Grundlagen der Kernphysik: Nuklide, Kräfte und Zerfall

Der Atomkern und seine Bestandteile

Der Atomkern besteht aus Nukleonen (Protonen und Neutronen). Die Ordnungszahl (Z) definiert die Masse.

• Isotope: Nuklide mit gleicher Protonenzahl, aber unterschiedlicher Neutronenzahl.
• Isobaren: Nuklide mit gleicher Massenzahl (A), aber unterschiedlicher Protonen- und Neutronenzahl.
• Isotone: Nuklide mit gleicher Neutronenzahl, aber unterschiedlicher Protonenzahl.

Fundamentale Kräfte der Natur

Alle Kräfte der Natur lassen sich einer dieser Gruppen zuordnen:

• Gravitationskraft: Wirkt zwischen zwei Teilchen mit Masse. Sie ist immer attraktiv und verantwortlich für die Existenz von Planeten und Sternen. Es ist eine schwache Wechselwirkung, die erst bei großen Massen (astronomische Körper) spürbar wird.
• Elektromagnetische Kraft: Wirkt zwischen geladenen Teilchen. Sie kann attraktiv oder repulsiv sein und ist verantwortlich für den Zusammenhalt von Atomen und Molekülen. Sie ist intensiver als die Gravitation und hat eine Reichweite von 10^-15 m.
• Starke Kernkraft: Verantwortlich für den Zusammenhalt der Nukleonen im Kern. Sie ist die intensivste Wechselwirkung bei Kernabständen, aber hat eine sehr kurze Reichweite (praktisch null bei mehr als 10^-15 m).
• Schwache Kernkraft: Verantwortlich für den Beta-Zerfall einiger instabiler Kerne. Sie ist schwächer als die starke und elektromagnetische Kraft, aber stärker als die Gravitation. Ihre Reichweite ist extrem kurz (praktisch null bei mehr als 10^-17 m).

Starke Wechselwirkung

Die Wechselwirkung zwischen Protonen und Neutronen hat eine geringe Reichweite von ca. 10^-15 m. Bei sehr kurzen Strecken ist sie nicht zentral; für Entfernungen > 10^-16 m ist sie attraktiv, darunter repulsiv.

Masse und Energie

Massendefekt: Die Masse des Nuklids ist kleiner als die Summe der Massen der einzelnen Nukleonen. Die Differenz berechnet sich als Δm = M - (Z · m_p + N · m_n), wobei m_p die Masse des Protons (1,67252 × 10^-27 kg) und m_n die Masse des Neutrons (1,67482 × 10^-27 kg) ist.

Bindungsenergie: Die Energie, die den Kern zusammenhält, wird durch Einsteins Gleichung E = mc² bestimmt (Masse-Energie-Äquivalenz).

Radioaktivität und Zerfall

• Halbwertszeit: Die Zeit, in der die Hälfte einer ursprünglichen Menge eines Stoffes zerfällt.
• Radioaktive Aktivität: Anzahl der Zerfälle pro Sekunde.
• Alpha-Strahlung: Emission eines Heliumkerns (⁴₂He), wodurch das Nuklid 2 Protonen und 2 Neutronen verliert.
• Beta-Strahlung: Emission von Elektronen, wobei sich ein Neutron in ein Proton umwandelt (oder umgekehrt). Die Massenzahl bleibt unverändert, die Ordnungszahl ändert sich um eine Einheit.
• Gamma-Strahlung: Emission von Energie eines angeregten Nuklids, um in den Grundzustand zurückzukehren.

Kernreaktionen

• Fusion: Verschmelzung von zwei Kernen (z. B. Deuterium).
• Fission (Kernspaltung): Ein Kern fängt Neutronen ein, wird instabil und spaltet sich.