Atomkern

Der Atomkern bildet, wie der Name schon sagt, den Kern des Atoms. Er besteht aus Protonen und Neutronen die zusammen auch Nukleonen genannt werden. Er befindet sich anschaulich gesprochen im Zentrum des Atoms und konzentriert in sich mehr als 99,9% der Masse des gesamten Atoms. Mit etwa 10-14 m ist der Atomkern jedoch 10.000 mal kleiner, als die Elektronenhülle des Atoms, die einen Radius von ungefähr 10-10 m (= 1 Angstrom) hat. Neutronen besitzen keine elektrische Ladung. Protonen sind jedoch positiv geladen. Infolge dessen ist der Atomkern elektrisch positiv geladen und kann über die Coulombkraft negativ geladene Elektronen an sich binden. Da die elektrische Ladung des Elektrons bis auf das Vorzeichen gleich der Ladung des Protons ist, muss ein nach außen hin elektrisch neutrales Atom ebenso viele Elektronen in der sogenannten Elektronenhülle besitzen, wie Protonen im Kern. Atome mit einer unterschiedlichen Anzahl an Protonen und Elektronen sind nach außen hin elektrisch geladen und werden Ionen genannt. Die chemischen Eigenschaften eines chemischen Elements werden durch die Konfiguration seiner Elektronenhülle und insbesondere die Anzahl der Valenzelektronen bestimmt. Beide Eigenschaften wiederum werden hauptsächlich durch die Anzahl der Protonen (Protonenzahl) im Atomkern des Elements bestimmt. Die Protonenzahl des Kerns bestimmt also, welches chemische Element der jeweilige Atomkern repräsentiert. Atome mit gleicher Protonen-, aber unterschiedlicher Neutronenzahl werden als Isotope eines chemischen Elementes bezeichnet. Als Nuklid wird ein bestimmter Atomkern, d. h. ein nacktes Atom ohne Elektronenhülle, mit einer bestimmten Protonen- und Neutronenzahl bezeichnet. Die positiv geladenen Protonen im Kern stoßen sich gegenseitig aufgrund der Coulombkraft ab. Da der Atomkern jedoch trotzdem nicht auseinander fliegt, muss im Kern eine weitere Kraft existieren, durch die sich die Nukleonen gegenseitig anziehen und die stärker ist als die Coulombkraft. Diese Kraft wird auch als Kernkraft bezeichnet. Die elementaren Kräfte, die zur Anziehung zwischen den Nukleonen führen, sind sehr kompliziert, und bis heute nur näherungsweise beschrieben. Ihre Aufklärung ist unter anderem Gegenstand der Kernphysik. Um diese Kräfte ansatzweise zu verstehen, muss man zunächst einen genaueren Blick auf die Bausteine der Materie und die wirkenden Kräfte werfen. Eine der vier fundamentalen Kräfte in der Natur ist die starke Kraft oder starke Wechselwirkung. Die kleinsten bekannten Bausteine, welche der starken Wechselwirkung unterliegen, sind die Quarks. Die Kräfte zwischen ihnen werden durch Austausch von masselosen Bosonen, den Gluonen, vermittelt. Die Theorie dieser Wechselwirkung heißt Quantenhromodynamik (QCD). Ein Nukleon besteht aus drei Quarks, die sich durch Gluonenaustausch zu einem Proton oder Neutron (je nach Art der gebundenen Quarks) binden. Hierbei werden die starken Kräfte zwischen den Quarks weitgehend abgesättigt, sodass zur Anziehung zwischen den Nukleonen untereinander im Atomkern nur eine Art Restwechselwirkung übrig bleibt. In guter Näherung lässt sich diese Anziehung durch den Austausch von Mesonen (hauptsächlich Pionen) beschreiben. Der Austausch von Mesonen bewirkt eine Art Van der Waals-Kraft. Diese Kräfte sind bestimmend für die Kernstruktur unter normalen Bedingungen. Um stabile Kerne zu bilden, muss mit zunehmender Protonenzahl die Neutronenzahl überproportional steigen, weil die abstoßende Coulombkraft zwischen den Protonen an Bedeutung gewinnt, d. h. schwere stabile Kerne haben einen zum Teil hohen Neutronenüberschuss. Tatsächlich sind die Verhältnisse im Atomkern wesentlich komplizierter, denn neben der elektromagnetischen und der starken Wechselwirkung spielt im Kern auch die schwache Wechselwirkung eine Rolle. Im Vergleich zur Atomphysik mit dem quantenmechanischen Atommodell, wo lediglich die elektromagnetische Wechselwirkung eine Rolle spielt, existiert in der Kernphysik kein Modell zur umfassenden Beschreibung aller Vorgänge im Atomkern. So gibt es verschiedene Modelle für unterschiedliche Fragestellungen. Ähnlich dem Schalenmodell in der Atomphysik gibt es auch in der Kernphysik ein Schalenmodell, das es erlaubt, die Energiezustände eines einzelnen Nukleons trotz fehlendem Zentralpotential in einem mittleren Potential zu berechnen. Die meisten angeregten Zustände eines Atomkerns können sich jedoch nur durch die kollektive Anregung mehrerer Nukleonen erklärt werden. Für die Beschreibung solcher Zustände kann man das kollektive Modell heran ziehen. Die Eigenschaften von große Atomkernen werden durch ein ‘vibrierendes Tröpfchenmodell’ beschrieben. Kenntnisse über die Eigenschaften von Atomkernen sind zum Verständnis der Radioaktivität, sowie der Kernspaltung (Kernkraftwerk, Atombombe) und der Kernfusion notwendig.

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Info 23.11.2017 19:28
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