Atomkerne

Protonen und Neutronen bilden die Bausteine der Atomkerne und damit aller uns bekannten chemischen Elemente. Auf der Erde finden sich rund neunzig natürlich vorkommende Elemente – vom Wasserstoff bis hin zum Uran. Im Labor erzeugen Forscher aber auch künstlich Atomkerne und erweitern so stetig das Periodensystem.

Die wissenschaftliche Erforschung des Mikrokosmos begann vor etwa zweihundert Jahren mit der Beobachtung, dass sich die chemischen Elemente nur in bestimmten ganzzahligen Verhältnissen zu Molekülen verbanden. Ein Beleg für Atome als Bausteine der Materie. Anfang des 20. Jahrhunderts erkannte man dann, dass Atome wiederum aus einem positiv geladenen Kern und negativ geladenen Elektronen bestehen. Und weitere dreißig Jahre vergingen, bis man Protonen und Neutronen als Kernbausteine entdeckte.

Verteilung der Protonen und Neutronen im Atomkern

Diese sogenannten Nukleonen sind ebenfalls nicht elementar, sondern setzen sich aus Quarks und Gluonen zusammen, aneinandergebunden durch die Starke Kraft. In abgeschwächter Form wirkt diese Kraft auch noch in der näheren Umgebung der Nukleonen und verbindet sie so zu Atomkernen. Die Wechselwirkung zwischen den Nukleonen ist sehr komplex, mit anziehenden und abstoßenden Komponenten.

Die Eigenschaften der Atomkerne werden durch die Starke Kraft im Zusammenspiel mit zwei weiteren fundamentalen Kräften festgelegt: der elektromagnetischen und der Schwachen Kraft. Diese Kräfte bestimmen, wie viele Protonen und Neutronen in einem Kern vereint sein können und wie viele Nukleonen er maximal enthalten kann. Bei zu vielen Protonen wird die abstoßende Wirkung ihrer positiven elektrischen Ladung zu groß und die Kerne zerfallen. Hierbei wird durch die Schwache Kraft das überschüssige Proton in ein Neutron verwandelt, wobei noch ein Positron und ein Neutrino entstehen und emittiert werden. Ist die Zahl der Neutronen zu hoch, zerfällt das überschüssige Neutron in ein Proton, ein Elektron und ein Antineutrino. Diese sogenannten Betazerfälle finden immer dann statt, wenn der daraus entstehende Tochterkern besser gebunden ist als sein Mutterkern. Schwere Kerne mit Protonenüberschuss zerfallen bevorzugt durch Emission eines Heliumkerns (Alphazerfall) oder durch Spaltung.

Die Landkarte der Nuklide

Die Kräfte zwischen den Nukleonen bestimmen die detaillierte Struktur der Atomkerne. Dazu zählen Eigenschaften wie die Zahl der Protonen, die das jeweilige chemische Element festlegt, die Masse der Kerne, ihre Stabilität gegenüber radioaktivem Zerfall oder ihre Lebensdauer. Diese Kräfte legen auch fest, auf welche Weise die Atomkerne kurz nach dem Urknall oder später im Innern der Sterne gebildet wurden. Die Struktur der Kerne ist ein wichtiger Schlüssel zum Verständnis der Materie, insbesondere der natürlich vorkommenden chemischen Elemente, aus denen unsere Umgebung einschließlich aller Organismen und auch wir selbst bestehen.

Nuklidkarte

Ordnet man alle Atomkerne so an, dass horizontal die Anzahl der Neutronen und vertikal die Anzahl der Protonen aufgetragen ist, erhält man die Nuklidkarte. Auf der Erde kommen 85 chemische Elemente mit ihren Isotopen – Atomkernen, die zwar zum selben Element gehören, sich aber in der Anzahl ihrer Neutronen unterscheiden – vor. Insgesamt ergeben sich etwa dreihundert verschiedene stabile Atomkerne. Diese sind so gut gebunden, dass weder die schwache Wechselwirkung, noch die Spaltung oder der Alphazerfall sie spontan in noch besser gebundene Nuklide umwandeln kann.

Darüber hinaus haben Physiker in Laborversuchen und an Teilchenbeschleunigern mehr als 2500 weitere instabile Kerne synthetisiert. Die Lebensdauer der künstlich erzeugten instabilen Nuklide mit einem Überschuss an Protonen oder Neutronen ist zwar kurz – teilweise nur Bruchteile einer Sekunde – aber doch ausreichend, um ihre Struktur zu untersuchen. Obwohl instabile Nuklide auf der Erde nicht vorkommen, sind sie in stellaren Prozessen als Zwischenstufe von entscheidender Bedeutung für die Erzeugung vieler stabiler Atomkerne, die wir im Sonnensystem und im Universum vorfinden.

Basierend auf theoretischen Überlegungen erwartet man, insbesondere im Gebiet der sehr neutronenreichen Nuklide, dass noch viele weitere bisher unbekannte Atomkerne existieren, die nur über die schwache Wechselwirkung zerfallen. Ein Vorstoß in diese Terra Incognita verspricht sowohl für unser Verständnis der Kernkräfte als auch für die Erforschung der Entstehungsprozesse der Elemente in Sternen neue Erkenntnisse. Letztlich wird sogar die Entwicklung von Sternen von den Eigenschaften der Atomkerne beeinflusst.

Die Grenzen der Stabilität

Eines der wichtigen experimentellen und theoretischen Ziele der Kernphysik ist es, die Grenzen der Stabilität herauszufinden. Aufgrund der kurzen Reichweite der Starken Kraft ist die Größe der Atomkerne begrenzt. Lagert man an einen Kern immer mehr Nukleonen an, so verringert sich deren Bindungsenergie immer stärker bis sie schließlich ganz verschwindet. Diese Grenzlinien im Isotopendiagramm, innerhalb derer Kerne – wenn auch nur kurzfristig – existieren können, werden Protonen beziehungsweise Neutronenabbruchkante genannt. Für Kerne in der Nähe der Abbruchkante wurden neue und bislang unbekannte Eigenschaften beobachtet und weitere werden vorausgesagt. Solche Kerne ermöglichen zum Beispiel über die Messung ihrer bloßen Existenz, ihrer Massen oder ihres Zerfalls einen kritischen Test der besten heutigen Kernmodelle.

Für sehr große Protonen- und Neutronenzahlen erreicht man eine weitere Grenze der Stabilität. Die elektrische Abstoßung wird so groß, dass sich der Kern immer stärker zigarrenförmig deformiert und schließlich in zwei etwa gleich große Fragmente aufspaltet, die auseinanderfliegen. Auch an dieser Grenze der Stabilität findet man außergewöhnliche Phänomene, wie die superschweren Atome. Die Größe von stabilen Atomkernen lässt sich recht gut im Rahmen eines einfachen „Tröpfchenmodells“ verstehen, in dem bestimmte Eigenschaften eines Atomkerns ähnlich denen eines Wassertropfens beschrieben werden. Hierin sollte der Radius der Kerne etwa mit der dritten Wurzel der Nukleonenzahl zunehmen.

Atomkern des Isotops Lithium-11

Dieses Bild stößt jedoch für Kerne mit großem Neutronen- oder Protonenüberschuss an seine Grenzen. So wurde für leichte, sehr neutronenreiche Kerne beobachtet, dass sich ein oder zwei Neutronen bevorzugt im äußersten Randbereich des Kerns aufhalten. Da sich diese Neutronen sogar außerhalb des Anziehungsbereichs der nuklearen Kraft befinden, werden sie möglicherweise durch subtile Korrelationen zwischen den Neutronen an den Kern gebunden.

Physiker sprechen in diesem Fall von einem Halo-Kern. Aufgrund dieses Effekts bläht sich zum Beispiel Lithium-11 (mit drei Protonen und acht Neutronen) auf die Größe des wesentlich schwereren Kerns von Kalzium-48 (mit 20 Protonen und 28 Neutronen) auf. Für schwerere neutronenreiche Kerne, wie Zinn-132, wird sogar die Bildung von dicken Neutronenhäuten vorhergesagt, bei denen sich mehrere Neutronen in einem großen Abstand vom Zentrum des Kerns aufhalten. 

Im Mittelpunkt moderner Forschung stehen Fragen nach der räumlichen Verteilung der Protonen und Neutronen in Halo-Kernen und nach der Wechselwirkung der äußeren Neutronen untereinander und mit den Nukleonen des inneren Kerns. Das Ziel ist, im Wechselspiel zwischen Experiment und Theorie, Kernstrukturmodelle zu entwickeln, die dann auch zum Verständnis der Elemententstehung in Sternen oder in Supernovae beitragen können.

Auch vergleichsweise gewöhnliche Atomkerne können unter bestimmten Umständen exotisches Verhalten offenbaren, und etwa molekülartige Strukturen aufweisen. Ein wichtiges Beispiel hierfür ist der Atomkern Kohlenstoff-12, der ein wichtiger Baustein irdischen Lebens ist. Seine Produktionsrate im heißen Inneren von Sternen wird wesentlich dadurch beeinflusst, dass er in dieser Umgebung aus drei lose verbundenen Heliumkernen besteht.