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Aufbau von Atomkernen - Protonen, Neutronen und Quarks

 

 
 

Allgemeines:
Im Bereich Chemie auf Lernort-mint wurden die einzelnen Atommodelle erläutert, die zum Verständnis notwendigen Modelle sind das Bohrsche Atommodell und das Orbitalmodell. Im folgenden soll nun kurz auf den Aufbau der Atomkerne eingegangen werden. Unter anderem beantwortet sich auch die Frage, wie den Atomkerne zusammengehalten werden, da man der Meinung ist: Protonen und Protonen stoßen sich aufgrund der gleichen (positiven) Ladung ab und positiv geladene Protonen und neutrale Neutronen könnten wenig wechselwirken.
 

Der Atomaufbau - Grundlagen:

  • Protonen und Neutronen  werden oft als Nukleonen bezeichnet und bestehen aus noch kleineren Teilchen, den Quarks.
  • Protonen und Neutronen (Masse 1u) sind fast 2000x schwerer sind als die Elektronen in der Atomhülle.
  • Ein Proton ist einfach positiv geladen, ein Elektron ist einfach negativ geladen und die Neutronen sind ungeladen.
  • Das gesamte Atom ist in erster Näherung kugelförmig und hat eine Größe von 0,1  bis 0,5 nm (1 nm = 0,0000000001 m)


Der Aufbau der Atomkerne:
Im Prinzip gilt für den Aufbau des Atomkerns aller Elemente (Ausnahme: Wasserstoff, der nur ein einzelnes Proton im Atomkern) enthält, dass sich in den Atomkernen mehrere Nukleonen (zu dt. Kernteilchen), also Protonen und Neutronen, befinden. Der Zusammenhalt zwischen den Protonen (positiv geladen) und den Neutronen (ungeladen) wird fast ausschlißelich durch die elektrostatische bzw. magnetische Wechselwirkung erreicht (vielleicht wird nun jemand einwenden, dass zwischen Protonen und Neutronen auch "Gravitationskräfte herschen. Dies ist auch vollkommen richtig, die Gravitation kann aber vernachlässigt werden, denn sie ca. 40 Größenordnungen schwächer ist, also die elektromagnetische Wechselwirkung. Für das weitere Verständnis des Aufbaus der Atomkerne benötigt man noch weiteres Wissen:
 

Der Aufbau von Protonen und Neutronen:
Wie vielen bekannt ist, sind Protonen und Neutronen aus Quarks zusammengesetzt, inzwischen sind sechs verschiedene Typen von Quarks bekannt:

  • up (u) und down (d) 
  • strange (s), charm (c), bottom (b)
  • top (t)
Nun kann man sich die Zusammensetzung der Nukleonen betrachten:
  • Protonen bestehen aus zwei up-Quarks und einem down-Quark: Formelmäßig: p = (uud)
  • Neutronen bestehen aus zwei down und einem up-Quark: Formelmäßig n = (ddu).
  • Die anderen Quarks s, c, b und t sind instabil ("angeregte Zustände von d und u"). Daher kann man schlussfolgern, dasss die gesamte stabile Materie (Protonen und Neutronen) nur aus den beiden Quarks u und d bestehen.


Die up (u) und down (d)-Quarks:

  • Das u-Quark trägt die Ladung  +2/3 (also ein Teil der Protonen-Ladung).
  • Die Ladung des d-Quarks ist dagegen - 1/3
Da im oberen Teil der Aufbau eines Protons (p = (uud)) und eines Neutrons (n = (ddu)) kann nun ganz einfach die Protonenladung bzw. Neutronenladung anhand der Quarkzusammensetzung berechnet werden:
  • Protonen-Ladung: 2/3 + 2/3 – 1/3 = 1
  • Neutronen-Ladung: 2/3 – 1/3 – 1/3 = 0
Die drei Quarks (in den Nukleonen) werden durch die sog. "Starke Wechselwirkung" zusammengehalten, ein Neutron ist zwar bezüglich seiner Wechselwirkung
nach außen hin neutral. Das Nukleon intern weist aber eine asymmetrische Ladungsverteilung auf (2/3, -1/3, -1/3), was auch für den Nachbarn (egal ob Proton oder Neutron) gilt und deshalb ziehen sich direkt benachbarte (auch nach außen hin neutrale) Nukleonen an. Die Anziehung der Quarks untereinander ist so stark, dass diese niemals einzeln als freie Teilchen vorkommen, weswegen Quarks im Gegensatz zu Protonen oder Neutronen keine Elementarteilchen sind.

Zusamengefasst: Die Kernkraft (Kraft, die Nukleonen zusammenhält)  ist also ein Teil der sog. "Starken Wechselwirkung", die größer ist als die gegenseitige elektrische Abstoßung der gleichgeladenen Protonen.

Die Kernkraft wirkt aber nur jeweils zwischen direkt benachbarte Nukleonen, daher erklärt sich auch die endliche Stabilität von Kernen. Ein stabiler Kern verfügt deshalb stets über ein bestimmtes Zahlenverhältnis von Protonen zu Neutronen. Stimmt dieses Zahlenverhältnis nicht, so wird der Kern instabil und das betreffende Atom zerfällt nach einer gewissen Zeit, was als Phänomen der Radioaktivität beobachtet wird.Alle Atomkerne die eine höhere Nukleonenzahl (Protonen und Neutronen zusammen) als 210 haben, gelten als instabil.
 

Stabilität der Atomkerne:
Wie oben bereits erwähnt, führt die Wechselwirkung zweier benachbarter Nukleonen zu den Kernkräften, die den Atomkern zusammenhalten. Dies gilt aber nur bis zu einem bestimmten Verhältnis von Protonen zu Neutronen. Den Verlauf der Stabilität kann man sich folgendermaßen erklären:

  • Je größer der Kern, umso mehr Nukleonen besitzt der Atomkern. Somit haben größere Atomkerne mehr Teilchen im Kerninneren als kleine Kerne. Aus diesem Grund haben die Nukleonen größerer Kerne im Durchschnitt mehr Nukleonen als Nachbarn, zwischen denen Kernkräfte wirken. Somit lässt sich die zunächst steigende Bindungsenergie pro Nukleon mit steigender Nukleonenzahl (bis ca. 40 Nukleonen) erklären.
  • Aber einer gewissen Anzahl an Nukleonen im Kern nimmt auch mit steigender Protonenzahl die elektrische Abstoßung der gleichgeladenen Protonen zu. Da diese Abstoßungskraft nicht wie die Kernkräfte auf den jeweils allernächsten Nachbarn begrenzt ist, sondern nur langsam mit 1/r² abnimmt , nimmt daher die Bindungsenergie pro Nukleon ab einer gewissen Anzahl an Protonen wieder ab (ab dem Element Eisen).
  • Fügt man noch mehr Protonen (und Neutronen) zum Atomkern hinzu, führt dies irgendwann (ab einer Protonenzahl von 83) zur Instabilität von Atomkernen. Ein zusätzliches Phänomen tritt hier auf, da die Protonenabstoßung dazu, dass schwere (instabile) Kerne mehr Neutronen als Protonen besitzen.


weiterführende Informationen auf Lernort-Mint.de

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