Ph 12 Grundwissen

Kernkraft

Die Abweichung der Streuverteilung energiereicher α-Teilchen von der durch die reine Coulomb-Wechselwirkung vorhergesagten Streuverteilung deutet schon auf das Wirken einer Kraft zwischen den Kernbausteinen hin, wenn sich diese nur nahe genug kommen. Natürlich wären ohne anziehende Kernkräfte auch keine stabilen Atomkerne denkbar.

Die folgenden genaueren Kenntnisse über die Kernkraft gewann man im Wesentlichen aus Experimenten, bei denen Nukleonen an Nukleonen gestreut wurden.

Die anziehende Wirkung der Kernkraft zwischen den Nukleonen setzt erst ab einem Abstand der Nukleonenmittelpunkte von ca. 2 fm ein.
Kommen sich die Nukleonenmittelpunkte näher als etwa 0,5 fm, so setzt eine stark abstoßende Kraft (diese "Hard-Core-Kraft" verhindert den Kollaps der Kerne). Hinweis: 1 fm (Fermi) = 10-15m Die beiden obigen Aussagen kann man auch durch den nebenstehend skizzierten Potenzialverlauf zwischen zwei Nukleonen in Abhängigkeit vom Abstand r ihrer Mittelpunkte darstellen.
Die Kernkraft ist ladungsunabhängig, d.h. sie ist bei einer n-n-, n-p- oder p-p-Wechselwirkung gleich. Natürlich wirkt sich bei der p-p-Wechselwirkung noch zusätzlich die Coulombabstoßung aus.
Nähert man ein Proton einem Kern, der schon Protonen enthält, so wächst aufgrund der Langreichweitigkeit der Coulombkraft die abstoßende Kraft mit der Zahl der Protonen im Kern. Nähert man ein Nukleon einem Kern, so ist die anziehende Wirkung aufgrund der Kurzreichweitigkeit der Kernkraft nahezu unabhängig von der Zahl der im Kern vorhandenen Nukleonen, da das einzubauende Nukleon nur die unmittelbaren Nachbarn "sieht". Man sagt zu diesem Phänomen auch, dass die Kernkraft Sättigungscharakter zeigt.
Die Kernkraft (starke Wechselwirkung) ist wesentlich stärker als z.B. die Gravitationswechselwirkung oder die elektromagnetische Wechselwirkung.

Nach neueren Erkenntnissen der Elementarteilchenphysik sind Neutron und Proton keine strukturlosen Teilchen (und somit nicht elementar). Sie setzen sich vielmehr aus noch kleineren Teilchen den sogenannten Quarks zusammen. Die Kernkraft wird dann im Gefolge der Wechselwirkungskräfte zwischen den Quarks erklärt.

Ein Folge der Kurzreichweitigkeit der Kernkraft und der Langreichweitigkeit der Coulombkraft ist der Aufbau von größeren, stabilen Kernen. In der folgenden Nuklidtafel (N-Z-System) sind die stabilen Kerne als schwarze Punkte dargestellt. Man sieht, dass die größeren stabilen Kerne unterhalb der Winkelhalbierenden liegen, bei ihnen überwiegt also die Neutronenzahl N die Protonenzahl Z.

Die Erklärung dieses Phänomens ist die lange Reichweite der Coulombkraft: In größeren Kernen sitzen schon so viele Protonen, dass ein neu einzubauendes Proton die abstoßende Kraft von allen diesen Kernprotonen "spürt". Überwiegt diese Coumlombkraft die anziehende Kernkraft der unmittelbaren Nachbarn, so kann das Proton nicht stabil in den Kern integriert werden.