chr. Edelmann) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 320Gasaufzehr– und Blears–Effekt (Prof. Dr. Chr. Edelmann) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 322Ionenimplantation (Dr. R. Klabes) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 324

IV

Inhaltsverzeichnis

Ionenstreuung (Dr. R. Klabes) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 329Kanalisierungs– und Blockierungs–Effekte (Dr. R. Klabes) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 333Kristallbaufehler (Prof. Dr. P. Paufler) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 336Magnetische Ordnung (Prof. Dr. E. Wieser) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 341Moßbauer–Effekt (Prof. Dr. E. Wieser) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 347Nachwirkung (Prof. Dr. P. Paufler) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 351Permeation, Superpermeation (Prof. Dr. Chr. Edelmann) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 353Richardson–Effekt (Dr. W. Leikam) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 356RONTGEN–Effekt (Prof. Dr. Chr. Edelmann) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 359Schottky–Effekt und Feldelektronenemission (Dr. W. Leikam) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 360Sekundarelektronen (Prof. Dr. K. Uhlmann) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 363Sekundarionen (Prof. Dr. K. Uhlmann) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 367Sorption (Prof. Dr. Chr. Edelmann) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 370

5 Effekte der Halbleiterphysik (Prof. Dr. J. Auth) 374Einfuhrung (Prof. Dr. J. Auth) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 374Avalanche–Effekt (Dr. M. Mocker, Dr. G. Genzow) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 375Dember–Effekt (Dr. D. Genzow) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 380Elektrolumineszenz (Dr. D. Genzow, Prof. Dr. K. H. Herrmann) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 382Feldeffekt, Feldeffekt–Transistor (Prof. Dr. J. Auth) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 385Franz–Keldysch–Effekt (Prof. Dr. J. Auth) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 392Gunn–Effekt (Prof. Dr. J. Auth, Dr. F. Kugler †, Dr. H. W. Mittenzwei †) . . . . . . . . . . . . . . . . 394Halbleiter–Photoeffekte (Dr. D. Genzow) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 398Hall–Effekt (Dr. W. Hoerstel) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 402Heißleiter (Prof. Dr. A. Rost, PD Dr. G. Tschuch) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 406Heteroubergange (Prof. Dr. J. Auth) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 408Injektion (Prof. Dr. J. Auth) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 415Injektionslaser (Dr. D. Genzow, Prof. Dr. K. H. Herrmann) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 419Injektionslumineszenz (Dr. D. Genzow, Prof. Dr. K. H. Herrmann) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 426Lumineszenz in Festkorpern (Dr. D. Genzow, Prof. Dr. K. H. Herrmann) . . . . . . . . . . . . . . . . 430Magnetophonon–Effekt (Dr. W. Hoerstel) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 434Magnetowiderstandseffekt (Dr. W. Hoerstel) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 436Metall–Halbleiter–Kontakt (Prof. Dr. J. Auth) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 440Moss–Burstein–Effekt (Dr. D. Genzow, Prof. Dr. K. H. Herrmann) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 443n–Leitung, p–Leitung (Prof. Dr. J. Auth) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 445Ovshinsky–Effekt (Dr. D. Genzow, Dr. M. Mocker) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 449Peltier–Effekt (Dr. W. Hoerstel) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 451Phonon–drag–Effekt (Dr. W. Hoerstel) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 454Photo–Elektromagnetischer Effekt (Dr. D. Genzow) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 456Photoleitung (Dr. D. Genzow, Prof. Dr. K. H. Herrmann) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 458Photon–drag–Effekt (Dr. D. Genzow) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 462Pinch–Effekt in Halbleitern (Dr. W. Hoerstel) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 464pn–Photoeffekt (Dr. D. Genzow) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 467Quanten–Hall–Effekt (PD Dr. W. Kraak) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 472Quantenfaden, Quantenpunkte (Prof. Dr. M. Grundmann) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 478Sasaki–Shibuya–Effekt (Dr. W. Hoerstel) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 484Seebeck–Effekt (Dr. W. Hoerstel) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 486Shubnikov–de Haas–Effekt (Dr. W. Hoerstel) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 489Sperrschicht–Photoeffekt (Dr. D. Genzow) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 492Thermomagnetische Effekte (Dr. W. Hoerstel) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 495Thyristor–Effekt (Dr. K. Lehnert) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 498Transistor–Effekt (bipolar) (Prof. Dr. J. Auth) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 503

V

Inhaltsverzeichnis

Tunnel–Diode (Prof. Dr. A. Rost, PD Dr. G. Tschuch) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 509Zyklotron–Resonanz (Prof. Dr. J. Auth) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 512

6 Werkstoffphysikalische Effekte (Dr. H.-J. Weiß) 515Einfuhrung (Dr. H.-J. Weiß) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 515BAUSCHINGER–Effekt (Prof. Dr. G. Backhaus, Prof. Dr. H. Balke) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 516Festigkeit (Prof. Dr. W. Pompe) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 519Harte (Dr. H.-J. Weiß) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 522Mechanische Ermudung (Prof. Dr. C. Holste) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 525Plastizitat (Prof. Dr. L. Eberlein) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 530Rekristallisation (Prof. Dr. L. Eberlein) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 534Sintern (Prof. Dr. G. Leitner) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 536Thermomechanische Behandlung (Prof. Dr. G. Zouhar) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 538Verbundprinzip (Dr. H.-J. Weiß) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 542Verformungsinduzierte Schallemission (Prof. Dr. G. Zouhar) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 546Zerspanen (Prof. Dr. K. Kunanz) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 549

7 Effekte in Gasen und Flussigkeiten (Prof. Dr. S. Hess) 553Einfuhrung (Prof. Dr. S. Hess) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 553Ferrofluide (Dr. St. Odenbach) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 555Freedericksz–Effekt (Prof. Dr. G. Heppke, Dr. G. Hauck) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 558Magneto– und Elektrorheologischer Effekt (Dr. St. Odenbach) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 562Nicht–NEWTONsche Effekte in Fluiden (Dr. M. Kroger) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 564SENFTLEBEN–BEENAKKER–Effekt (Prof. Dr. S. Hess) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 569Sonolumineszenz (Dr. S. Hilgenfeldt, Prof. Dr. D. Lohse) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 571Stromungs–Doppelbrechung: MAXWELL–Effekt (Prof. Dr. S. Hess) . . . . . . . . . . . . . . . . . . 575Struktur–Effekte in Flussigkeiten (Prof. Dr. S. Hess; Dr. M. Kroger) . . . . . . . . . . . . . . . . . . 579Thermo–Diffusions–Effekt, Diffusions–Thermo–Effekt; Ludwig–Soret–Effekt,Dufour–Effekt (Prof. Dr. S. Hess) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 582Viskositat von nematischen Flussigkristallen (Prof. Dr. F. Schneider) . . . . . . . . . . . . . . . . . . 585

8 Stromungsmechanische Effekte (PD Dr. M. Buschmann) 590Einfuhrung (PD Dr. M. Buschmann) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 590Coanda–Effekt (Dr. R. Pauer) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 591Dynamischer Auftrieb (PD Dr. M. Buschmann, Dr. R. Pauer) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 593Grenzschichten (PD Dr. M. Buschmann) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 595Hydrodynamisches Paradoxon (Dr. H.-J. Weiß) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 598Hydrostatischer Auftrieb (Dr. D. Bock) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 599Kavitation (Dr. W. Heller) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 602Kelvin–Helmholtz–Instabilitat (Dr. A. Ickler) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 605Magnus–Effekt (Dr. G. Schlanzke) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 608Riblets (Dr. J. Klingenberg) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 610Stromungsablosung (PD Dr. M. Buschmann) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 613Stromungsinstabilitaten (Dr. M. Wimmer) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 616Toms–Effekt (Prof. Dr. B. Gampert, Dipl.-Ing. C. Wilkes) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 620Turbulenz (Dr. H.-J. Mascheck) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 623Verdichtungsstoß (Dr. S. Niebergall) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 626Weissenberg–Effekt (Prof. Dr. B. Gampert, Dipl.-Ing. C. Wilkes ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 630

VI

Inhaltsverzeichnis

9 Elektro– und magnetophysikalische Effekte (Prof. Dr. H.–J. Dubrau †, Prof. Dr. H. Hofmann †) 632Einfuhrung (Prof. Dr. H. Hofmann †) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 632Akustoelektrischer Effekt (Prof. Dr. H. Hofmann †) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 633Akustooptischer Effekt (Prof. Dr. H. Hofmann †) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 635Brennstoffzellen (Prof. Dr. J. Garche) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 638Elektrete1 (Prof. Dr. H.-J. Dubrau †) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 643Elektrokinetische Effekte (Prof. Dr. J. Garche, Prof. Dr. H.–J. Jacobasch †) . . . . . . . . . . . . . . 645Elektromagnetische Induktion (Prof. Dr. H.-J. Dubrau †) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 650Elektronisches Rauschen (Prof. Dr. G. Dorfel) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 654Elektrostriktion, Magnetostriktion (Dr. D. Bock) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 660Elektrowarme (Dr. D. Bock) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 662Festelektrolyte (Prof. Dr. J. Garche) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 664GMR–Effekt (Prof. Dr. Ingrid Mertig) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 669Hysterese (Dr. D. Bock) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 673Johnson–Rahbeck–Effekt (Dr. D. Bock) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 675Koinzidenz (Prof. Dr. H.-J. Dubrau †) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 677Kompensation (Prof. Dr. H.-J. Dubrau †) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 679Magnetoelastischer Effekt (Dr. D. Bock) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 683Miller–Effekt (Prof. Dr. H.–J. Dubrau †) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 686Piezoelektrischer Effekt (Dr. H.-J. Weiß) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 687Ryftin–Effekt (Prof. Dr. S. Kaiser) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 689Skin–Effekt (Dr. K. Lehmann) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 691Transversaler Ettingshausen–Nernst–Effekt (Prof. Dr. Th. Elbel) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 694Zener–Effekt (Prof. Dr. H. Hofmann) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 697

10 Optische Effekte (Prof. Dr. W. Brunner) 699Einfuhrung (Prof. Dr. W. Brunner) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 699Absorption des Lichtes (Dr. J. Hirsch) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 700Adaptive Optik (Dr. R. Spolaczyk) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 703Beugung des Lichtes (Diffraktion) (Dr. J. Hirsch) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 706Bildwandlung (Dr. R. Spolaczyk) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 711Brechung des Lichtes (Dr. J. Hirsch) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 713Dispersion des Lichtes (Dr. J. Hirsch) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 715Doppler–Effekt des Lichtes (Dr. J. Hirsch) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 718Elektrooptische Effekte (Dr. H.-H. Ritze) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 721Holografie (Dr. R. Spolaczyk) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 725Interferenz (Dr. R. Spolaczyk) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 727Koharente optische Transient–Effekte (Dr. H.–H. Ritze) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 732Laser (Prof. Dr. F. Fink) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 735Laserkuhlung (Prof. Dr. F. Fink) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 747Linienverbreiterung im optischen Bereich (Dr. G. Hartel) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 750Lumineszenz (Dr. J. Hirsch) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 753Magnetooptische Effekte (Dr. H.-H. Ritze) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 756Nichtlineare Optik (Prof. Dr. F. Fink) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 759Optische Abbildung (Dr. R. Spolaczyk) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 767Optische Aktivitat (Dr. H.-H. Ritze) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 775Optische Anisotropie–Effekte (Dr. H.-H. Ritze) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 777Optische Bistabilitat (Dr. H.-H. Ritze) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 780Optische Informationsubertragung (Prof. Dr. W. Karthe) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 783Optische Nahfeldmikroskopie (Prof. Dr. L. Eng) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 789Optische Quantencomputer (Prof. Dr. B. Wilhelmi) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 793Optische Quantenkryptographie (Prof. Dr. B. Wilhelmi) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 798

VII

Inhaltsverzeichnis

Optische Sattigungseffekte (Dr. H.-H. Ritze) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 803Optische Solitonen (Dr. H. Steudel) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 807Optischer Stark–Effekt (Dr. H.-H. Ritze) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 811Optoakustischer und Photoakustischer Effekt (Dr. C. Hartung) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 813Optoelektronik (Prof. Dr. W. Karthe) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 815Optogalvanischer Effekt (Dr. C. Hartung) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 822Optothermischer Effekt (Dr. C. Hartung) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 823Phasenkontrast (Dr. R. Spolaczyk) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 825Photonische Kristalle (Prof. Dr. B. Wilhelmi) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 827Polarisation des Lichtes (Dr. H.-H. Ritze) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 832Raman–Effekt (Prof. Dr. F. Fink) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 836Reflexion des Lichtes (Dr. J. Hirsch) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 840Rontgen–Optik (Prof. Dr. N. Langhoff, Dr. V. A. Arkadiev, Dr. A. A. Bjeoumikhov) . . . . . . . . . . . 843Strahlungstransport im optischen Bereich (Dr. G. Hartel) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 848Streuung des Lichtes (Dr. J. Hirsch) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 850Terahertz–Optik (Prof. Dr. B. Wilhelmi) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 853

11 Photographische Effekte (Prof. Dr. P. Suptitz) 858Einfuhrung (Prof. Dr. P. Suptitz) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 858Absorption und Lichtstreuung in der photographischen Schicht (Dr. E. Gorgens) . . . . . . . . . . . . 859Belichtungseffekte (Dr. E. Gorgens) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 861Bildfixierung und Stabilisierung (Dr. H. Brandenburger) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 864Diazytopie (Prof. Dr. J. Epperlein) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 866Elektrophotographie (Prof. Dr. P. Suptitz) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 868Entwicklungseffekte (Dr. E. Gorgens) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 873Farbentwicklung (Prof. Dr. J. Epperlein) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 875Farbphotographie (Prof. Dr. J. Epperlein) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 877Farbstoffdiffusion (Prof. Dr. J. Epperlein) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 880Helligkeitswiedergabe (Dr. E. Gorgens) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 882Kornung und Kornigkeit (Dr. E. Gorgens) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 885Lichthof (Dr. E. Gorgens) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 887Nachbar– und Eberhard–Effekt (Dr. E. Gorgens) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 890Optische Entwicklung (Prof. Dr. J. Epperlein) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 892Photochromie (Prof. Dr. J. Epperlein) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 894Photographischer Elementarprozess (Prof. Dr. P. Suptitz) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 897Photographische Modulationsubertragung (Dr. E. Gorgens) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 899Photolyse (Prof. Dr. J. Epperlein) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 904Photopolymerisation und Photovernetzung (Prof. Dr. J. Epperlein) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 906Schwarzschild–Effekt und andere direkte Außerungen des Reziprozitatsfehlers (Dr. E. Gorgens) . . . 908Schwarzweiß–Entwicklung (Dr. H. Brandenburger) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 910Schwarzweiß–Photographie (Dr. H. Brandenburger) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 913Silbersalz–Diffusions–Verfahren (Prof. Dr. J. Epperlein) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 915Spektrale Sensibilisierung (Prof. Dr. P. Suptitz) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 917Thermographie und Photothermographie (Prof. Dr. J. Epperlein) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 919Umkehrentwicklung (Dr. H. Brandenburger) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 921

12 Akustische Effekte (Prof. Dr. M. Moser) 923Einfuhrung (Prof. Dr. M. Moser) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 923Antischall (Prof. Dr. M. Moser) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 924Akustische Kavitation (Prof. Dr. H. Kuttruff ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 927Beugung von Schall (Prof. Dr. M. Moser) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 931Elektroakustische Aufnahmeeffekte (Dr. E. Werner) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 933

VIII

Inhaltsverzeichnis

Elektroakustische Richtungsaufnahme (Dr. E. Werner) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 937Elektroakustische Schallerzeugung (Dr. E. Werner) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 941Elektroakustische Schallfeldbeeinflussung (Dr. E. Werner) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 944Gesundheitliche Folgen von Schall (Dr. B. Schulte–Fortkamp) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 948Luftschalldammung (Prof. Dr. M. Moser) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 951Prazedenz–Effekt (Prof. Dr. J. Blauert) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 954Reflexionsschalldampfung (Dr. F. Lehringer) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 956Rollgerausche (Dr. J. Feldmann) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 959Schallstrahlungsdruck (Prof. Dr. H. Kuttruff ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 964Ultraschalldiagnostik (Prof. Dr. H. Kuttruff ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 966

13 Warmephysikalische Effekte (Prof. Dr. G. Heinrich) 970Einfuhrung (Prof. Dr. G. Heinrich) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 970Brennstoffzellen (Kraftwerke) (Prof. Dr. D. Hebecker) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 971Brennwertnutzung (Prof. Dr. D. Hebecker) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 976Emission von Warmestrahlung (Prof. Dr. G. Hofmann) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 980Energietransformation (Prof. Dr. D. Hebecker) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 982Erzeugung hoher Drucke (Prof. Dr. H. Vollstadt) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 985JOULE–THOMSON–Effekt (Dr. R. Agsten) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 990Kaltgasmaschinen (Dr. R. Agsten) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 993Konvektion (Prof. Dr. J. Huhn) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 998Kreisprozesse (Prof. Dr. D. Hebecker) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1000Kryobiophysikalische Effekte (Dr. R. Herzog) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1003Kryopumpe (PD Dr. M. Jackel) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1007Prinzipien der Temperaturmessung (Dr. G. Pompe) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1010Pyroelektrischer Effekt (Dr. V. Baier) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1014Siedeverzug (Dr. H. Trommer) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1016Sorptions–Warmetransformator (Prof. Dr. D. Hebecker) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1019Thermoakustischer Effekt (Prof. Dr. R. Quack, Dr. M. Christov) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1023Thermodiffusion (Prof. Dr. N. Elsner, Prof. Dr. J. Huhn) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1026Thermoelastische Effekte (Dr. N. Heß) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1028Transpirationskuhlung (Prof. Dr. J. Huhn) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1030Verdampfen, Kondensieren (Prof. Dr. H. Jungnickel, Dr. W. E. Kraus) . . . . . . . . . . . . . . . . . 1033Warmeisolation (Dr. B. Kluge) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1036Warmepumpen (Prof. Dr. G. Heinrich) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1039Warmerohre (Dr. R. Muller) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1043

14 Effekte der Tieftemperaturphysik (Prof. Dr. G. Heinrich) 1048Einfuhrung (Prof. Dr. P. Seidel) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1048Erzeugung tiefer Temperaturen kleiner 1K (Prof. Dr. A. Gladun) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1049Erzeugung tiefer Temperaturen kleiner 1mK (Prof. Dr. A. Gladun) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1051Hochtemperatur–Supraleitung (Prof. Dr. R. Herrmann) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1053JOSEPHSON–Effekte (Prof. Dr. P. Seidel) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1060Restwiderstand von Metallen (Dr. D. Elefant) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1062Suprafluiditat (Prof. Dr. C. F. Barenghi) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1064Supraleitfahigkeit (Prof. Dr. P. Seidel) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1067Warmeleitung bei tiefen Temperaturen (PD Dr. M. Jackel) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1071

15 Phasenubergange (Prof. Dr. U. Klemradt) 1074Einfuhrung (Prof. Dr. U. Klemradt) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1074Ferroelektrizitat (Dr. M. Aspelmeyer, Prof. Dr. U. Klemradt) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1075Martensitische Umwandlungen (Prof. Dr. U. Klemradt) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1078Ordnungs–Unordnungs–Phasenubergange (Prof. Dr. K. Binder) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1083

IX

Inhaltsverzeichnis

Phasenwechselmedien (Dipl.– Phys. I. Thomas, Prof. Dr. M. Wuttig) . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1089Schaltbare optische Schichten (Dr. H. Weis, Prof. Dr. M. Wuttig) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1091Benetzung und Benetzungsphasenubergange (Dr. A. Plech) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1094Geordnete Phasen in Blockcopolymer–Schmelzen (Prof. Dr. G. Krausch) . . . . . . . . . . . . . . . 1097Flussig–Glas–Ubergange (Dr. A. Meyer) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1100Flussigkristalline Phasen (Prof. Dr. P. M. Knoll) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1103Umwandlungen und Phasenubergange in biologischen Systemen (Dr. Th. Heimburg) . . . . . . . . . 1107Bose–Einstein–Kondensation (Prof. Dr. T. Esslinger) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1112Phasenubergange in hadronischer Materie (Prof. Dr. H. Satz) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1115Schmelzen und Erstarren (Prof. Dr. K. Kassner) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1118

16 Chaos–Effekte (Prof. Dr. R. Leven) 1122Einfuhrung (Prof. Dr. R. Leven) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1122Bifurkationen und Chaos (Prof. Dr. R. Leven) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1124Chaotische Attraktoren (Prof. Dr. R. Leven) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1128Chaotische Zeitreihen (Prof. Dr. R. Leven) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1133Schmetterlings–Effekt (Prof. Dr. R. Leven) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1136Transientes Chaos (Prof. Dr. R. Leven) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1140

17 Physiologische Effekte (Prof. Dr. H. G. Lippmann) 1143Einfuhrung (Prof. Dr. H. G. Lippmann) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1143Adaptation (Prof. Dr. H. G. Lippmann) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1144Farbensehen (Prof. Dr. H. G. Lippmann) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1147Unterschiedsempfindlichkeit (Prof. Dr. H. G. Lippmann) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1150Wahrnehmungstauschungen (Prof. Dr. H. G. Lippmann) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1154

Anhang 1157Systeme International d’Unites (SI–System) (Prof. Dr. A. Andreeff ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1157Fundamentale physikalische Konstanten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1160

Verzeichnisse 1163Index-Effekte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1163Index-Anwendungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1210

X

Kapitel 1

Effekte der subatomaren PhysikFederfuhrender: Prof. Dr. G. Musiol

EinfuhrungProf. Dr. G. Musiol

Die Effekte der subatomaren Physik, d.h. der Kern– undElementarteilchenphysik, sind selten mit dem BegriffEffekt belegt worden, obgleich sie dem Begriffsinhaltin hohem Maße genugen. Seien es die Zerfallskanaleder Radioaktivitat mit den unterschiedlichsten Teilchen-arten bis hin zur spontanen Spaltung, oder seien esdie Kernreaktionen mit ihrer Vielfalt an Eingangs- undAusgangskanalen, von Teilchenstreuung bis Spallation,wofur alle hinreichend langlebigen Geschossteilchen,wie Neutrinos, Myonen, Nukleonen und sogar schwer-ste Kerne zur Verfugung stehen: alle sind sie grundle-gende beobachtbare Phanomene mit bedeutendem Cha-rakter.

Die klassische Physik kann die Effekte dieses Ge-bietes nur phanomenologisch, nicht aber mikroskopischbeschreiben. Eine genauere Beschreibung erfordert dieEinbeziehung der Quantenmechanik und der speziel-len Relativitatstheorie, und das unter Berucksichtigungaller in dieser Hirarchieebene der Struktur der Mate-rie wirkenden fundamentalen Wechselwirkungen. Da-bei kommt man ohne Kenntnisse der innernuklearenUmwandlungen und damit der Umwandlungen der Ele-mentarteilchen nicht aus, die ihrerseits die Existenz ei-ner tieferen Hierarchieebene, die der Fundamentalteil-chen offenbaren und in genauere Theorien einzubezie-hen sind [1]. Auch das ist ein Grund dafur, warum beideGebiete in einem Kapitel eingeordnet wurden.

Das Kapitel enthalt einige Artikel zu Themenkreisenmit ubergreifendem Charakter fur alle Gebiete der Phy-sik, weil sie hier zum Verstandnis benotigt werden, bzw.weil sie von hier wesentliche Impulse zu ihrer Weiter-entwicklung erfahren haben. Dazu gehoren Artikel uberdie fundamentalen Naturkonstanten, die spezielle Rela-tivitatstheorie und die Teilchenbeschleunigung.

Entsprechend der Zielstellung des Buches wurdenvor allem anwendungstrachtige Effekte einbezogen. Fur

die Kern- und Elementarteilchenphysik gilt das in un-terschiedlichem Maße, wobei der Schwerpunkt natur-gemaß bei der Kernphysik liegt. Die Vielfalt der An-wendungen lasst sich in die Gebiete Stoff- und Prozess-analyse mit Kernstrahlungen sowie Stoffumwandlun-gen mit Kernstrahlungen einordnen [1]. An erster Stel-le ist hier ausgehend von Kernspaltung und Kernsyn-these die Kernenergetik zu nennen. Auf der Grundla-ge der Erscheinungen des Kernzerfalls und der Kern-reaktionen konnte ein breites Anwendungsspektrumder physikalischen, chemischen, geologischen, tech-nischen und biologisch–medizinischen Analysemetho-dik entwickelt werden [1–4]. Daruber hinaus war esmoglich, besonders in Physik und Chemie unikaleStoff–Syntheseverfahren einzufuhren [1].

Unter den Analysemethoden verdienen besonde-re Erwahnung Untersuchungen von Element- undIsotopenzusammensetzungen, von Stoffstrukturen inFestkorpern und Flussigkeiten (z.B. durch Neutro-nenstreuung, des Weiteren bildgebende Verfahrenwie Magnet–Resonanz– und Positronen–Emissions–Tomographie) sowie Altersbestimmungen. Zum Spek-trum der Anwendungen auf der Grundlage vonkernphysikalisch hervorgerufenen Stoffumwandlungengehoren z.B. Veranderungen von mechanischen, elektri-schen, magnetischen und anderen Materialeigenschaf-ten, strahlenchemische Synthesen der Chemie undStrahlenwirkungen in biologischem Gewebe.

Literatur[1] MUSIOL, G.; RANFT, J.; REIF, R.; SEELIGER, D.: Kern- und

Elementarteilchenphysik, 2. Auflage. – Frankfurt/Main, Thun(Schweiz): Verlag Harri Deutsch 1995.

[2] SCHATZ, G.; WEIDINGER, A.: Nukleare Festkorperphysik, 3.Auflage. – Stuttgart, Leipzig: B.G. Teubner 1997.

[3] HERING, W.T.: Angewandte Kernphysik. – Stuttgart, Leipzig:B.G. Teubner 1999.

[4] TSIPENYUK, Y.M.: Nuclear Methods in Science and Techno-logy. – Bristol, Philadelphia: Institute of Physics Publishing1997.

1

Effekte der subatomaren Physik

Abschirmung ionisierender StrahlungProf. Dr. B. Dorschel †, Dr. J. Henniger

Unmittelbar nach der Entdeckung der verschiedenen Ar-ten ionisierender Strahlung durch W. C. RONTGEN,H. BEQUEREL, M. und P. CURIE, J. CHADWICK u.a.stellte man fest, dass Materialschichten unterschiedlicherArt und Dicke die Strahlungsintensitat verschieden starkreduzieren. Genaue Untersuchungen ergaben eine zumTeil erhebliche Abhangigkeit der Abschirmwirkung vonden Eigenschaften der Strahlung. Es konnten daher ausden Resultaten wichtige Schlussfolgerungen uber die Na-tur der registrierten Strahlungen gezogen werden. In derFolgezeit wurde die Abschirmung ionisierender Strah-lung zu einer wesentlichen Voraussetzung fur den gefahr-losen Umgang mit Strahlungsquellen, insbesondere in derMedizin, wobei das Ziel in einer Vermeidung oder Verrin-gerung der Strahlenbelastung von Patienten und Personalbesteht. Aber auch bei vielen technischen Anwendungenist durch geeignete Abschirmanordnungen dafur zu sor-gen, dass die Schwachung der Strahlungsintensitat auf einfestgelegtes Maß erfolgt und die Anforderungen an denStrahlungsschutz erfullt werden.

Sachverhalt

Die physikalische Grundlage fur die Abschirmung io-nisierender Strahlung besteht in der Wechselwirkungder einfallenden Strahlung mit dem Abschirmmaterial,wodurch es zu einer Veranderung des Strahlungsfeldeskommt. Dabei konnen folgende Prozesse im Abschirm-material stattfinden:– vollstandige Absorption von Teilchen oder Photo-nen,– Anderung der Energie und Richtung von Teilchenoder Photonen,– Erzeugung von Sekundarstrahlung.Diesen Prozessen liegen die elementaren Wechselwir-kungen von Teilchen oder Photonen mit den Atomker-nen bzw. Atomhullen zugrunde. Die Wirkung einer Ab-schirmanordnung wird daher entscheidend durch die Artder einfallenden Strahlung sowie deren Energie- undRichtungsverteilung bestimmt. Daruber hinaus hangtsie wesentlich von der stofflichen Zusammensetzungund den geometrischen Eigenschaften, insbesondere derDicke der Abschirmung ab.

Die Verwendung von Abschirmungen erfolgt zu demZweck, die Flussdichte oder Dosisleistung von Teilchenbzw. Photonen am interessierenden Ort im Strahlungs-feld zu vermindern oder die Energie der Strahlung zuverringern. Dabei ist darauf zu achten, dass im Ergebnisder Wechselwirkungen keine oder ihrerseits leicht ab-schirmbare Sekundarstrahlung entsteht.

Die Bestimmung des veranderten Strahlungsfeldeshinter einer Abschirmung ist prinzipiell durch Losung

der Strahlungstransportgleichung (s. Strahlungstrans-port, S. 145) moglich, wenn die Eigenschaften der ein-fallenden Strahlung und die Parameter der Abschirmungbekannt sind. Strahlungstransportrechnungen sind rela-tiv schwierig. Zudem sind die Resultate meist nicht alsgeschlossene Losungen angebbar. Daher wird bei derAuswahl und Dimensionierung von Abschirmungen i.Allg. auf einfache Naherungsbeziehungen zur Beschrei-bung des Strahlungstransports zuruckgegriffen. Die Er-gebnisse werden mithilfe von rechnerisch oder experi-mentell bestimmten Korrektionsfaktoren entsprechendden jeweiligen Bestrahlungsbedingungen modifiziert.

Kennwerte, Funktionen

Da sich die Wechselwirkungsprozesse zwischen Strah-lung und Stoff fur verschiedene Strahlungsartengrundsatzlich unterscheiden, gelten fur die Abschir-mung von α−, β− und γ–Strahlung sowie von Neutro-nen unterschiedliche Gesetzmaßigkeiten.Alpha–Teilchen, die von Radionukliden emittiert wer-den, besitzen eine kinetische Energie von einigen MeV.Da sich die Teilchenrichtung bei der Wechselwir-kung mit Stoffen kaum andert, stimmt die Reichweiteannahernd mit der Lange der α–Teilchenbahnen uber-ein. Fur den Zusammenhang zwischen der ReichweiteRα in Luft und der Energie Eα der α–Teilchen gilt furEα > 2,5MeV die empirische Beziehung

Rα

m= 3,1·10−3

√(Eα

MeV

)3

. (1)

Alpha–Teilchen weisen i. Allg. ein diskretes Energie-spektrum auf, sodass alle Teilchen annahernd die glei-che Reichweite besitzen. Die Teilchenanzahl bleibt da-her bis zum Ende aller Teilchenbahnen nahezu konstantund sinkt dann relativ schnell auf null ab.Beta–Teilchen Beim Durchgang von β–Teilchen durchMaterialschichten werden die Teilchenbahnen durch ei-ne Vielzahl von Streuprozessen gekrummt, sodass sichdie Weglange von der Reichweite der Teilchen unter-scheidet. Hinzu kommt, dass eine kontinuierliche Ener-gieverteilung der β–Teilchen zwischen Null und einerMaximalenergie vorliegt. Die Abhangigkeit der Teil-chenanzahl von der Abschirmdicke zeigt daher einenkomplizierten Verlauf. Bei geringen Schichtdicken wirdzunachst ein annahernd exponentieller Abfall beobach-tet:

z = z0e−μax (2)

z – die wahrend einer bestimmten Zeit registrierte An-zahl von β –Teilchen hinter einer Abschirmschicht der

2

Abschirmung ionisierender Strahlung

Dicke x, z0 – die entsprechende Anzahl ohne Ab-schirmung, μa – linearer Absorptionskoeffizient, dervon der Energie der β–Strahlung und der Dichte desAbschirmmaterials abhangt. Mit zunehmender Dickeder zu durchdringenden Abschirmschichten treten Ab-weichungen vom expontentiellen Absorptionsgesetz auf(Abb. 1 ). Der mit entsprechenden Messgeraten regis-trierte Untergrund hat seine Ursache insbesondere inder Erzeugung von Bremsstrahlung bei der Wechselwir-kung der β–Teilchen mit den Atomen des Abschirm-materials. Diese Rontgenstrahlung besitzt Energien vonNull bis zur Maximalenergie. Die Intensitat der Brems-strahlung ist umso hoher, je großer die maximale Ener-gie der β–Strahlung und je großer die Ordnungszahl desAbschirmmaterials ist. Die maximale Reichweite Rmax

der β–Teilchen mit der maximalen Energie Eβ,max imEnergiebereich 0, 05 < Eβ,max < 3MeV berechnetsich nach Subtraktion des Untergrundes fur ein Medi-um der Dichte � mithilfe der empirischen Beziehung

Rmax

m=

1, 1�

kg m−3

⎡⎣√

1 + 22, 4

(Eβ,max

MeV

)2

− 1

⎤⎦ . (3)

lg—zz0

Rmax x

Abb. 1 Absorptionskurvefur β–Strahlung (schema-tisch)

102 100

10-1

10-2

10-3

10-41010,110-2

10-1

100

101

E�,max/MeV

Rm

ax/mLu

ft

Holz

Plexigl

as

Eisen

Blei

Abb. 2 ReichweiteRmax von β–Strah-lung in Abhangig-keit von der EnergieEβ,max fur verschie-dene Abschirmmate-rialien [9]

Gamma–Strahlung folgt beim Durchgang durch eineAbschirmung unter bestimmten Bedingungen ebenfallseinem exponentiellen Schwachungsgesetz:

ϕ = ϕ0e−μx (4)

ϕ – γ–Flussdichte hinter einer Abschirmung der Dickex, ϕ0 – Flussdichte ohne Abschirmung. Der lineareSchwachungskoeffizient μ setzt sich aus den Wirkungs-querschnitten der auftretenden Elementarprozesse zu-sammen. Da diese von der Energie der γ–Strahlung undder Ordnungszahl des Abschirmmaterials abhangen, fin-den sich derartige Abhangigkeiten in μ wieder. Das ex-ponentielle Schwachungsgesetz gilt nur unter der An-nahme, dass beim Durchgang eines parallelen Strah-lenbundels durch die Abschirmung jedes γ–Quant durcheinen einzigen Wechselwirkungsprozess vollig aus demStrahl entfernt wird. Da die Wahrscheinlichkeit hierfuran jeder Stelle der Abschirmschicht gleich ist, kann ei-ne maximale Reichweite fur γ–Strahlung nicht ange-geben werden. Außerdem gilt die Beziehung (4) nurfur schmale, vor und hinter der Abschirmung kollimier-te Strahlenbundel. Die in der Abschirmung gestreutenγ–Quanten konnen dabei den Detektor nicht erreichen,sodass nur die primaren γ–Quanten mit der EnergieEγ = E0 registriert werden. Beim Einfall breiter Strah-lungsbundel erreichen auch gestreute und sekundare γ–Quanten den Detektor, sodass eine Vergroßerung desDetektormesseffektes auftritt. Um diesen Umstand zuberucksichtigen und gleichzeitig die einfache Beschrei-bung mithilfe des exponentiellen Schwachungsgesetzesbeizubehalten, werden zur Korrektion AufbaufaktorenB (build-up-Faktoren) verwendet. Fur die Photonen-flussdichte (Eγ ≤ E0) gilt dann

ϕ = Bϕ0e−μx. (5)

Die Auswahl der Aufbaufaktoren, die fur viele Fallein Form umfangreicher Tabellenubersichten und gra-phischer Darstellungen zur Verfugung stehen [1–4], ist sorgfaltig vorzunehmen, da eine betrachtlicheAbhangigkeit von der Energie- und Richtungsverteilungder γ–Strahlung sowie von der stofflichen Zusammen-setzung und den geometrischen Eigenschaften der Ab-schirmung vorliegt. Außerdem sind die Aufbaufakto-ren nur fur die zugrunde gelegte Strahlungsfeldgroßegultig. Neben den Flussdichte–Aufbaufaktoren existie-ren weitere Aufbaufaktoren, z.B. fur die Energiedosis,die Aquivalentdosis u.a.Neutronen verlieren ihre Energie beim Durchgangdurch Abschirmschichten als Folge von Streuprozessenstufenweise. Die Abbremsung endet bei Erreichen derthermischen Energie oder beim Einfang der Neutronendurch Atomkerne. Vielfach wird bei den Streu- und Ab-sorptionsprozessen sekundare γ–Strahlung freigesetzt,deren Einfluss bei der Gestaltung von Neutronenab-schirmungen zu berucksichtigen ist. Die Wahrschein-lichkeit fur einen bestimmten Wechselwirkungsprozesshangt von der Neutronenenergie und von den Eigen-

3

Effekte der subatomaren Physik

schaften der Abschirmungen ab. Aufgrund der Kom-pliziertheit dieser Abhangigkeiten ist es kaum moglich,einfache Naherungsbeziehungen fur die Schwachungvon Neutronenstrahlung anzugeben, sodass auf kom-pliziertere Losungsmethoden der Transportgleichungzuruckgegriffen werden muss [1, 5]. Fur eine Reihevon Anwendungsfallen sind die Ergebnisse so aufberei-tet worden, dass daraus Aufbaufaktoren abgeleitet wur-den. Unter genauer Beachtung der Bestrahlungsbedin-gungen kann in diesen Fallen mit dem exponentiellenSchwachungsgesetz analog Gl. (5) gerechnet werden[1, 4, 5]. Fur Spaltneutronen lasst sich ein einfaches ex-ponentielles Schwachungsgesetz fur die DosisleistungD hinter einer Abschirmung der Dicke x angeben [3]:

D = D0e−Σrx (6)

D0 – Dosisleistung ohne Abschirmung, Σr effektiverBeseitigungsquerschnitt (effective removal cross sec-tion). Der makroskopische Querschnitt Σr ergibt sichaus

Σr = nσr ≈ n(σu + 0, 5σe) (7)

σr – mikroskopischer Beseitigungsquerschnitt, σu bzw.σe – mikroskopische Querschnitte fur die unelastischebzw. elastische Neutronenstreuung, n – Anzahldichteder Wechselwirkungspartner.

Anwendungen

Zur praktischen Realisierung von Abschirmanordnun-gen sind die Gesetzmaßigkeiten der Wechselwirkungvon Strahlung mit Stoffen zugrunde zu legen.Die Abschirmung von α–Strahlung ist sehr einfach,da ihre Reichweite in Luft nur wenige Zentimeter be-tragt; es reicht z.B. ein Blatt Papier.Die Abschirmung von β–Strahlung ist trotz der große-ren Reichweiten von einigen 100 cm in Luft ebenfallsunproblematisch, da die β–Teilchen in Materialschich-ten von wenigen Zentimetern Dicke vollstandig ab-sorbiert werden. Die Reichweite ist dabei umso klei-ner, je hoher die Ordnungszahl des Abschirmmaterialsist (Abb. 2 ). Abschirmmaterialien hoher Ordnungszahlfuhren zur Entstehung intensiver Bremsstrahlung. Op-timale Abschirmung von β–Strahlung erreicht man i.Allgemeinen durch Kombination zweier verschiedenerAbsorbermaterialien. Die Abschirmschicht auf der derβ–Quelle zugewandten Seite besteht aus Material nied-riger Ordnungszahl, dessen Dicke etwas großer als diemaximale Reichweite der β–Strahlung sein soll. Daranschließt sich eine zweite Schicht aus Material moglichsthoher Ordnungszahl an, die zur Schwachung der entste-henden Bremsstrahlung dient. Die Dicke dieser Schicht

richtet sich nach den Anforderungen an den Strahlen-schutz hinter der Abschirmung. In Tab. 1 sind lineareSchwachungskoeffizienten von Blei fur die Bremsstrah-lung angegeben, die bei Absorption von β–Teilchen des90Sr/90Y in verschiedenen Materialien entsteht. Einein der Praxis sehr oft verwendete Abschirmung fur β–Strahlung stellt die Kombination Plexiglas–Blei dar.

Tabelle 1 Schwachungskoeffizient μ von Blei fur Bremsstrahlung[6].Absorbermaterial μ/m−1 Absorbermaterial μ/m−1

Paraffin 260 Eisen 190Aluminium 220 Blei 150

Abschirmung von Gamma–Strahlung Zur Konzi-pierung von Abschirmungen fur γ–Strahlung ist dieAbhangigkeit der Schwachungskoeffizienten von derEnergie der γ–Strahlung und von der Ordnungszahl desAbschirmmaterials zu berucksichtigen. Aus Tab. 2 istdiese Abhangigkeit fur einige, im praktischen Strahlen-schutz interessierende Abschirmmaterialien ersichtlich,wobei der Massenschwachungskoeffizient μ/� angege-ben ist. Daraus geht hervor, dass zur Schwachung vonγ–Strahlung Materialien hoher Ordnungszahl beson-ders geeignet sind. Bleiabschirmungen besitzen deshalbim Strahlenschutz große Bedeutung (z.B. in Form vonContainern, Abschirmblenden, Bleiziegeln, Bleiglas-fenstern, Bleischutzkleidung). Zur Abschirmung große-rer Raume dienen meist Wande aus Normal– oder Ba-rytbeton.

Tabelle 2 Massenschwachungskoeffizient μ/� (in m2/kg) ver-schiedener Abschirmmaterialien in Abhangigkeit von der EnergieEγ der γ–Strahlung [1].Eγ/ Luft Wasser Alumi- Beton Eisen BleiMeV nium0, 01 0, 482 0, 499 2, 58 2, 65 17, 2 13, 200, 05 0, 0196 0, 0214 0, 0334 0, 0361 0, 184 0, 7170, 08 0, 0162 0, 0179 0, 0189 0, 0200 0, 055 0, 2120, 1 0, 0151 0, 0168 0, 0162 0, 0171 0, 0342 0, 05620, 2 0, 0123 0, 0136 0, 0120 0, 0125 0, 0139 0, 09690, 4 0, 00954 0, 0106 0, 00921 0, 00957 0, 00921 0, 02210, 6 0, 00804 0, 00894 0, 00777 0, 00807 0, 00761 0, 01200, 8 0, 00706 0, 00785 0, 00682 0, 00708 0, 00664 0, 008561, 0 0, 00635 0, 00706 0, 00613 0, 00637 0, 00596 0, 006892, 0 0, 00444 0, 00493 0, 00431 0, 00447 0, 00425 0, 004504, 0 0, 00308 0, 00340 0, 00311 0, 00319 0, 00331 0, 004156, 0 0, 00252 0, 00277 0, 00266 0, 00270 0, 00306 0, 004358, 0 0, 00223 0, 00243 0, 00244 0, 00245 0, 00299 0, 00460

10 0, 00205 0, 00222 0, 00232 0, 00231 0, 00299 0, 00487

Zur Dimensionierung von Abschirmungen mussenweiterhin die Aufbaufaktoren verfugbar sein, mit denendie Beeinflussung des Strahlungsfeldes durch die in derAbschirmung entstandene Streu– und Sekundarstrah-lung berucksichtigt werden kann. Diese Aufbaufaktorenhangen von der Energie der γ–Strahlung, von der Großeμx des Abschirmmaterials und von den geometrischen

4

Abschirmung ionisierender Strahlung

Tabelle 3 Dosis–Aufbaufaktoren fur Beton bei normalem Einfalleines breiten Strahlenbundels [1].

μxEγ/MeV 0, 5 1, 0 2, 0 4, 00, 2 1, 51 1, 95 2, 99 5, 240, 5 1, 45 1, 92 2, 90 5, 451, 0 1, 42 1, 79 2, 58 4, 572, 0 1, 35 1, 67 2, 38 3, 80

Tabelle 4 Parameter A, α und β zur Berechnung des Dosis–Aufbaufaktors fur Betonabschirmungen [7].Eγ/MeV A α β0, 5 12, 5 0, 111 0, 011 9, 9 0, 088 0, 0292 6, 3 0, 068 0, 0584 3, 9 0, 059 0, 0796 3, 1 0, 0585 0, 0838 2, 7 0, 057 0, 0835

10 2, 6 0, 05 0, 0855

Tabelle 5 Effektiver Beseitigungsquerschnitt σr fur Spaltneutronen[3].Material σr/10−28 m2 Material σr/10−28 m2

Aluminium 1, 31 Lithium 1, 01Beryllium 1, 07 Nickel 1, 89Blei 3, 53 Paraffin 2, 84Bor 0, 97 B4C 4, 7Eisen 1, 98 D2O 2, 76Kupfer 2, 04

Eigenschaften der Strahlungsquelle ab. Fur Strahlungs-schutzzwecke interessieren dabei besonders die Dosis–Aufbaufaktoren. In Tab. 3 sind Dosis–Aufbaufaktorenfur normalen Einfall eines breiten Strahlenbundels aufBetonabschirmungen unterschiedlicher Dicke angege-ben. Im Falle isotroper Punktquellen kann der Dosis–Aufbaufaktor nach der Naherungsbeziehung

B(μx) = Aeαμx + (1−A) e−βμx (8)

bestimmt werden. Die Großen A, α und β sind fur Be-tonabschirmungen in Tab. 4 angegeben.Abschirmung von Neutronen Zur Abschirmung vonNeutronen sind komplexe Anordnungen zu verwen-den. Diese bestehen aus Komponenten, in denen vor-zugsweise die Abbremsung der Neutronen auf niedri-ge Energien, die Absorption der abgebremsten Neutro-nen sowie die Schwachung entstehender Sekundarstrah-lung erfolgt. Zur Abbremsung energiereicher Neutro-nen werden Materialien hoher Ordnungszahl (z.B. Ei-sen) eingesetzt, in denen die Neutronen durch unelasti-sche Streuung einen großen Teil ihrer Energie verlieren.Die mittlere Neutronenenergie nach Passieren einer sol-chen Abschirmschicht von einigen cm Dicke liegt beica. 0, 1MeV − 1MeV. Daran schließt sich zur weite-ren Abbremsung eine Abschirmschicht aus Materiali-en niedriger Ordnungszahl (wasserstoffhaltige Substan-zen, Graphit) mit einer Dicke von einigen 10 cm an, in

der die Neutronen durch eine Vielzahl elastischer Streu-ungen ihre Energie abgeben. Ist der Bereich thermi-scher Energien erreicht, konnen die Neutronen in Ma-terialien mit hohem Einfangquerschnitt absorbiert wer-den. Solche Materialien sind z.B. Cadmium (Dicke ei-nige mm, Ausnutzung der Reaktion 113Cd(n, γ)114Cd)oder Bor (Dicke einige cm, Ausnutzung der Reakti-on 10B(n, α)7Li). Insbesondere im ersten Falle entstehthochenergetische sekundare γ–Strahlung, die durch ei-ne weitere Schicht aus Material hoher Ordnungszahl ab-zuschirmen ist. Gunstiger ist daher die Verwendung vonBorverbindungen als Neutronenabsorber (z.B. in Formvon Borstahl, Boral, boriertem Graphit). Anstelle einersolchen komplizierten geschichteten Anordnung kannes in verschiedenen Fallen okonomischer sein, ein ho-mogenes, billigeres Material mit großerer Dicke (biszu einigen m) als Abschirmung einzusetzen. Hierfurkommt Barytbeton, mitunter auch Normalbeton zur An-wendung. Genauere Angaben, insbesondere uber die er-forderlichen Abschirmdicken, konnen nur mithilfe spe-zieller Losungen der Strahlungstransportgleichung er-halten werden (s. z.B. [8]).

Fur eine Abschatzung der Reduzierung der Dosisleis-tung von Spaltneutronen durch Abschirmungen kanndie einfache Beziehung (6) zugrunde gelegt werden.Die dazu benotigten effektiven Beseitigungsquerschnit-te sind fur einige Beispiele in Tab. 5 angegeben.

Literatur[1] JAEGER, R.G. (Hrsg.): Engineering Compendium on Radia-

tion Shielding. Volume 1. Shielding Fundamentals and Me-thods. – Berlin, Heidelberg, New York: Springer-Verlag 1968(Russ. Ausgabe in 2 Banden. – Moskau: Atomizdat 1972u. 1973).

[2] WOOD, J.: Computational Methods in Reactor Shielding. –Oxford: Pergamon Press 1982.

[3] PRICE, B.T.; HORTON, C.C.; SPINNEY, K.T.: RadiationShielding. – NewYork: Pergamon Press 1957.

[4] SHULTIS, J.K.; FAW, R.E.: Radiation Shielding. – London:Prentice-Hall PTR 1996.

[5] JAEGER, R.G. (Hrsg.): Engineering Compendium on Radia-tion Shielding, Volume 3, Shield Design and Engineering. –Berlin, Heidelberg, New York: Springer-Verlag 1970.

[6] HERFORTH, L.; KOCH, H. u.a.: Praktikum der Radioaktivitatund Radiochemie. – Leipzig, Berlin, Heidelberg: Barth; – Ber-lin: Ed. Dt. Verl. der Wiss. 1992.

[7] BRODER, D.L. u.a.: Beton v zascite jadernych ustanovok, 2.uberarb. u. erg. Aufl. – Moskau: Atomizdat 1973.

[8] DORSCHEL, B.; HERFORTH, L.: Neutronen–Personendosi-metrie. – Berlin: VEB Deutscher Verlag der Wissenschaften1977.

[9] DIMITRIJEVIC, C.: Praktische Berechnung der Abschir-mung von radioaktiver und Rontgenstrahlung. – Wein-heim/Bergstraße: Verlag Chemie GmbH 1972.

5

Effekte der subatomaren Physik

AktivierungDr. K. Irmer, Dr. E. J. Langrock

Unter Aktivierung wird hier die Erzeugung einer Radio-aktivitat verstanden. Im Jahre 1934 fand das EhepaarF. und I. JOLIOT-CURIE, dass das Element Bor, wennes mit α–Teilchen bestrahlt wurde, auch nach Aussetzender Bestrahlung mehrere Minuten eine Strahlung emit-tierte, die sich spater als β–Strahlung erkennen ließ [1].Der zeitliche Abfall folgte einem Exponentialgesetz miteiner Halbwertszeit von 10, 1min. Damit war es gelun-gen, durch Bestrahlung eines Grundstoffes kunstlich einradioaktives Nuklid zu erzeugen. Es zeigte sich sehr bald,dass zur kunstlichen Umwandlung von Atomkernen unddamit zur Erzeugung neuer, in der Natur nicht vorkom-mender Nuklide grundsatzlich alle Strahlungen geeig-net sind. Voraussetzung waren der Bau leistungsfahigerBeschleunigungsanlagen wie Linearbeschleuniger, Zyklo-tron und Betatron und die Entwicklung des Kernreaktors.

Die Aktivierung ermoglicht die Herstellung radioak-tiver Nuklide aller Elemente. Sie ist die Grundlage furalle Arbeiten auf dem Gebiet der angewandten Radio-aktivitat. Es gibt zwei große Einsatzgebiete der Aktivie-rung: Die Herstellung von Strahlungsquellen, bei denendie Wirkung der Strahlung auf Stoffe ausgenutzt wird,und die Herstellung radioaktiver Indikatoren, bei denendie Strahlung zum Nachweis des aktivierten Stoffes dient.

Sachverhalt

Die Aktivierung eines Stoffes erfolgt in der Praxis meistdurch Bestrahlung mit Neutronen, geladenen Teilchenoder γ–Quanten. Im bestrahlten Stoff finden Kernreak-tionen statt, wodurch radioaktive Nuklide entstehen.

Neutronen ergeben im Gegensatz zu geladenen Teil-chen sehr viel großere Reaktionsausbeuten. Jedes freieNeutron beliebiger Anfangsenergie fuhrt schließlich zueiner Kernreaktion, wahrend geladene Teilchen weitausam haufigsten durch Ionisationsverluste im beschosse-nen Material ihre Energie aufbrauchen und damit furden Kernprozess verloren gehen. Der Kernreaktor istdie starkste Neutronenquelle. Die wahrend des Betrie-bes eines Reaktors im stationaren Zustand vorhandeneMenge an freien Neutronen wird fur die Bestrahlungbenutzt. Diese Menge wird angegeben als Neutronen-fluss Φ, das ist die Anzahl der Neutronen, die je Se-kunde durch 1 cm2 Flache hindurchtreten. Die Neutro-nenflusse von Reaktoren erreichen Werte von 1011 −1015 cm−2s−1. Das im Reaktor vorhandene Neutronen-energiespektrum weicht vom Spaltspektrum (s. Kern-spaltung, S. 67) ab. Es hat einen hohen Anteil ther-mischer Neutronen, deren Fluss etwa 10fach hoher alsder der schnellen Neutronen ist. Fur die Aktivierungim Kernreaktor werden hauptsachlich Neutronenein-fangreaktionen genutzt, wie z.B. 23Na(n, γ)24Na oder

59Co(n, γ)60Co, die bei der Wechselwirkung thermi-scher Neutronen vorherrschend sind. Neutronenquellenkleiner Abmessungen (z.B. 30mm�, 60mm lang) las-sen sich unter Verwendung von Radionukliden durchAusnutzung von Kernreaktionen mit 9Be oder der spon-tanen Spaltung des Nuklids 252Cf herstellen (Tab. 1).Aufgrund der begrenzten Ausbeute sind nur kleine Neu-tronenflusse bis 107 cm−2s−1 erreichbar. Neutronenge-neratoren bestehen aus einem Beschleuniger und einemTarget, in dem die beschleunigten Teilchen eine neu-tronenerzeugende Kernreaktion auslosen. Fur die Akti-vierung wird am haufigsten die Reaktion 3He(d, n)4Heverwendet. Diese hat einen maximalen Wirkungsquer-schnitt bei 150 keV Deuteronenenergie, sodass mit klei-nen elektrostatischen Beschleunigern gearbeitet werdenkann. Die Neutronen sind nahezu monoenergetisch undbesitzen eine Energie von 14MeV. Der nutzbare Neu-tronenfluss betragt maximal 1010/cm2s. Der Einsatz er-folgt zur Aktivierung von Stoffen, deren Atome auf-grund hoher Schwellwerte nicht mit thermischen Neu-tronen aktiviert werden konnen, z.B. 16O(n, p)16N19

mF(n, α)16N,14N(n, 2n)13N.

Tabelle 1 Radionuklid–NeutronenquellenKern-reaktion

Quellen-type

maximaleAusbeute

T1/2 Neutronen-energie

α, n 238Pu/Be 108 s−1 86 a kontinuierli-ches Spek-trum, Emax

= 11 MeV241Am/Be 108 s−1 458 a

γ, n 124Sb/Be 109 s−1 0, 17 a 26 keVSpaltung 252Cf 1011 s−1 2, 65 a Spaltspek-

trum

Tabelle 2 Aktivierungsausbeute fur die Aktivierung am ZyklotronKernreaktion Teilchen-

energieMeV

Aktivierungs-ausbeute105 Bq/(mA s)

Zerfalls-konstantes−1

7Li (p, n) 7Be 22 25, 2 1, 51(−7)10B (d,n) 11C 15 72, 2 5, 66(−4)19F (p, pn) 18F 22 1100 1, 05(−4)24Mg (dα) 22Na 15 0, 26 8, 45(−9)27Al (d,pα) 24Na 30 326 1, 28(−5)31P (d,p) 32P 30 59, 3 5, 61(−7)52Cr (d, 2n) 52Mn 15 12, 0 1, 41(−6)56Fe (d, 2n) 56Co 15 649 1, 04(−7)65Cu (d, 2n) 65Zn 15 0, 52 3, 27(−8)197Au (d, p) 198Au 30 148 2, 97(−6)

Zur Aktivierung mit geladenen Teilchen (Proto-nen, Deuteronen, 3He– und 4He–Kerne) sind Teil-chenenergien von 10 . . . 30MeV erforderlich. Die Io-nen verlassen den Beschleuniger annahernd monoener-getisch. Im bestrahlten Stoff verlieren sie infolgeIonisations- und Strahlungsbremsung sehr rasch ihreEnergie. Daher ist die Aktivierung mit geladenen Teil-

6

Aktivierung

chen auf dunne Schichten beschrankt. Die Kernreak-tionen sind je nach Art des Geschosses, der Energieund des Targetmaterials verschieden und weisen ei-ne sehr große Vielfalt auf, moglich sind z.B. (p,n)–,(p,α)–, (p,pn)– und (p,2n)–Reaktionen. Bei der Be-strahlung von Kupfer mit Deuteronen einer Energievon mehr als 10MeV treten beispielsweise folgen-de Reaktionen auf: 63Cu(d, p)64Cu, 65Cu(d, 2n)65Zn,63Cu(d, 2n)63Zn und 65Cu(d, 2p)65Ni.

Die Aktivierung mit γ–Strahlung, auch Photoaktivie-rung genannt, verlangt eine hohe Quantenenergie, da dieAktivierungsreaktionen endoenergetisch sind und dieSchwellenenergien bei 10 . . . 20MeV liegen. Die Quan-ten werden als Bremsstrahlung von Elektronen einerEnergie 15 . . . 30MeV, die auf ein Target hoher Ord-nungszahl geschlossen werden, erzeugt. Als Elektronen-beschleuniger dienen Betatron, Mikrotron oder Linear-beschleuniger. Die Photoaktivierung kann durch Kern-reaktionen mit Emission ein oder mehrerer Kernteil-chen, z.B. (γ,n), (γ,p), (γ,pn) und (γ, α), erfolgen oderdurch eine (γ, γ′)–Reaktion, bei der der Kern nach derResonanzabsorption des γ–Quants in einen langlebigenisomeren Zustand ubergeht, der durch Emission einerγ–Strahlung zerfallt [2].

Kennwerte, Funktionen

Die Reaktionsrate R, das ist die Anzahl der je Sekundedurch Aktivierung eines bestimmten Isotops entstehen-den radioaktiven Kerne, betragt

R = ΦσhmNA

M; (1)

Φ – Flussdichte der aktivierenden Strahlung(Teilchen·cm2s), σ – Wirkungsquerschnitt der Kern-reaktion (cm2), h – relative Haufigkeit des Isotops,M – Massenzahl, NA – AVOGADRO–Konstante(6, 022·1023/mol).Da die radioaktiven Kerne zerfallen konnen, sobaldsie entstehen, betragt die Aktivitat am Ende derBestrahlungszeit tB

A = ΦhmNA

M(1− e−λtb) (2)

(λ – Zerfallskonstante).Vergeht vom Bestrahlungsende bis zur Anwendung derAktivitat eine Zeit tw, so gilt aufgrund des Zerfallsge-setzes

A =hmNA

M(1− e−λtb)e−λtW . (3)

Die Gesamtaktivitat eines bestrahlten Stoffes ist dieSumme der Aktivitaten, die sich fur die einzelnen Iso-tope ergeben.

Bei der Bestrahlung mit geladenen Teilchen ist dieGultigkeit dieser Aktivierungsgleichung auf sehr dunneStoffschichten begrenzt, da sich Φ und σ sehr stark mitder Eindringtiefe andern. Die Berechnung der Aktivitatdicker Schichten kann nach der Beziehung

A = η I tB (4)

erfolgen (Tab. 2). Dabei ist I der Strahlstrom des Be-schleunigers und η die Aktivierungsausbeute, die sichnach der empirischen Beziehung

η = 6,24·1012 kBq

mAs(5)

abschatzen lasst. Die Zerfallskonstante λ ist in s−1 ein-zusetzen, und k ist ein Faktor von 0, 1 . . . 1, der von denBestrahlungsbedingungen abhangt.

Tabelle 3 Resonanzenergien und Wirkungsquerschnitte fur dieAktivierung mit γ–Strahlung bei leichten ElementenKernreaktion Resonanz- Wirkungs-

energie querschnittMeV 10−27 cm2 s−1

12C(γ, n)11C 22, 8 10 5,66·10−4

14N(γ, n)13N 23, 5 10 1,16·10−3

16O(γ, n)15O 21, 9 14 5,64·10−3

19F(γ, n)18F 19, 2 14 1,05·10−4

32S(γ, n)31S 20, 1 14, 2 2,55·10−1

Bei der Aktivierung mit γ–Strahlung durch eine(γ,n)–, (γ,p)– oder (γ, α)–Reaktion zeigt die Wirkungs-querschnittskurve uber der Energie eine Riesenresonanzdie bei leichten Elementen zwischen 18 und 25MeVliegt (Tab. 3) und deren Energie bei schwereren Elemen-ten mit Z > 20 anhand der Beziehung

ER = 73M−1/3 (6)

berechnet werden kann. Der integrale Wirkungsquer-schnitt lasst sich mit der einfachen Gleichung∫ ∞

0(Eγ) dEγ = 0, 058

(M − Z)Z

M10−18 eV cm2 (7)

berechnen. Dieser Wirkungsquerschnitt gibt bei mittel-schweren Nukliden die Summe der (γ,p)– und (γ,n)–und bei schweren Elementen die Summe der (γ,n)– und(γ,2n)–Wirkungsquerschnitte an.

Anwendungen

Aktivierungsanalyse ist die qualitative und quantitati-ve Analyse von Stoffgemischen, Verunreinigungen oderSpurengehalten durch Messung der in den zu analysie-renden Stoffen infolge Bestrahlung erzeugten kunstli-chen Radioaktivitat [2, 3]. Die Identifizierung der er-zeugten Radionuklide erfolgt qualitativ anhand der Art

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Effekte der subatomaren Physik

und Energie der Strahlung sowie der Halbwertszeit. Furdie quantitative Analyse wird die der Menge des zu be-stimmenden Elements proportionale Aktivitat der ge-bildeten Radionuklide genutzt. Die Empfindlichkeit Sder Aktivierungsanalyse kann als Produkt der Aktivie-rungsempfindlichkeit SA und der MessempfindlichkeitSM ausgedruckt werden. Die Aktivierungsempfindlich-keit entspricht der auf die Masse m bezogenen Aktivitatam Ende der Bestrahlung. Sie wird mit Gl. (2) berech-net; die Parameter ausgewahlter Isotope sind fur ver-schiedene Bestrahlungsarten in den Tab. 3 und 4 ange-geben. Die Aktivierungsanalyse wird vornehmlich alsNeutronenaktivierungsanalyse praktiziert und hat in die-ser Form einen festen Platz in der chemischen Analytik.Große praktische Bedeutung hat auch die Photonenakti-vierungsanalyse erlangt [9,10]. Hier ist es vor allem dieMoglichkeit, die leichteren Elemente wie C,N und Obestimmen zu konnen (Tab. 5).

Tabelle 4 Aktivierungsquerschnitte fur 14–MeV–Neutronen –(1) Targetkern, (2) Isotopenhaufigkeit in %, (3) Radionuklid, (4)Wirkungsquerschnitt in 10−27 cm2, (5) Zerfallskonstante in s−1

(1) (2) (3) (4) (5)11B 80, 4 8Li 34 7, 79 (1)14N 99, 6 13N 6 1, 16 (3)16O 99, 8 16N 42 9, 71 (2)19F 100 16N 50 9, 71 (2)23Na 100 20F 222 6, 07 (2)26Mg 11, 3 23Ne 10 1, 84 (2)27Al 100 27Mg 80 1, 22 (3)28Si 92, 3 28Al 250 5, 16 (3)31P 100 28Al 150 5, 16 (3)37Cl 24, 5 37S 30 2, 28 (3)41K 6, 9 38mCl 30 3, 12 (4)50Ti 5, 3 50Sc 27 6, 72 (3)51V 99, 8 51Ti 27 2, 00 (3)52Cr 83, 8 52V 80 3, 97 (3)54Fe 5, 8 53Fe 15 1, 36 (3)55Mn 100 52V 50 3, 97 (3)59Co 100 56Mn 40 7, 47 (5)63Cu 69, 1 62Cu 550 1, 19 (3)64Zn 48, 9 63Zn 170 3, 01 (4)69Ga 60, 2 66Cu 110 2, 27 (3)70Ge 20, 6 70Ga 130 5, 78 (4)75As 100 75Ge 12 1, 41 (4)79Br 50, 5 78mBr 835 1, 44 (1)80Se 49, 8 77mGe 40 1, 31 (2)109Ag 48, 7 108Ag 70 4, 77 (3)121Sb 57, 3 120Sb 120 7, 27 (4)

Die Messempfindlichkeit hangt vom zeitlichen Ab-lauf des Messregimes und den Eigenschaften der Mess-anordnung und des Detektors ab. Die Impulsdichte z′

am Ausgang eines Kernstrahlungsmessgerates ist dergemessenen Aktivitat proportional. Der Proportiona-litatsfaktor ist die Messausbeute KM [4, 5]. Unter der

Berucksichtigung der Messzeit tM folgt aus Gl. (3)

SM = KM e−λtw(1− e−λtM). (8)

Damit gilt fur die Impulszahl Z, die fur ein bestimmtesIsotop, das in einer Messprobe der Masse mP enthaltenist, gemessen wird,

Z = SA SM mP. (9)

Dieser Impulszahl Z ist eine durch die Storaktivitat unddie Untergrundstrahlung hervorgerufene Impulszahl ZS

uberlagert. Die Storaktivitat entsteht durch die Aktivie-rung aller anderen in der Probe enthaltenen Nuklide. DieImpulszahl ZS bestimmt die Nachweisgrenze mmin derMasse eines Elementes. Fur eine Irrtumswahrschein-lichkeit von 0, 3% betragt sie

mmin =3√

2ZS

S. (10)

Tabelle 5 Erreichbare Aktivitaten bei der Photonenaktivierung inBq bei 4 h BestrahlungszeitReaktion Produkt 25MeV 30MeV 35MeV12C(γ, n)11C 20, 5 min 6·101 2·102 5·102

14N(γ, n)13N 10, 0 min 1·102 4·102 8·102

16O(γ, n)15O 2, 1 min 1·102 3·102 6·102

19F(γ, n)18F 1, 83 h 4·101 13·102 2·102

Durch die chemische Abtrennung der Storaktivitatenkann ZS erheblich verkleinert und damit die Nachweis-grenze verringert werden. Diese Arbeitsmethode wirdals chemische Aktivierungsanalyse bezeichnet. Tab. 5zeigt erreichbare Aktivitaten fur die Photonenaktivie-rung von einigen leichten Elementen.

Die Kalibrierung der Aktivierungsanalyse wird mit-hilfe von Standardproben durchgefuhrt. Unter den-selben Bestrahlungs- und Messbedingungen wie beiden Messproben wird das Verhaltnis Standardmasse zuStandardimpulszahl mSt/ZSt ermittelt. Die unbekannteSubstanzmasse mp wird als Proportion

mp = Z ·mSt/ZSt (11)

berechnet. In der betrieblichen Messtechnik werden Ra-dionuklidneutronenquellen zur Analyse einiger gut ak-tivierbarer Elemente, vorzugsweise Si, Al, Cr, F und Veingesetzt [6, 7]. Die Tab. 6 und 7 zeigen die Nachweis-grenzen der zerstorungsfreien Aktivierungsanalyse furverschiedene Aktivierungsarten.Aktivierungsdetektor Beim Aktivierungsdetektor wirddie Energieabhangigkeit des Aktivierungsquerschnittesbestimmter Stoffe ausgenutzt. Es konnen Schwellwert–oder Resonanzdetektoren verwendet werden. Bevorzug-tes Anwendungsgebiet ist die Bestimmung der Energie-spektren von Neutronen, wobei Schwellwertdetektoren

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