Wie schwere Elemente im Kosmos entstehen

Das Wechselspiel der Kräfte

Atomkerne werden vor allem von den zwei stärksten der vier heute bekannten physikalischen Kräfte beherrscht: Die „Starke Kraft“ vereint dabei die meisten Stärkepunkte auf sich. Sie wirkt auf beide Sorten Kernteilchen (Nukleonen), Protonen und Neutronen, anziehend. Über diese gegenseitige Anziehung hält sie die Kerne zusammen. Ihr Gegenspieler ist die elektromagnetische Wechselwirkung, die zweitstärkste Kraft. Sie ist nach dem französischen Physiker Charles Augustin de Coulomb (1736-1806) benannt. Die Coulomb-Kraft sorgt dafür, dass die elektrisch gleich geladenen Protonen sich heftig voneinander abstoßen. In der Kampfarena des Periodensystems siegt meist die Starke Kraft über die Coulomb-Kraft. Doch wie alle Superhelden hat auch sie eine Schwäche: ihre kurze Reichweite. Ihr Klammergriff ist zwar stark, aber kurzarmig. Dagegen reicht die Coulomb-Kraft unendlich weit (Abb. A). Deshalb wachsen ihre Siegchancen mit der Größe eines Kerns. Siegt sie, dann zerplatzt er in einer spontanen Kernspaltung.

<strong>Abb. A:</strong> In einem Kern ringen zwei Superhelden gegeneinander (li.): Die Starke Kraft sorgt daf&uuml;r dass sich die Kernteilchen (Nukleonen) gegenseitig anziehen. Die Coloumb-Kraft bzw. elektromagnetische Wechselwirkung hingegen treibt sie auseinander, weil die elektrisch gleich geladenen Protonen sich gegenseitig absto&szlig;en. Wird der Kern gro&szlig;, dann kann sich die schw&auml;chere Coulomb-Kraft dank ihrer unendlichen Reichweite durchsetzen. Bild vergrößern
Abb. A: In einem Kern ringen zwei Superhelden gegeneinander (li.): Die Starke Kraft sorgt dafür dass sich die Kernteilchen (Nukleonen) gegenseitig anziehen. Die Coloumb-Kraft bzw. elektromagnetische Wechselwirkung hingegen treibt sie auseinander, weil die elektrisch gleich geladenen Protonen sich gegenseitig abstoßen. Wird der Kern groß, dann kann sich die schwächere Coulomb-Kraft dank ihrer unendlichen Reichweite durchsetzen.

Sehr schwere Elemente am Ende des Periodensystems werden deshalb instabil. Doch auch mittelschwere Elemente können zerfallen. Als grobe Regel für Stabilität gilt: Bei leichten Elementen müssen Protonen- und die Neutronenzahl etwa gleich sein, zu schwereren Elementen hin braucht es einen wachsenden Überschuss an Neutronen. Letzteres kann man sich gut anhand des Ringkampfs vorstellen: Jedes Neutron kämpft treu auf der Seite der Starken Kraft, Protonen mischen dagegen auf beiden Seiten mit. Folglich hilft ein Neutronenüberschuss in der Mannschaft der Starken Kraft, einen größeren Kern zusammen zu zwingen.

Und wie sieht nun ein Atomkern aus? 1935 dachte der deutsche Physiker Carl Friedrich von Weizsäcker (1912-2007) an einen schwebenden Wassertropfen. Die Oberflächenspannung des Tropfens hält die Wassermoleküle in einer Kugelform, weil dies Energie spart. Gleiches müsste auch für Atomkerne gelten, nahm von Weizsäcker richtig an. „Sein Tröpfchenmodell zählt modernisiert auch heute noch zu den besten Kernmodellen“, bestätigt Blaum. Ein gutes Modell muss aber noch einen strengen Schiedsrichter berücksichtigen: die Quantenmechanik. Mit nur grob zehn Femtometern (Millionstel eines Milliardstel Meters) Durchmesser sind Atomkerne unfassbar winzig. Und gehören somit zur Quantenwelt. Und diese kennt verschiedene Sorten von Quantenteilchen.

Protonen, Neutronen und Elektronen gehören dabei zu den sogenannten Fermionen und diese sind ein bisschen unsozial: Keines will seinen Quantenzustand mit einem anderen Fermion teilen. In Atomkernen sind diese Quantenzustände vereinfacht gesprochen wie Zwiebelschalen angeordnet. Dieses Schalenmodell (Abb. B) entwickelten die deutsche Physikerin Maria Goeppert-Mayer (1906-1972) und ihr Kollege Hans Jensen (1907-1973), wofür sie 1963 den Physik-Nobelpreis bekamen. „Jede Schale kann man sich als Sitzreihe in einem Theater vorstellen“, erklärt Blaum: „Der Platzanweiser füllt Reihe um Reihe mit Besuchern, also Protonen und Neutronen.“ Sobald eine Sitzreihe bzw. Schale voll ist, ist sie besonders stabil. Diese Quantenregel gilt übrigens genauso für die Elektronenschalen der Atomhülle: Vollständig gefüllt machen sie das Atom zum Edelgas. Das Atom spart dadurch viel Energie und ist chemisch extrem stabil.

<strong>Abb. B:</strong> Im Schalenmodell (hier am Beispiel von Sauerstoff) sitzen beide Nukleonensorten (Protonen &ndash; rot, Neutronen &ndash; blau) auf getrennten Schalen. Weil sich die Protonen gegenseitig elektrisch absto&szlig;en, reduziert das ihre Bindungsenergie und macht ihre Schalen leicht gr&ouml;&szlig;er als bei den Neutronen. Ein Sauerstoff-Kern mit acht Protonen und acht Neutronen hat vollst&auml;ndig gef&uuml;llte Schalen. Er ist &bdquo;doppelt magisch&ldquo; und besonders stabil. Bild vergrößern
Abb. B: Im Schalenmodell (hier am Beispiel von Sauerstoff) sitzen beide Nukleonensorten (Protonen – rot, Neutronen – blau) auf getrennten Schalen. Weil sich die Protonen gegenseitig elektrisch abstoßen, reduziert das ihre Bindungsenergie und macht ihre Schalen leicht größer als bei den Neutronen. Ein Sauerstoff-Kern mit acht Protonen und acht Neutronen hat vollständig gefüllte Schalen. Er ist „doppelt magisch“ und besonders stabil.
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