Das Atom ist ein Bausteinchen. Ganz einfach zusammensetzt, aus zwei Teilen und drei Teilchen, ist es der Baustein für alles das, was wir greifen und begreifen können. Zwei Teile – Elektron und Kern, zusammengehalten durch zwei fundamentale Wechselwirkungen – elektromagnetische und Starke Kraft, möglich gemacht durch die Eigenheiten der Quantenphysik.
Die Größenverhältnisse sind das wundersame am Atom: Schon das Atom selbst ist sehr klein, nur um 10-10 m groß, aber der Kern ist nochmal 5 Größenordnungen kleiner. Um den Kern kreisen die Elektronen auf ihren Bahnen. ziemlich weit kommt man mit der Vorstellung von Kreisbahnen um den Kern, aber da stellt sich die große Frage: Warum gibt es nur bestimmte Bahnen, warum sitzen die meisten Elektronen auf energetisch ungünstigeren, weiter vom Kern entfernten Bahnen und warum strahlen die Elektronen keine Energie ab, wie es beschleunigte geladene Teilchen normal tun (eine Kreisbewegung ist eine beschleunigte Bewegung – Richtungsänderung ist auch Beschleunigung).
Die Lösung liegt in der Quantenphysik: Das elektrisch negativ geladene Elektron kreist nicht wie ein Planet um die Sonne. Vielmehr lebt es in der erstaunlichen Zwischenwelt, zwischen Welle und Teilchen. Die Welle, kann man sich vorstellen, bestimmt die Aufenthaltswahrscheinlichkeit. Und nur bestimmte Wellen sind erlaubt. Vielleicht kennt ihr noch die Orbitalmodelle aus dem Chemiesaal in der Schule – das sind die Formen der Wahrscheinlichkeitsverteilungen. Klingt schwierig? Lasst euch nicht verwirren, merkt euch aber das: Jede dieser Formen gibt eine mögliche Form für ein Elektron. Die Form wird durch Zahlen markiert, vier verschiedene gibt es, man nennt sie Quantenzahlen. Drei bestimmen die Form des Orbitals und eine weitere ist eine Eigenschaft, die dem Elektron innewohnt, der Spin. Und darin liegt die Lösung, warum die Elektronen verschiedene Bahnen einnehmen: Niemals dürfen zwei Elektronen in allen Quantenzahlen übereinstimmen. Das legt fest, dass das innerste Orbital, bei der alle Bahn-Quantenzahlen 0 sind, nur von zwei Elektronen besetzt werden kann – denn der Spin kann zwei verschiedene Werte einnehmen.
Die Elektronen hält die elektromagnetische Anziehung auf der Bahn – die positive Ladung des Kern zieht die negativen Elektronen an. Aber die Quantenphysik verbietet dem Elektron näher an den Kern zu kommen als der Grundzustand erlaubt – daher und nur daher stürzt es nicht in den Kern, denn schließlich würde es das ja gerne, weil der Kern es anzieht.
Der Kern besteht aus zwei verwandten Teilchen. Neutronen sind ein wenig schwerer als Protonen, aber nicht elektrisch geladen. Also finden sich im Kern nur positiv geladene Teilchen und elektrisch neutrale – wie hält der Kern zusammen? Eigentlich stoßen sich doch gleichnamige Ladungen ab? Ja, aber es gibt noch eine weitere Kraft als die elektromagnetische Kraft, und das ist die Starke Kraft. Die ist, wie der Name sagt, stark genug um den Kern zusammenzuhalten auch gegen den Willen der elektromagnetischen Abstoßung (denn stark ziehen sich auch die Neutronen an). Aber sie ist sehr kurzreichweitig – etwa nur so weit wie der Kern groß ist.
Jetzt schluckt noch eine letzte Kröte: Kräfte werden durch den Austausch von Teilchen vermittelt. Elektromagnetische Wechselwirkung bedeutet: Austausch von Photonen (ja, den Lichtteilchen). Photonen haben keine Ruhemasse, daher kann die Kraft unendlich weit wirken. Die starke Kraft die den Kern zusammenhält, wird durch den Austausch von Teilchen mit Ruhemasse vermittelt. Da gibt es einen Deal: Ok, Kern, du darfst aus dem Nichts Teilchen erzeugen, um damit Kräfte austauschen zu können. Photonen sind ok, die haben keine Ruhemasse. Teilchen der Kernkraft – die dürfen nur kurz leben weil sie Masse haben – in dieser Zeit kommen sie aber nicht weit. Weit genug um den Kern zusammenzuhalten – aber nur eine begrenzte Anzahl Protonen und Neutronen. Das ist auch der Grund, warum Kerne irgendwann, spätestens ab Uran, nicht mehr für immer zusammenhalten können. Es finden sich dann energetisch günstigere Fälle, die Kerne zerfallen in leichtere – Radioaktivität.
“Fundamentales” versucht in kurzen Beiträgen, einen wichtigen Begriff aus der Physik in wesentlichen Zügen zu erklären.
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