Die Bestandteile des Atomkerns

... und ihre Zusammenwirkung

Grundlagen: Neutron und Proton
In einem Atomkern befinden sich Neutronen und Protonen, die Nukleonen. Er hat eine Größe von etwa 10^-15 m und ist damit um den Faktor 100.000 kleiner als die Atomhülle. (Anschaulicher Vergleich: ein Kirschkern im Fußballstadion)

Neutronen und Protonen haben nahezu identische Massen (m_p=1,008665u = 1,674927 E-27 kg bzw. m_p=1,0072765u = 1,672622 E-27 kg).
Da diese Masse wesentlich höher ist als die Masse eines Elektrons, ist die Masse eines Atoms fast vollständig in seinem Kern konzentriert.

Das Proton ist einfach positiv geladen (q = +e), das Neutron ist neutral geladen.

Tröpfchenmodell:
Das Tröpfchenmodell behandelt den Atomkern so als ob er aus sehr vielen Nukleonen besteht, die gegeneinander frei beweglich sind wie die Moleküle in einer Flüssigkeit.
Dieses Modell beschreibt lediglich die Zusammensetzung des Atomkerns.

Massen- und Kernladungszahl:
Die Zusammensetzung eines Atomkerns wird durch seine Massenzahl m (Anzahl der Nukleonen, also der Protonen und Neutronen) und durch seine Kernladungszahl k (Anzahl der Protonen) beschrieben.
Man beschreibt einen Atomkern eines Elementes X also durch: $X_{k}^{m}$
Isotope:
Atome mit gleicher Kernladungszahl haben auch gleich viele Elektronen im Grundzustand. Sie verhalten sich also chemisch gleich und werden mit dem gleichen Elementnamen belegt.
Unterscheiden sich zwei Atome des gleichen Elementes durch die Anzahl der Neutronen, so spricht man von den Isotopen eines Elementes.
(Beispiel: $C_{6}^{12}$ und $C_{6}^{14}$ sin Isotope des Kohlenstoff. Man spricht auch von C-12 und C-14. C-14 hat zwei Neutronen mehr im Kern, aber wie C-12 6 Protonen und Elektronen. Damit verhält sich C-14 chemisch gleich wie C-12, es ist nur etwas schwerer.)

schwache Wechselwirkung: Aufgrund der Abstoßung der Protonen untereinander müssten Atomkerne eigentlich sofort auseinanderfallen. Dass sie es nicht tun lässt darauf schließen, dass es eine bindende Kraft gibt, die Neutronen und Protonen zusammenhält. Diese Kraft wird als schwache Wechselwirkung oder schwache Kernkraft bezeichnet.

Austauschteilchen:
Die schwache Wechselwirkung wird dadurch erzeugt, dass die Kernteilchen Austauschteilchen erzeugen, die eine bindende Wirkung haben. Daher werden sie auch als Gluonen bezeichnet (aus dem engl. Wort für Kleber: glue)
Es handelt sich um das W^±- Boson und um das Z⁰-Boson.

Reichweite:
Die Austauschteilchen haben nur eine extrem kurze Lebensdauer von ca. 3E-25sec. Nimmt man an, dass sie sich in dieser Zeit mit etwa 2/3 der Lichtgeschwindigkeit bewegen, so kommt man auf eine Reichweite von etwa 1E-16m, was 1/10 des Durchmessers eines Neutrons entspricht. D.h. die schwache Wechselwirkung setzt erst ein, wenn sich zwei Nukleonen sehr nahe gekommen sind. Dann setzt sie aber schlagartig und sehr stark ein.

Äquivalenz von Energie und Masse:
Eine der großen Leistungen der Relativitätstheorie von Albert Einstein war es, dass ein Zusammenhang zwischen Energie und Masse behauptet wurde, der schnell experimentell nachgewiesen werden konnte.
Es gilt die berühmte Formel E = m c² oder in moderner Schreibweise W = m c²

Massendefekt:
Fügt man Nukleonen zusammen, so ist die einsetzende schwache Wechselwirkung so stark, dass eine erhebliche Menge an Energie abgegeben wird.
Diese Energiemenge ist so stark, dass sie sich in einer messbaren Reduzierung der Masse äussert. Ein aus mehreren Nukleonen zusammengesetzter Kern ist leichter als seine Bestandteile.
Es gilt: Δm = W/c²

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