Unsere Welt zu verstehen:  Kernphysik Chemie

 

 
Kernphysik — weit einfacher als Chemie

— hmsgnr0461z

 
 
Ganz ähnlich wie die elektromagnetische Wechselwirkung Atome zu Molekülen verbindet, gruppiert die starke und die schwache Wechselwirkung Nukleonen (= Protonen und Neutronen) zu Atomkernen.
 
Die Kraft, welche die Nukleonen als Gruppe zusammenhält, wird durch Mesonen vermittelt, vor allem durch die Pionen ( π⁺, π⁰, π^- ). Sie treten bei solcher Wechselwirkung einzeln, zu zweit oder auch zu mehreren auf.
 
Da Pionen Ruhemasse haben, ist die Reichweite dieser Austauschteilchen stark eingeschränkt.
 
Freie Neutronen sind instabil: Mit einer mittleren Zerfallszeit von 14 Min und 39 Sec zerfallen sie zu jeweils 1 Proton + 1 Elektron + 1 Antineutrino.
 
 
Während die Zahl unterschiedlicher chemischer Verbindungen durch die Geschicklichkeit der Chemiker ständig zunimmt, bliebt die Zahl unterschiedlicher Atomkerne begrenzt auf etwas mehr als 300 (wobei aber nur 92 davon natürlich vorkommende Elemente repräsentieren). Dies macht Kernphysik deutlich übersichtlicher als Chemie.
 
Dass die Zahl unterschiedlicher Atomkerne begrenzt ist, liegt daran, dass in Kernen, in denen es zu einem Überschuss an Protonen kommt, sich Protonen gerne unter Abgabe je eines Positrons und eines Neutrinos zu Neutronen machen (sog. Betazerfall). Eben deswegen ist nur ein schmaler Bereich möglicher Kernzusammen­setzungen mit jeweils einer ungefähr gleichen Zahl von Protonen und Neutronen stabil.
 
 
Die grundlegenden Eigenschaften der Kerne lassen sich anhand der Kenntnis ihrer Massen erklären (die man mit sog. Massenspektoskopie ermittelt).
 
Die verschiedenen Kerne kennzeichen sich durch die Zahl ihrer Protonen und Neutronen:

 

• Die Zahl Z der Protonen heißt Kernladungszahl,
   
• die Zahl sämtlicher Nukleonen eines Kerns nennt man seine Massenzahl.

Interessant ist nun, dass die Masse pro Nukleon — notwendiger Bindungsenergie wegen — nur beim Wasserstoffisotop ¹H genau die eines Protons ist, ansonsten aber bis zu einem Prozent kleiner sein kann.
 
Am kleinsten ist sie in ⁵⁶F (Eisen), so dass Eisen die höchste Bindungsenergie pro Nukleon aufweist.
 
Genauer: Für Kerne mit einer Massenzahl kleiner als Eisen reduziert sie sich durch Kernfusion, wohingegen sie sich für schwerere Kerne durch Kernspaltung reduziert. Bei ²³⁵U liegt ist sie bei etwa dem 0,992-fachen der Protonenmasse.
 
Wir sehen:
 
Maximal 1% der Energie eines Atomkerns sind Bindungsenergie.
 
Erreicht wird dieser Wert aber nur für Eisen.
 
 
 
Die eben beschriebenen Gesetzmäßigkeiten zeigen, dass der Eisenkern der stabilste aller Kerne ist.
 
Da die Kerne — ihrer Protonen wegen — positiv geladen sind, stoßen sie einander ab.
 
Mit einander verschmelzen können sie nur, wo sich in Sternen ein Gas aus solchen Kernen derart stark erwärmt, dass sie kraftvoll aufeinander prallen (und es deswegen zu Kernfusion kommt). Hierbei wird durch den dabei entstehenden Massendefekt Energie frei, die weitere Verschmelzung begünstigt, so dass nach und nach immer schwerere Kerne entstehen — bis hin zu Eisen.
 
Soweit damit auch Kerne schwerer als Eisen entstehen, versuchen sie, ihre Energie durch radioaktiven Zerfall abzugeben. [Verschmelzung der Kerne schwerer als Eisen würde mehr Energie kosten als einbringen, da der Massendefekt wieder abnehmen würde.]
 
Sämtliche Kerne schwerer als Blei sind radioaktiv. Sie zerfallen durch Alpha- oder Betazerfall. 1938 wurde für Urankerne noch ein weiterer Zerfallsweg entdeckt: die Kernspaltung des Uran-235.
 
 
Merke:

 

• Bindungsenergie muss aufgebracht werden, um ein gebundenes System aus zwei oder mehr Bestandteilen, die durch Anziehungskräfte zusammengehalten werden, in seine Bestandteile zu zerlegen (Kernspaltung).
   
• Eine ebenso große Energiemenge wird freigesetzt, wenn sich das gebundene System aus den Einzelteilen zusammenfindet (Kernfusion).