Kernkraft

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Als Kernkraft oder Restwechselwirkung wird die Kraft verstanden, welche den Atomkern zusammenhält. 1934 entdeckte der japanische Physiker Hideki Yukawa das nach ihm benannte Yukawa-Potential. Das Potential beschreibt die Reichweite einer Kraft als invers zur Masse des Austauschteilchens. Da die Reichweite der Kernkraft etwa bekannt war, konnte er für das Austauschteilchen die Masse berechnen. Dieses Yukawa-Teilchen wurde 1947 in der Höhenstrahlung entdeckt und Pion genannt.[1][2] Hideki Yukawa erhielt 1949 „für seine auf der Theorie der Kernkräfte beruhende Vorhersage der Existenz der Mesonen“ den Nobelpreis für Physik.

Nuclear Force anim smaller.gif

In der Animation rechts ist dies am Beispiel von Deuterium dargestellt, also dem schweren Wasserstoff, der aus einem Proton und einem Neutron besteht. Beide bestehen, weil sie Baryonen sind, aus drei Quarks. Das Proton besteht aus Up-Up-Down-Quarks, das Neutron aus Down-Down-Up-Quarks. Die Quarks werden durch die Farbkraft in dem Baryon zusammengehalten. Das Austauschteilchen, hier ein Pion, ist ein Meson. Als solches besteht es aus einem Quark-Antiquark-Paar, welches ebenfalls durch die Farbkraft zusammengehalten wird.[1] Die Farbkraft wird durch Gluonen vermittelt, welche in der Animation als kleine Punkte dargestellt sind. Die Farbkraft ist wie ein Gummiband, reißt es, entsteht ein Quark-Antiquark-Paar.[2]

Die eigentliche Kernkraft bzw Restwechselwirkung entsteht analog zu den Van-der-Waals-Kräften, die das Gecko an der Wand laufen lassen:[2] Elektronen in einem Atom können sich nur in bestimmten Grenzen bewegen. Mal sind aber mehr Elektronen auf der einen Seite der Atomhülle, mal auf der anderen. Dies führt zu einer Ladungsverteilung im winzigsten Maßstab; der Punkt im Raum wo sich die positive Ladung des Kerns und die negative Ladung der Hülle aufheben, sind nicht deckungsgleich mit dem Schwerpunkt des Atomteilchens. Das Atom wird von seinem Schwerpunkt aus betrachtet zu einem Dipol, denn auf einer Seite davon ist es positiv, auf der anderen negativ. Einzelne Atome bzw unpolare Moleküle sind jedoch nur temporäre Dipole, denn ihre Polarität ist von der Elektronenverteilung abhängig, die ständig wechselt. Kommen nun zwei unpolare Moleküle lange und nahe genug zusammen, gehen sie eine Wechselwirkung miteinander ein. Wenn etwa Teilchen A dem Nachbarn B eine negativ geladene Seite zeigt, dann werden die Elektronen des Nachbarn B von der zugewandten Seite abgestoßen. So wird aus Teilchen B ebenfalls ein Dipol. Zwischen dem ursprünglichen, temporären Dipol und dem induzierten Dipol kommt es nun zu Van-der-Waals-Kräften: Die Dipole beeinflussen sich gegenseitig, ihre Elektronenverschiebung synchronisiert sich.

Gleiches gilt auch für die Kernkraft. Statt nur ein Plus- und Minuspol wie bei der elektrischen Ladung gibt es bei der Farbladung aber drei „Pluspole“ rot, blau und grün, sowie drei „Minuspole“ cyan, gelb und magenta. Die Kombination aus rot-blau-grün ist nach außen ladungsneutral, ebenso blau-gelb. Jedes Baryon und Meson muss nach außen ladungsneutral sein. So wie sich die elektrischen Ladungen zwischen den Atomen bzw Molekülen synchronisieren um die Van-der-Waals-Kräfte zu erzeugen, synchronisieren sich auch die Farbladungen in den Baryonen über den Mesonenaustausch um die Kernkraft zu erzeugen. Im Bereich oberhalb von 1,2 Femtometern ist der Austausch von π-Mesonen für die Wechselwirkung verantwortlich. Zwischen 0,6 und 1,3 Femtometern wird die anziehende Wirkung durch den Austausch von π-Mesonen und η-Mesonen beschrieben. Unter 0,6 Femtometern kommt der abstoßende Kern durch den Austausch von ρ-Mesonen und ω-Mesonen zu tragen.[1]

Leichte Atomkerne haben einen größeren Teil ihrer Nukleonen an der Oberfläche, wo sie weniger Nachbarn zum Mesonen-Austausch haben. Bei schweren Kernen überwiegt die abstoßende Coulombkraft aller Protonen mit ihrer großen Reichweite die Kernkraft der nächsten Nachbarn. Der Mesonen-Austausch liefert den Hauptanteil an der Bindungsenergie eines Atomkerns, diese ist im Bereich von 56Fe und 62Ni maximal pro Nukleon. Daher kann im Gebiet der leichten Kerne durch Kernfusion, im Gebiet der schweren Kerne durch Kernspaltung Energie gewonnen werden.[2]

Einzelnachweise

  1. a b c Bethge, Walter, Wiedeman Kernphysik – Eine Einführung Springer, 2007. ISBN 978-3-540-74567-9
  2. a b c d Theo Mayer-Kuckuk Kernphysik – Eine Einführung Vieweg+Teubner Verlag, 2002. ISBN 978-3-322-84876-5