Entdeckung und Aufbau der Atomkerne

1896 entdeckte Henri Becquerel, daß Uransalz eine Fotoplatte schwärzt. Sonnenlicht und Fluoreszenz schied als Ursache für seine Entdeckung aus. Das Uransalz selbst mußte offensichtlich die Quelle einer Strahlung sein. Später wiesen die Curies nach, daß es verschiedene Strahlen gibt, die sich im elektrischen Feld verschieden ablenken lassen.
Die Geburtstunde der Kernphysik ist das Jahr 1911, in dem der englische Physiker Rutherford in Streuversuchen mit schnellen a-Teilchen (Heliumkerne) an Goldatomen einen im Vergleich mit der Größe des Atoms ca. 100.000 mal kleineren Kern entdeckte, der neben einer positiven Ladung fast das gesamte Gewicht des Atoms trägt. (1 cm3 reiner Kernmaterie hat die Masse der Welteisenerzeugung eines Jahres.) In dem kompakten Zentrum des Atoms werden durch die wohl verstandenen Coulombkräfte seine Elektronen gebunden, deren Bewegungen den Gesetzen der Quantentheorie unterliegen.

Rutherford hatte mit diesen Untersuchungen konzeptionell auch eine neue experimentelle Methode etabliert, die das Aufspüren kleinster Strukturen ganz in Analogie zu den bekannten optischen Beobachtungsmethoden ermöglicht, indem die Wellenlänge des Lichts durch die nach de Broglie benannte Wellenlänge des Teilchens ersetzt wird. Damit läßt sich nicht nur die Substruktur des Atomkerns in Form seiner Bausteine aus Protonen und Neutronen sondern auch deren Substruktur aus den sogenannten Quarks sichtbar machen.

Die Nukleonen (Proton und Neutron) setzen sich aus drei Quarks zusammen, die durch den Austausch von Gluonen miteinander wechselwirken. Man kann das mit den Photonen als Austauschquanten zwischen den geladenen Elektronen in den Atomen und Molekülen vergleichen. Auf dieser elementaren Ebene wird die Kernkraft, welche die Nukleonen in den Atomkernen zusammenhält, als starke Wechselwirkung eingestuft. Sie ist auf kleiner Entfernung (10-13 cm) in der Tat stark im Vergleich zu den drei anderen fundamentalen Kräften der Physik (Gravitation, Elektromagnetismus, schwache Wechselwirkung) und läßt sich mit diesen Eigenschaften auf die Quark-Gluon Wechselwirkung zurückführen. Die mathematische Formulierung und damit die Theorie der starken Wechselwirkung ist die sogenannte Quantenchromodynamik. Mit dieser Bezeichnung wird zum Ausdruck gebracht, daß die Quarks und Gluonen als weitere Eigenschaft neben Ladung und Spin auch Farbe tragen, während die aus ihnen gebildeten Nukleonen farbneutral sind. Für die Wechselwirkung der Nukleonen untereinander und damit für den Aufbau und die Struktur der Atomkerne bleibt von der Quark-Gluon Wechselwirkung nur eine Restwechselwirkung übrig, die in guter Näherung durch den Austausch von Pionen (Pi-Mesonen, die wiederum aus Quark-Antiquark- Paaren bestehen) beschrieben werden kann. So gesehen sind die Kerne die Moleküle der Teilchenphysik.

 

Modelle zur Beschreibung der Kernstruktur

Trotz des grundlegenden Unterschieds in der Art der Wechselwirkung wird die Struktur der Kerne in Analogie zur Atomphysik in einem von Goeppert-Mayer und Jensen aufgestellten Schalenmodell beschrieben, dessen Erfolg zunächst in der Erklärung der sogenannten magischen Nukleonenzahlen bestand. Dieses Modell hat sich im Laufe der Zeit zur fundamentalsten Theorie des Kerns entwickelt und bildet heute den konzeptionellen Unterbau für alle anderen Kernmodelle, wobei der Einsatz von Computern für die Berechnung von Kerneigenschaften eine Schlüsselrolle einnimmt.

Die Restwechselwirkungen der Nukleonen sind auch die Ursache für kollektives Verhalten, das wie in der Molekülphysik zu Rotations- und Vibrationsstrukturen der Kerne führt. Diese werden im Rahmen kollektiver Modelle beschrieben und sind mit den Namen Bohr und Mottelson verbunden. Kollektivität ist i.a. mit einer Deformation der Kerne verknüpft, wobei die Abweichungen von der Kugelgestalt sich in verschiedenen Kernformen äußern. So findet man neben zigarrenförmigen (prolate Deformation) auch diskusförmige (oblate Deformation) Kerne. Dabei stellt die Kugelform sogar die Ausnahme dar.

Manche Kerne zeigen bei schneller Rotationsbewegung (hohe Drehimpulse) eine noch stärkere Deformation (Superdeformation), bei der ein elliptisch deformierter Kern ein Verhältnis von großer zu kleiner Halbachse von 2 : 1 aufweist im Gegensatz zu normalen Deformationen, wo das Achsenverhältnis 1.3 : 1 beträgt. Die Untersuchungen der Kernstruktur bei hohen Drehimpulsen haben zu einem eigenen Arbeitsgebiet der Kernphysik geführt, der Hochspinphysik, mit dem Anliegen, das Verhalten der Nukleonen bei schneller Rotation der Kerne zu studieren. Damit verbunden ist das Aufbrechen von Nukleonenpaaren unter der Wirkung von Corioliskräften, wie man sie auch in der klassischen Mechanik von bewegten Massen in rotierenden Systemen her kennt. Ein möglicher Phasenübergang der Nukleonen aus dem supraflüssigen (gepaarte Nukleonen) in den normalflüssigen (ungepaarte Nukleonen) Zustand ist mit dem Begriff des Coriolis-Antipairing Effekts gekennzeichnet.

 

Beta-Zerfall und die schwache Wechselwirkung

Mit der Erforschung des radioaktiven Beta-Zerfalls der Atomkerne verknüpfen sich einige der aufregendsten Episoden der Kernphysik. Zu der Entdeckung einer neuen fundamentalen Kraft, der schwachen Wechselwirkung , kommt das Auftreten eines neuen Teilchens hinzu, das Neutrino, das von Pauli zur Erklärung des Beta-Zerfalls zunächst postuliert und erst viele Jahre später experimentell gefunden wurde. Die besonderen Eigenschaften dieses Elementarteilchens, das nur schwache Wechselwirkung zeigt, haben zu einem eigenen Teilgebiet der Physik geführt. Die Neutrinophysik ist auf natürliche Weise mit vielen anderen Bereichen der Kernphysik, der Teilchenphysik und der Astrophysik (Neutrinos aus Sonne und Supernova-Explosionen ) eng verknüpft. Eine umfassende Theorie des Beta-Zerfalls, die auch heute noch von grundlegender Bedeutung ist, wurde 1934 von Fermi formuliert. Sie legte den Grundstein zum Verständnis der schwachen Wechselwirkung, deren weitere Untersuchung zu fundamentalen Entdeckungen über die Eigenschaften der Elementarteilchen und der zwischen ihnen wirkenden Kräften führte. Eine insgesamt herausragende Pionierleistung.
Ein weiteres Merkmal des Beta-Zerfalls ist die Verletzung der Parität, einer Symmetrieeigenschaft, die in allen Prozessen mit elektromagnetischen und starken Wechselwirkungen eine Erhaltungsgröße ist. Die Verletzung besteht darin, daß der gespiegelte Beta-Zerfall in der Natur nicht vorkommt. Dieser Sachverhalt wurde von Lee und Yang zunächst theoretisch vorhergesagt und dann von Frau Wu in einem aufsehenerregenden Experiment mit radioaktivem Co-60 bestätigt: radioaktive Co-60 Kerne werden mit ihrem Drehimpuls in Richtung eines externen Magnetfeldes ausgerichtet und man beobachtet dann, daß die Elektronen aus dem Beta-Zerfall vorwiegend entgegen der Richtung des Magnetfeldes ausgesandt werden. Im Falle der Paritätserhaltung dürfte es eine solche Vorzugsrichtung der Elektronen nicht geben. Diese Symmetrieverletzung ist eindeutig mit der schwachen Wechselwirkung verbunden und wird in allen physikalischen Prozessen beobachtet, wo diese Wechselwirkung in Erscheinung tritt.

 

Kernmaterie unter extremen Bedingungen

Hochkomprimierte und erhitzte Kernmaterie in der Form eines Quark-Gluon Plasmas ist nach der Urknall Hypothese für die Entstehung des Universums der Materiezustand, der in den ersten 10 Mikrosekunden nach dem Urknall sich gebildet hatte. Dieses Plasma sollte nach heutigen Vorstellungen noch immer im innersten Core von Neutronensternen existieren (Astrophysik).
Ob Kernmaterie - analog zum Wasser - auch noch in anderen Phasen vorkommt, ist eine grundlegende Frage, die man in Laborversuchen seit einigen Jahren zu beantworten versucht. Dieser Sachverhalt wird am besten gekennzeichnet mit dem Begriff der Zustandsgleichung der Kernmaterie, welche die thermodynamischen Größen wie Druck, Dichte und Temperatur miteinander verbindet. Aufschluß darüber erhält man aus dem Zusammenprall schwerer Atomkerne mit Geschwindigkeiten, die der des Lichts sehr nahekommen. Dabei lassen sich Dichte und Temperatur der Kernmaterie in weiten Bereichen und unter kontrollierten Bedingungen variieren. Zum einen geht die Bewegungsenergie der aufeinanderprallenden Kerne in innere Anregung der Kerne über d.h. sie werden erhitzt. Zum anderen entsteht dort, wo die Kerne frontal aufeinandertreffen- in dem kleinen Volumen der Kollisionszone- für extrem kurze Zeit (10-23 s) ein hochverdichteter Materiezustand.

In Experimenten am Beschleunigern der Gesellschaft für Schwerionenforschung Darmstadt (GSI) konnte in Stößen zwischen einem schweren Kern (z.B. Gold) und einem leichten Kern (z.B. Kohlenstoff), der Phasenübergang von flüssiger Kernmaterie in einen gasförmigen Zustand nachgewiesen werden. Dabei wurden die Kerne mehr erhitzt als komprimiert. Kernmaterie kocht also wie Wasser, wobei die Siedetemperatur, die mit dem Aufbrechen der Bindungen zwischen den Nukleonen zusammenhängt, bei ca. 1010 Grad Kelvin liegt, im Vergleich zu den 373 K von Wasser bei Normaldruck.
Wenn man zwei schwere Kerne (z.B. Blei) miteinander zur Kollision bringt, erhält man bei Energien von mehreren hundert GeV/Nukleon neben hoher Temperatur auch hohe Kompression, wodurch die Materiedichte kurzzeitig um das 5-10 fache über der Normaldichte liegen kann. Nach theoretischen Berechnungen sollten unter diesen Bedingungen die Nukleonen in ihre Quark- und Gluonen- Bestandteile zerlegbar sein d.h. die Urknall Suppe gebildet werden. Im Augenblick gibt es erste experimentelle Hinweise für die Bildung eines Quark-Gluon Plasmas. Eine der großen Schwierigkeiten dieser Untersuchungen besteht darin, Signale zu empfangen, die spezifisch für einen solchen exotischen Materiezustand sind. Für diesen Phasenübergang sagt die Theorie verschiedene Signaturen wie etwa eine überhöhte Produktion von seltsamen Quarks (sogen. s-Quarks) und die Emission einer hochenergetischen elektromagnetischen Strahlung vorher. Diese äußerst schwierigen Experimente werden zur Zeit am SPS-Synchrotron des europäischen Forschungszentrums CERN (Genf) sowie an RHIC (Relativistic Heavy Ion Collider) in Brookhaven (USA) durchgeführt.

 

 

 

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