Atom

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Kernreaktionen

Zwei britischen Wissenschaftlern, Sir John D. Cockcroft und Ernest T. S. Walton, gelang es 1932 erstmals Atomkerne mit künstlich beschleunigten Teilchen zu beschießen. In ihren Experimenten ließen sie Protonen auf Lithiumkerne treffen. Bei dieser Kernreaktion wird das Lithium ⁷Li in zwei Heliumkerne aufgespalten. Man beschreibt diese Reaktion mit der Gleichung

7Li + 1H = 4He + 4He

Die Physiker bestimmten die relativen Atomgewichte der beteiligten Atome sehr genau und fanden folgende Werte: ⁷Li hat ein relatives Atomgewicht von 7,018242, ¹H von 1,008137 und ⁴He von 4,003910. Die relativen Gewichte auf der linken Seite der Gleichung ergeben zusammen 8,026379, auf der rechten Seite dagegen ergibt sich nur eine Summe von 8,007820; es ist also zu einem „Verlust” von 0,018559 gekommen. Mit Einsteins Gleichung E = mc² kann man berechnen, dass 1 u (1 atomare Gewichtseinheit) äquivalent zu 931,3 Millionen Elektronenvolt (MeV) an Energie ist. Demnach wird bei der obigen Kernreaktion eine Energie von 17,28 Megaelektronenvolt frei. Der Massen„verlust” (Massendefekt) äußert sich als Energie in der gewaltigen Geschwindigkeit der Heliumkerne. Siehe Kernchemie.

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Kernkräfte

Die moderne Nukleartheorie basiert auf der Annahme, dass Atomkerne aus Neutronen und Protonen bestehen, die durch die extrem starken „Kernkräfte” zusammengehalten werden. Um diese Kräfte erklären zu können, müssen die Neutronen und Protonen voneinander getrennt werden; dazu beschießt man sie mit sehr hochenergetischen Teilchen. Bei solchen Experimenten hat man über 200 so genannte Elementarteilchen gefunden, winzige Bausteine der Materie, die meist eine Lebensdauer von unter einer hundertmillionstel Sekunde haben.

Die subnukleare Welt ließ sich erstmals in den kosmischen Strahlen erkennen. Diese Strahlen bestehen aus hochenergetischen Teilchen, die aus den Tiefen des Alls kommen und die Erde treffen; viele von ihnen gelangen durch die Atmosphäre, manche erreichen sogar den Erdboden. Zu den kosmischen Strahlen gehört eine Vielzahl von verschiedenen Teilchen, von denen manche eine Energie haben, die sich mit keinem Teilchenbeschleuniger erreichen lässt. Wenn solche Teilchen auf einen Atomkern treffen, können neue Teilchen entstehen. Zu den ersten Teilchen, die man dabei beobachtet hat, gehören die Myonen (erstmals 1937 nachgewiesen). Das Myon ist im Wesentlichen ein schweres Elektron und kann entweder positiv oder negativ geladen sein. Es ist ungefähr 200mal schwerer als das Elektron. Im Jahr 1935 sagte der japanische Physiker Hideki Yukawa die Existenz des Pions voraus, das dann 1947 auch nachgewiesen werden konnte. Yukawa erhielt 1949 den Nobelpreis für Physik. Nach der verbreitetsten Theorie werden die Kernbestandteile durch „Austauschkräfte” zusammengehalten. Beim Wirken einer solchen Kraft tauschen Protonen oder Neutronen kontinuierlich die gemeinsamen Pionen aus. Die Bindung von Protonen und Neutronen lässt sich also mit der Bindung von zwei Atomen zu einem Molekül vergleichen, die ihr gemeinsames Elektronenpaar austauschen. Das Pion ist 270mal schwerer als das Elektron. Es kann positive, negative oder gar keine Ladung tragen.

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Elementarteilchen

Die Physiker haben lange nach einer Theorie gesucht, um Ordnung in die verwirrende Vielfalt der verschiedenen Teilchensorten zu bringen. Heute werden Teilchen nach der wichtigsten Kraft sortiert, die bei ihren Wechselwirkungen auftritt. Alle Teilchen unterliegen der Gravitation; sie ist jedoch in subatomarem Maßstab extrem schwach. Auf Hadronen wirkt sowohl die starke Kernkraft als auch die elektromagnetische Kraft. Zu den Hadronen gehören Hyperonen, Mesonen sowie das Neutron und das Proton. Leptonen „fühlen” die elektromagnetische und die schwache Kraft; hierzu gehören das Tau, das Myon, das Elektron und die Neutrinos. Teilchenähnliche Objekte, die mit Wechselwirkungen verbunden sind, heißen Bosonen. Zu ihnen gehört das Photon, das die elektromagnetische Kraft vermittelt, die W- und Z-Teilchen als Träger der schwachen Kraft und das hypothetische Teilchen, das die Gravitation trägt. Die schwache Kernkraft tritt bei solchen radioaktiven oder Zerfallsreaktionen wie dem Alphazerfall auf (die Aussendung eines Heliumkernes aus einem unstabilen Atomkern). Untersuchungen mit Beschleunigern haben außerdem ergeben, dass jede einzelne Teilchensorte ein Antiteilchen hat, das dieselbe Masse aufweist, aber in Ladung oder einer anderen elektromagnetischen Eigenschaft genau entgegengesetzt ist (siehe Antimaterie).

1963 behaupteten die US-amerikanischen Physiker Murray Gell-Mann und George Zweig, dass die Hadronen aus noch elementareren Elementarteilchen zusammengesetzt seien, den so genannten Quarks; die Wechselwirkung zwischen den Quarks sollte durch teilchenähnliche Gluonen vermittelt werden. Mit Hilfe dieser Theorie konnte man die Existenz weiterer Teilchen nachweisen. Die Quark-Theorie gilt nach längeren Untersuchungen und Auswertungen von Messdaten als bewiesen. Zur Zeit werden die Quarks als kleinste Einheit von Atomkernen angesehen. „Normale” Teilchen wie das Neutron oder das Proton setzen sich aus jeweils drei Quarks zusammen; Mesonen bestehen aus jeweils zwei Quarks. Eine exotische Form der Materie, die Pentaquarks, sind aus fünf Quarks aufgebaut.

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Die Freisetzung von Kernenergie

1905 formulierte Albert Einstein seine Formel E = mc², aus der die Gleichwertigkeit von Masse und Energie folgt. Nach dieser Gleichung, einem Teil seiner speziellen Relativitätstheorie, gehört zu jeder Masse (m) eine bestimmte Energiemenge (E), die man aus der Masse, multipliziert mit dem Quadrat der Lichtgeschwindigkeit (c), berechnen kann. Damit entspricht einer sehr kleinen Masse ein riesiger Energiebetrag. Da der Atomkern mehr als 99 Prozent der Atommasse enthält, muss jede nennenswerte Energiemenge, die man aus dem Atom freisetzen will, aus dem Kern stammen.

Hierzu gibt es zwei Kernprozesse von großer praktischer Bedeutung: Die Kernspaltung, d. h. das Zerspalten eines schweren Atomkernes in leichtere, und die Kernfusion, wo aus zwei leichten Atomkernen bei extrem hoher Temperatur ein schwererer Kern gebildet wird. Dem Physiker Enrico Fermi gelang 1934 die erste Kernspaltung; die Reaktion wurde aber nicht richtig gedeutet, bis 1939 die deutschen Wissenschaftler Otto Hahn, Lise Meitner und Fritz Strassmann bekannt gaben, dass sie Urankerne gespalten hatten, indem sie die Kerne mit Neutronen beschossen. Da bei dieser Reaktion weitere Neutronen freigesetzt werden, kann es zu einer Kettenreaktion mit weiteren Kernen kommen. Ein Beispiel für eine unkontrollierte Kettenreaktion ist die Explosion einer Atombombe. Mit Hilfe kontrollierter Kernreaktionen wird in Kernkraftwerken Wärme und daraus wiederum elektrischer Strom hergestellt.

Kernfusion findet in Sternen – auch in unserer Sonne – statt und ist die Quelle für ihre Wärme und ihr Licht. Ein Beispiel für die unkontrollierte Fusion ist die Explosion einer Wasserstoffbombe. Der Bau einer Anlage zur kontrollierten Fusion ist noch immer im Prototypstadium.