Grundlagen der Nuklearphysik von Sebastian Lutz

Grundlagen der Nuklearphysik

Der Begriff "Atom" beruht auf der Annahme der altgriechischen Naturphilosophen, alle Materie bestünde aus kleinsten, nicht weiter zerlegbaren Teilchen. Und eben dieses bedeutet das griechische Wort "atomos". Über deren Struktur hingegen wußte man so gut wie nichts.

Nach der Zerschlagung der großen griechischen Philosophiekultur kam erst einmal wieder Dunkelheit über die Kernphysik. In den folgenden 2000 Jahren sollte ein großer Teil des Wissens über das Wesen der Materie oder die Struktur des Weltalls verlorengehen. Die Menschen in Europa kümmerten sich lieber um Kriege, Kathedralen und Inquisitionen, als sich der Naturwissenschaft zu widmen. Die Forschung sollte sich in den Irrweg der Alchimie verlaufen, die versuchte, alle Materie aus den "Elementen" Feuer, Luft, Fels und Wasser zu rekonstruieren. Erst 1661 griff man die Thesen von Demokrit und Leukippos wieder auf. 1803 entwickelte der englische Lehrer Dalton ein erstes kugelförmiges Atommodell. Dieses bestimmte über 100 Jahre lang die Vorstellung der Menschen von den Atomen. Erst 1913 entwickelte das Physikerduo Bohr-Sommerfeld ein schon viel genaueres Modell. Auf Grundlage des Rutherfordschen Streuversuches, bei dem man Atomkerne, meist in Form einer hauchdünnen Platte eines Elementes kristalliner Struktur, von der man die Menge der Atome in der Dicke kennt ( z.B. sei das Plättchen 1000 Atome dick.), mit kleinen Teilchen beschießt und mißt, wieviele die Platte durchdringen ohne abgelenkt zu werden. An der Menge der abgelenkten Teilchen erkennt man, wieviel Prozent des Atoms vom Kern belegt werden.

Bis 1932 hatte man dann auch schon den Kern im wesentlichen entschlüsselt und festgestellt, dass er sich aus Protonen und Neutronen zusammensetzt. Seid 1969 wird dieses Modell immer weiter verfeinert und immer neue, immer kleinere Bestandteile des Atoms werden entdeckt.

Die moderne Wissenschaft hat den Begriff des Atoms übernommen, auch wenn wir heute wissen, dass sich die Atome sehr wohl noch teilen lassen. Man bezeichnet heute die Grundbausteine der Elemente als Atome. Eine Verbindung von mindestens zwei Atomen heißt Molekül. Damit ist das Molekül die kleinste Einheit einer Verbindung.

Das Atom selber besteht, wie bereits erwähnt, aus Protonen, Neutronen, Elektronen und einer Vielzahl weitere Elementarteilchen, die ich aber zum großen Teil nicht weiter aufführen werde, da sie für uns keine Bedeutung haben. Im Normalfall hat ein Atom eines stabilen Elementes die gleiche Anzahl Neutronen, Protonen und Elektronen. Hierbei liegt aber fast die gesamte Masse eines Atoms im Kern. Neutronen und Protonen haben in etwa die gleichen Massen (ca. 10 hoch -24 g, also ein Trilliardstel Gramm) und drängen sich im Kern in Form der dichtest möglichen Kugelpackung zusammen. Das Proton ist im freien Zustand (also ganz alleine im Raum schwebend) stabil. Auch das Proton hat, wie das Elektron, einen sogenannten "Spin", also einen Drehimpuls.

Das Neutron alleine hingegen ist nicht stabil. Wird es vom Kern getrennt, zerfällt es in ein Proton, ein Elektron und ein Neutrino. Der Spin des Protons ist gleich dem des Neutrons.

In sehr weitem Abstand umkreisen die Elektronen, welche nur etwa 1 / 1836 der Masse eines Nukleons haben, den Kern auf elliptischen Bahnen. Um sich ein Bild von der Größe des Abstands machen zu können, stellt man sich am besten den Kern als Kirsche im Münchner Olympiastadion vor. Wenn diese Kirsche nun auf dem Anstoßpunkt in der Mitte liegt, dann entsprechen die Elektronenbahnen in etwa den Tribünen. Der Kern nimmt nur 1 / 1.000.000.000.000 des Raumes, den das ganze Atom ausfüllt, ein. Dafür ist der Kern natürlich von sehr großer Dichte. Ein Atomkern von der Größe einer Kirsche würde etwa 30.000.000 Tonnen wiegen  (und somit wohl im Boden versinken!!!)

Interessant ist vielleicht auch noch die Tatsache, dass der Grundsatz N=P=Z, also die Anzahl der Elektronen gleich der Anzahl der Protonen, gleich der Ordnungszahl, nur bei den kleinen, leichten, stabilen Kernen zutrifft. Bei ihnen ist die Masse noch 2 P + Z*(M)e, also in etwa die doppelte Ordnungszahl. Bei den größeren Kernen, so ungefähr ab dem 20. bis 30. Element, weicht dieser Wert zusehends ab. Der Anteil von Protonen nimmt nicht mehr fünfzig Prozent der Nukleonen ein, sondern die Neutronen gewinnen die Überhand. So hat zum Beispiel Uran 235 nur 92 Protonen. Die übrigen 143 Kernteilchen sind Neutronen.

Die Stoffe, die trotz gleicher Ordnungs- und Protonenzahl eine andere Masse bedingt durch eine von Z verschiedene Neutronenanzahl haben, heißen Isotope. Das bedeutet, dass es verschiedene Stoffe mit ein und derselben Ordnungszahl gibt. Schon vom Wasserstoff kennen wir drei Isotope. Neben dem gemeinen Wasserstoff (1P;0N), noch das Deuterium (1P;1N) und das Tritium (1P;1N). Es ist wohl einsichtig, dass die weitaus komplizierteren, größeren Atomkerne noch viel mehr Isotope haben können. Die Elemente sind meist Mischungen der verschiedenen Isotope.

Wie wir ja wissen, ist das Atom an sich, nach außen elektrisch neutral. Die negative Ladung eines Elektrons entspricht vom Betrag her der positiven elektrischen Energie eines Protons, also bleibt unterm Strich keine nach außen wirksame Ladung übrig. Stoffe, bei denen dieser Ausgleich aufgrund eines Mangels entweder an Protonen oder Elektronen nicht gegeben ist (z.B. in Wasser gelöstes Natriumchlorid), heißen Ionen. Je nach Ladung spricht man von Anionen oder Kationen. Generell sind diese jedoch bestrebt, ihre Neutralität wieder herzustellen. So sind Ionen in der Regel sehr reaktiv. Der Normalzustand einer stabilen Verbindung hat also ebenso viele Elektronen um sich herum, wie Protonen im Kern. Dies ist die energetisch günstigste Ladungsverteilung. Doch wieso bleiben die Protonen im Kern? Nach den Regeln der Elektronik müßten sich diese gleich geladenen Teilchen ja abstoßen. Die Gravitation zwischen den Teilchen wäre aufgrund der geringen Massen nicht ausreichend, die elektrische Abstoßung zu absorbieren. Doch bei diesen Teilchen tritt eine vielen vielleicht noch unbekannte Kraft, die sogenannte Kernkraft, auf. Diese ist nicht zu verwechseln mit den Dingen, die z.B. in einem Atomkraftwerk vor sich gehen. Sie ist lediglich eine starke Wechselwirkung, welche nur über sehr geringe Entfernungen wirkt und die Nukleonen zusammenhält. Übertragen wird sie durch den Austausch von Mesonen. Die Masse dieser schon in den vierziger Jahren entdeckten Teilchen liegt zwischen der von Elektronen und Protonen. Daher auch der Name, der soviel wie "dazwischenliegend" bedeutet. Damit ist die Masse eines Mesons sehr viel größer, als z.B. die Masse der Teilchen, die für die elektromagnetische Wechselwirkung verantwortlich sind. Denn diese Photonen, oder Lichtquanten haben eine Masse, die fast Null ist.

Es ist ein allgemeiner Grundsatz, dass die Reichweite einer Kraft um so kleiner wird, je größer die Masse der die Kraft übertragenden Teilchen ist. So ist es verständlich, dass die Kernkraft, welche von vergleichsweise schweren Mesonen übertragen wird, eine soviel geringere Reichweite hat, als z.B. die elektromagnetische Wechselwirkung.

Wäre die Masse eines Photons ungleich Null, so die Theorie, die zu der Vermutung der Existenz der Photonen führte, so könnte ein Lichtstrahl ja auch nicht Lichtgeschwindigkeit erreichen, da ja bekanntlich die Masse eines Körpers bei Annäherung an die Lichtgeschwindigkeit extrem exponentiell steigt und beim Erreichen der Lichtgeschwindigkeit unendlich mal größer wäre, als beim ruhenden Körper. Außerdem würde die Kollision mit einem genau lichtschnellen, Photon der Masse m ungleich 0 jeden Himmelskörper vernichten, da das Photon durch die Lichtgeschwindigkeit eine unendlich große Masse und damit eine unendlich große kinetische Energie hätte.

Um beim Thema Energie zu bleiben, folgt noch eine sehr kurze Erläuterung zum Thema "Energiegewinnung durch Kernspaltung", abgerundet mit einem kleinen Blick auf die Atomenergie der Zukunft, der Kernfusion.

Bei der allgemein üblichen Kernspaltung in einem heutigen Atomreaktor wird Uran verwendet. Uran ist ein natürlich vorkommendes Metall, welches in seiner Normalform nur sehr schwach radioaktiv ist. Das häufigste Uranisotop ist Uran 238. Von 1000 Uranatomen sind 993 U-238, 7 U-235 und statistisch weniger als 1 U-234. Wegen der Halbwertszeit von ungefähr 4,5 Milliarden Jahren, ist noch sehr viel in der Natur erhalten und die Gewinnung durch Bergbau relativ einfach, wenn auch in hohem Maße gesundheitsschädlich. Doch dieses Uran 238 ist für den Einsatz in Kernkraftwerken ungeeignet, da es viel zu schwer zu spalten ist. Daher wird es angereichert. Das heißt einfach, man erhöht den Anteil von U 235 Kernen von 7 Promille auf 30 Promille. Da die Isotope sich chemisch nicht unterscheiden muß man sie z.B. durch Zentrifugen trennen. Wenn man die Uran 235 nun mit einem langsamen Neutron beschießt, wird dieses erst einmal vom Kern geschluckt. Es entsteht kurzfristig Uran 236, welches jedoch quasi sofort wieder zerfällt. Und zwar in Krypton 90 und Barium 144. Dabei werden zwei Neutronen frei, die, wenn sie durch einen sogenannten Moderator gebremst werden, weitere U-235 Kerne spalten können. Die Kettenreaktion nimmt ihren Lauf.

Das ist jetzt ja schön und gut, aber wieso wird dabei Energie frei, könnte man sich jetzt fragen. Der Punkt ist, dass die Produkte dieser Reaktion etwas weniger Masse haben, als die Edukte. Die Differenz wurde in reine Energie, größtenteils in Form von Wärme, umgewandelt. Diese kann man nun nutzen, um damit Wasser zu erhitzen und den Dampf durch Turbinen zu blasen, aber das unterscheidet sich auch nicht weiter von anderen Wärmekraftwerken.

Zum Verständnis dieses Vorganges der Energiegewinnung muß man sein physikalischen Weltbild um einen Parameter erweitern, was aber eigentlich kein Problem sein sollte. Wir alle kennen ja den Energieerhaltungssatz, der besagt, dass 1. alle Energieformen in eine beliebige andere umwandelbar sind und 2. in einem geschlossenen System keine Energie verloren gehen kann. Man muß sein Verständnis dieses Satzes nur um die Erkenntnis des weltbekannten Physikers Albert Einstein erweitern, dass auch die Materie letzten Endes nur eine Form von Energie ist (E=mc², das heißt, dass sich aus einer Masse m soviel Energie gewinnen läßt, wie es ihrem Produkt mit dem Quadrat der Lichtgeschwindigkeit entspricht.. So trifft der Energieerhaltungssatz auch auf die Materie in all seinen Konsequenzen zu. Es gibt eine beliebige Austauschbarkeit von kinetischer Energie, thermischer Energie, und  eben Materie.

Wenn man dies eingesehen hat, ist es auch kein Problem mehr, das Prinzip der Energiegewinnung, wie sie die Sterne praktizieren, zu begreifen, denn auch hier wird Masse in Energie verwandelt. Aber die Ausbeute ist wesentlich höher, da die Massendifferenz zwischen Produkten und Edukten größer ist. Bei der Kernfusion, hier wird also, wie sich aus dem Namen schon erkennen läßt, nicht gespalten, sondern addiert, verschmelzen Wasserstoffatome zu Heliumatomen.  In jeder Sekunde verbraucht die Sonne 564 Millionen Tonnen Wasserstoff und erzeugt daraus 560 Millionen Tonnen Helium. Nach Einsteins Formel für die Umwandlung von Masse in Energie: Masse * Lichtgeschwindigkeit zum Quadrat = Energie ergibt sich so eine Gesamtstrahlleistung von 3,83* (10 hoch 23) kW. Damit strahlt jeder Quadratmeter Sonnenoberfläche 62900 kW ab, das entspricht etwa 1.000.000 Glühbirnen !!! Noch eins zum Schluß: Die Erde hat eine Masse von 5,9 Trilliarden Tonnen. Würde auch sie Kernfusion betreiben, hätte sie schon nach 467,719 Jahren all ihre Masse umgewandelt. Unsere Sonne hingegen wird wahrscheinlich 10.000.000.000 Jahre lang Energie erzeugen.

Quellen: