Der Atom­kern - Po­si­tiv ge­la­den und hält doch

Nach­dem wir uns in den letz­ten Wo­chen mit der Elek­tro­nen­hül­le des Atoms be­schäf­tigt haben,

kom­men wir nun zum letz­ten The­men­bau­stein in der Schul­phy­sik, dem Atom­kern.

Wir wis­sen, dass für die kleins­ten Bau­stei­ne der Ma­te­rie an­de­re Re­geln gel­ten als in der

klas­si­schen Phy­sik, das ist auch beim Atom­kern so. Wir wer­den auch hier ver­schie­den Mo­del­le

zum Ver­ständ­nis des Kerns und des­sen Sta­bi­li­tät ken­nen­ler­nen, kei­nes die­ser Mo­del­le kann alles

er­klä­ren, ein wirk­li­ches Bild vom Atom dür­fen wir uns also nicht ma­chen. Und den­noch star­ten

wir mit dem Bild des Atom­kerns, dass alle ken­nen:



Eine Kugel, die aus zwei Sor­ten klei­ne­rer Ku­geln be­steht. Nach allem was wir wis­sen, sind die Kern­bau­stei­ne Quan­ten­ob­jek­te und keine Ku­geln, für die ers­ten Über­le­gun­gen ist das Mo­dell aber gut ge­eig­net.

Ein Atom­kern be­steht aus Pro­to­nen und Neu­tro­nen, sie wer­den auch Nu­kle­o­nen

ge­nannt. In dem be­kann­ten Tröpf­chen­mo­dell des Atom­kerns sind sie in einer Ku­gel­form dicht

ge­packt. Die Kugel bil­det die kleins­te Ober­flä­che bei ma­xi­ma­len Vo­lu­men, den Kern kann man

also nicht wei­ter zu­sam­men­drü­cken.

Die An­zahl p der Pro­to­nen im Kern be­stimmt, um wel­ches Ele­ment es sich han­delt, die An­zahl n der Neu­tro­nen be­stimmt die Art des Iso­tops. Die Summe aus Pro­to­nen und Neu­tro­nen ist die

Mas­se­zahl m. All­ge­mein wird die Pro­to­nen­zahl rechts unten vor der Ele­mentab­kür­zung, die Mas­se­zahl rechts oben hin­ge­schrie­ben. Im Bild oben ist dies am Bei­spiel von Uran-235 zu er­ken­nen.

Da die Pro­to­nen im Kern po­si­tiv ge­la­den sind und die Ab­stän­de zwi­schen den Pro­to­nen ex­trem

klein sind, herr­schen stark ab­sto­ßen­de Cou­lomb­kräf­te, um eine Vor­stel­lung davon zu be­kom­men

hier eine Auf­ga­be:

Der Ab­stand zwi­schen den Mit­tel­punk­ten zwei­er Kern­bau­teil­chen be­trägt ca.

$1,3\cdot 10^{-15}m$. Wir be­trach­ten nun zwei be­nach­bar­te Pro­to­nen, die je­weils die La­dung $e=1,602\cdot 10^{-19}C$ tra­gen.

a) Be­stim­me die ab­sto­ßen­de Cou­lomb­kraft zwi­schen den bei­den Pro­to­nen. Nimm an, dass die Pro­to­nen mit die­ser Kraft be­schleu­nigt wer­den, be­stim­me die Zeit­dau­er, nach­dem die Pro­to­nen die Licht­ge­schwin­dig­keit er­reicht hät­ten.

Of­fen­bar flie­gen die Kerne nicht aus­ein­an­der, es muss also eine an­zie­hen­de Kraft geben, die der Cou­lomb­kraft ent­ge­gen­wirkt. Dies ist die star­ke Kern­kraft.

Sie tritt nur zwi­schen den Kern­bau­teil­chen, also Pro­to­nen und Neu­tro­nen

auf und fängt erst in einem Ab­stand von $2,0\cdot 10^{-15}m$ an zu wir­ken.

Aus ge­nau­en Un­ter­su­chun­gen weiß man, dass die star­ke Kern­kraft

zwi­schen zwei be­nach­bar­ten Nu­kle­o­nen ca. 35-mal grö­ßer ist als, die

Cou­lomb­kraft. Ins­ge­samt er­gibt sich damit das ne­ben­ste­hen­de

Dia­gramm zu den Kräf­ten im Atom­kern.