Ein Uran-238 Atom hat zum Beispiel 92 Protonen (deswegen ist es Uran) und wiegt so viel wie 238 Protonen, deshalb ist es das Isotop 238 von Uran. Hätte das Atom 94 Protonen, wäre es kein Uran, sondern Plutonium. Es gibt aber ein Isotop von Plutonium mit seinen 94 Protonen, das auch so viel wiegt wie 238 Protonen. Das ist Plutonium-238.
Es lag nun die Idee nahe, dass der Kern einfach aus zwei Arten von Teilchen besteht. Protonen und den anderen. Die anderen mussten die Eigenschaft haben, dass sie die Chemie nicht beeinflussen. Denn auf chemischem Weg kann man Isotope des gleichen Elements nicht trennen. Diese Teilchen mussten also neutral sein und folglich nannte man sie Neutronen.
Anders als Protonen haben Neutronen keine Ladung und sie sind auch nicht stabil. Ein einzelnes Neutron im freien Raum hat eine Halbwertszeit von 15 Minuten. Neutronen verwandeln sich dann ein Proton und ein Elektron. Das ist der klassische Beta-Zerfall oder genauer Beta-Minus-Zerfall, weil ein negativ geladenes Elektron entsteht das sich schnell bewegt und hier die “Strahlung” darstellt. (Die Namen folgen der Reihenfolge der Entdeckung und wurden später noch ergänzt, erwartet hier also keine Logik.)
Nun fragt man zurecht, wenn Neutronen nicht stabil sind, warum hängen so viele davon in den Atomen und warum sind die überhaupt stabil? Die genaue und einzig richtige Antwort darauf liefert die Quantenchromodynamik … und die habe ich nicht wirklich kapiert. Also tue ich hier das, was die Physiker damals auch getan haben: Ich beschreibe welche Auswirkungen die Neutronen im Atomkern offensichtlich haben. Das reichte nachweislich für den Bau von Atombomben und Kernkraftwerken. (Ja, “was geht” kann auch zur Lebenseinstellung werden.)
Zunächst einmal hat man festgestellt, dass zwischen allen Teilchen im Atomkern eine anziehende Kraft wirkt, die starke Kernkraft. Sie ist genauso groß zwischen zwei Neutronen wie zwischen zwei Protonen oder zwischen einem Proton und einem Neutron. Wenn ein Neutron und ein Proton zusammen kommen, dann kleben sie aneinander. Interessanterweise wird das Neutron dadurch stabil. Zusammen mit dem Proton bildet es ein neues physikalisches System, das weder ein Neutron noch ein Proton ist und auch kein Neutron das neben einem Proton steht. Die genauen inneren Eigenschaften von diesem System sind für mich ein Buch mit sieben Siegeln. Aber es ist ein stabiles System, es hat die gleiche Ladung wie ein Proton und hat alle Eigenschaften die wir vom Wasserstoff-2 Isotop kennen und an ihm messen können. (Dieses Isotop wurde so früh entdeckt, dass es noch einen eigenen Namen bekam, der sich eingebürgert hat. Man nennt es Deuterium.)
Ein zweites Neutron kann zusammen mit dem Deuterium ein neues System bilden: Tritium. Ein Atomkern aus einem Proton und zwei Neutronen – oder besser gesagt, ein quantenchromodynamisches System das aus einem Proton und zwei Neutronen gebildet werden kann. (Ich werde diesen Teil ab jetzt weg lassen. Aber bitte denkt immer daran, dass ein Atomkern keine Ansammlung von Roten und Weißen Murmeln ist und sich mit dem Murmelmodell nichts wirklich erklären lässt. So leicht ist es leider nicht und ich wollte euch unbedingt an den Grenzen meines Wissens teilhaben lassen. Seht es als Ansporn, besser als ich zu werden – das geht nicht nur hier, sondern überall, nur allzu leicht.)
Das Problem beim Tritium ist: zwei Neutronen sind zu viel für ein Proton. Das System ist nicht stabil. Es hat eine Halbwertszeit von etwa 12 Jahren. Danach verwandelt es sich in ein System aus zwei Protonen, einem Neutron und einem Elektron. Es bildet sich ein Helium-3 Kern. Das Elektron entfernt sich dabei mit hoher Geschwindigkeit von dem Helium-3 Kern, es ist Beta-(Minus-)Strahlung.
Das ist ein typisches Verhalten für alle Atomkerne, die ein paar zu viele Neutronen für ihre Protonen haben. Sie sind instabil und bekommen ein zusätzliches Proton im Kern an der Stelle eines Neutrons. Das wegfliegende Elektron gleicht die Ladung aus. Hat ein Atomkern vielzuviele Neutronen, kann sogar ein Neutron direkt weg fliegen. (Solche merkwürdigen Atomkerne entstehen manchmal nach der Kernspaltung und das ist äußerst wichtig für die Kontrollierbarkeit und Sicherheit von Kernreaktoren.)
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