Kerne

Welche Atomkerne gibt es?

Die Atome der verschiedenen Elemente unterscheiden sich in der Grösse ihrer Kerne, in denen mehr als 99% der Atommasse konzentriert sind. Die Atomkerne sind aus Protonen und Neutronen (den “Nukleonen”) aufgebaut, wobei die Protonenzahl die Ordungszahl des Elementes bestimmt. Jedem in der Natur vorkommenden Element entspricht also genau eine Zahl von Protonen im Kern und jeder möglichen Protonenzahl entspricht ein Element, vom Wasserstoff mit einem Proton bis zum Uran mit 92 Protonen.

Was hält die Nukleonen zusammen?

Kerne können nicht ausschließlich aus Protonen bestehen; ihre gegenseitige elektrische Abstoßung verhindert eine Bindung. Zur Bindung braucht es die elektrisch neutralen Neutronen, die durch die Wirkung der Kernkraft zwischen den Nukleonen die Kerne stabilisieren. Für eine gegebene Zahl von Protonen kann die Anzahl von Neutronen in einem bestimmten Bereich variieren (Isotopen). Weicht die Zahl der Neutronen allerdings zu weit von einem optimalen Mittelwert ab, so werden die Kerne instabil und verwandeln sich unter Aussendung von Strahlung in andere Kerne (Radioaktivität).

Die Kernkraft ist wesentlich stärker als die elektromagnetische Kraft, hat aber eine sehr kurze Reichweite. Selbst die größten Kerne haben Durchmesser von nur einigen Femtometern (10-15 m). Da die Kernkraft hauptsächlich zwischen benachbarten Nukleonen wirkt, stellt sich bei der theoretischen Berechnung der Kerne ein Vielkörperproblem, das bei Berücksichtigung der quantenmechanischen Eigenschaften der Nukleonen (Spin, Pauli-Prinzip) nur Näherungslösungen unter bestimmten Modellannahmen erlaubt. Die Kernkraft selbst wird heute theoretisch auf die Austauschkraft der Gluonen zurückgeführt, die Quarks zu Nukleonen bindet.

Die starke Kraft zwischen Nukleonen hat zur Folge, dass viel Energie frei wird, wenn sie eine Bindung eingehen. So kann etwa ein Proton ein oder zwei Neutronen binden, was zwei Isotopen des Wasserstoffs ergibt, nämlich Deuterium, bzw. Tritium. Zwei Protonen alleine binden wegen der elektromagnetischen Abstoßung nicht, wohl aber zusammen mit einem oder zwei Neutronen (3He, bzw 4He). 4He ist ein besonders stark gebundenes System; die Differenz seiner Masse zur Summe der Massen vier freier Nukleonen beträgt 28 MeV, also 0.7%. Diese hohe Bindungsenergie ist die Quelle der bei Kernfusion von Wasserstoff zu Helium frei werdenden Energie, also jenes Prozesses der unsere Sonne und die meisten anderen Sterne zum Leuchten bringt.

Die kosmische Häufigkeit der Elemente Eisen und Nickel erklärt sich dadurch, dass die mittlere Bindungsenergie pro Nukleon bei diesen Elementen ein Maximum erreicht und sie, sowie alle leichteren Elemente, durch Kernfusion in den Sternen gebildet werden. In schwereren Kernen befindet sich eine immer größere Zahl von Nukleonen in energiereicheren Zuständen (Pauli-Prinzip), wodurch die mittlere Bindungsenergie wieder abnimmt. Diese Kerne werden nicht durch “normale” Kernfusion sondern durch hochenergetische Kollisionen in Supernovae Explosionen gebildet. Bei Uran erreicht die Stabilität der Nukleonsysteme seine natürliche Grenze.

Die Entstehung der Elemente zeigt bereits, dass Kerne durch Beschuss mit einzelnen Nukleonen oder leichten Kernen sich ineinander umwandeln (Transmutation), bzw. eine Vielzahl anderer stabiler und instabiler Kerne bilden können. Insgesamt sind derzeit etwa 3100 Isotopen bekannt, von denen nur 255, also weniger als 10%, stabil sind. Die Untersuchung von Kernen an der Grenze der Stabilität erlaubt wichtige Tests quantenmechanischer Mehrteilchensysteme.

Ein besonderes Forschungsgebiet betrifft die künstliche Herstellung superschwerer Elemente (“Transurane”), d.h. von Kernen, deren Protonenzahl jene von Uran (92) übersteigt. Das schwerste bisher hergestellte Element hat 118 Protonen. Auf Grund des bisherigen Verständnisses der Kernkraft vermutet man eine “Insel der (Quasi-) Stabilität”, d.h. von Kernen relativ langer Lebensdauer bei einer Protonenzahl von etwa 126 (“magische Zahlen”).

Radioaktivität

Die Entdeckung mysteriöser Strahlen bei der Untersuchung schwerer Elemente zu Ende des 19. Jhdt.s war der eigentliche Beginn der Kernphysik. Die verschiedenen Strahlen mit den historischen Bezeichnungen α, β und γ wurden rasch als Aussendung von Heliumkernen (α), von Elektronen oder Positronen (β, zusammen mit Neutrinos in der Umwandlung von Protonen in Neutronen und umgekehrt) und von hochenergetischen Photonen (γ) identifiziert. Dazu kommen noch die Abstrahlung einzelner Protonen oder Neutronen und das “Aufbrechen” schwerer Kerne in leichtere Kerne und Neutronen (“Kernspaltung”). Alle diese Prozesse spielen eine wichtige Rolle in der Nuklearmedizin und –technologie.

Anwendungen der Kernphysik

Die Vielfalt radioaktiver Isotope (Lebensdauer, Zerfallsprodukte) findet breite Anwendung in verschiedenen Bereichen von Wissenschaft, Technik und Medizin. Durch den Ersatz stabiler Isotopen durch radioaktive kann in einer Vielzahl chemischer Verbindungen deren Weg in der Natur und in Organismen gezielt verfolgt werden (“Markierung”). Isotopen mit intensiver γ-Strahlung werden für die Bestrahlung von Tumoren in der Medizin und zur Werkstoffprüfung eingesetzt. Zur Altersbestimmung geologischer und biologischer Stoffe dient die Messung der relativen Strahlungsintensität langlebiger Isotope, die nach der Entstehung der Stoffe nicht mehr natürlich ersetzt werden. Die bekannteste, aber keineswegs einzige dieser Methoden ist die Messung der β-Strahlung von 14C in organischen Stoffen, die für die Archäologie der letzten 10000 Jahre einen wichtigen Beitrag leistet.

Die Spinzustände vieler Kerne lassen sich durch Einstrahlung elektromagnetischer Wellen zu charakteristischen resonanten Schwingungen anregen und mit geeigneten Detektoren beobachten. Dies wird in der Kernspintomografie zur nicht invasiven Untersuchung organischer Gewebe und anderer Materialien verwendet.

Kernspaltung und Kernfusion sind Prozesse, in denen die Unterschiede der Bindungsenergie der Nukleonen in verschiedenen Kernen ausgenützt wird; Masse wird dabei in kinetische Energie der Reaktionsprodukte verwandelt. Die enorme destruktive Wirkung solcher Prozesse in unkontrollierter Form hat sich in den Kernwaffen gezeigt. Kontrollierte Kernspaltung in Kernreaktoren dient der Energieversorgung in industriellem Maßstab, die Umsetzung der Zerfallswärme in elektrische Energie der Versorgung von Geräten in Weltraumsonden (“Weltraumbatterien”). Kontrollierte Fusion von Wasserstoff zu Helium stellt enorme technische Herausforderungen. Nach einer Anzahl erfolgreicher Versuchsanlagen mit kurzer “Brenndauer” ist derzeit eine Anlage für einen experimentellen Dauerbetrieb in Vorbereitung (ITER).

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