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Kernkraftwerk Isar, Deutschland

Abgebrannten Kernbrennstoff Pool

Turbine eines Kernkraftwerks

Atomkern

Atomkern

Der Atomkern ist der kleine zentrale Teil des Atoms mit einer positiven elektrischen Ladung, in dem der größte Teil der Masse des Atoms konzentriert ist. Es wurde 1911 von Ernest Ruthenford entdeckt. Nach der Entdeckung des Neutrons im Jahr 1932 wurde das Atomkernmodell von Dmitri Ivanenko und Werner Heisenberg rasch entwickelt.

Die hauptsächlichen subatomaren Teilchen der Atomkerne sind Protonen und Neutronen oder Nukleonen (mit Ausnahme des normalen oder proprietären Wasserstoffs, der nur ein Proton enthält). Das gleiche chemische Element ist durch die Anzahl der Protonen im Kern gekennzeichnet, die die positive Gesamtladung bestimmen. Diese Nummer wird als Ordnungszahl bezeichnet. Die Massenzahl ist die Gesamtheit der Protonen und Neutronen.

Die Kernphysik ist der wissenschaftliche Zweig, der für das Studium und das Verständnis des Atomkerns verantwortlich ist, einschließlich der Kräfte, die ihn und seine Zusammensetzung vereinen.

Eigenschaften des Atomkerns

Fast die gesamte Masse eines Atoms befindet sich im Atomkern, mit einem sehr geringen Beitrag der Elektronenwolke, da Elektronen im Vergleich zu Neutronen und Protonen sehr wenig wiegen. Protonen und Neutronen verbinden sich durch Kernkraft zum Atomkern.

Die Kraft, die die Subpartikel im Atomkern zusammenhält, ist die Energie, die bei Kernfusion und Kernfusionsreaktionen anfällt. Das Aufbrechen dieser Kraftbindungen führt zu einem Masseverlust, der nach Albert Einsteins Theorie in Energie umgewandelt wird. E = mc 2

Der Durchmesser des Kerns liegt im Bereich von 1,75 fm für Wasserstoff, was dem Durchmesser eines einzelnen Protons bei etwa 15 fm für schwerere Atome wie Uran entspricht.

Atomare Kernstrukturmodelle

Der erste Vorschlag zur inneren Struktur des Atomkerns wurde 1808 vom englischen Chemiker John ausgearbeitet. Nach Daltons Vorschlag besteht jede Materie aus unteilbaren und unsichtbaren Atomen. Zu dieser Zeit gab es keine kleineren Partikel; für Dalton war die Existenz des Atomkerns unbekannt.

Das erste interne Strukturmodell des Atoms erschien 1897 durch Joseph John Thomson. Thomson identifizierte als erster das Elektron. Thompson definierte das Elektron als ein subatomares Teilchen negativer Ladung. Durch diese Entdeckung konnte er ableiten, dass die Atome, wenn sie mit einer neutralen Ladung und einem negativ geladenen Teilchen versehen sind, mindestens eine weitere positive Ladung haben müssten (dies wäre in Protonen).

Daher enthielten weder Daltons noch Thomsons Atommodell eine Beschreibung des Atomkerns. Der Begriff des Atomkerns entstand 1911, als Ernest Rutherford und seine Mitarbeiter Hans Geiger und Ernest Marsden eine Reihe von Experimenten unter Verwendung eines Alphastrahls und sehr dünner laminierter Metallbleche durchführten.

1913 postuliert Niels Bohr, dass sich Elektronen mit hoher Geschwindigkeit um den mit kinetischer Energie geladenen Atomkern drehen. Elektronen sind in verschiedenen Kreisbahnen angeordnet, die unterschiedliche Energieniveaus bestimmen. Das Elektron kann auf ein höheres Energieniveau zugreifen, für das es Energie aufnehmen muss. Um zu seinem ursprünglichen Energieniveau zurückzukehren, ist es erforderlich, dass das Elektron die absorbierte Energie (beispielsweise in Form von Strahlung) abgibt.

Es gibt üblicherweise zwei verschiedene Modelle, die Atomkerne beschreiben:

  • Das Regentropfenmodell
  • Das Ebenenmodell

Atommodell des flüssigen Tropfens

Das Flüssigkeitstropfenmodell ist eines der ersten Modelle der Atomkernstruktur. In diesem Atommodell ist der Kern eine Flüssigkeit, die aus Neutronen und Protonen besteht und deren interne elektrostatische Abstoßungskraft proportional zur Anzahl der Protonen ist. Die quantenmechanische Natur dieser Teilchen ergibt sich aus dem Pauli-Ausschlussprinzip. Das Ausschlussprinzip von Pauli besagt, dass es nicht zwei Nukleonen desselben Typs im selben Zustand geben kann. Die Flüssigkeit ist also eigentlich eine sogenannte Fermi-Flüssigkeit.

Dieses Atomkernmodell soll nicht die komplexe innere Struktur des Kerns beschreiben, sondern nur die Bindungsenergien zwischen Neutronen und Protonen sowie einige Aspekte der angeregten Zustände eines Atomkerns, die sich in Kernspektren widerspiegeln.

Modell der Atomstruktur von Schichten

Das Atomkernmodell von Schichten ist ein Modell, das versucht, einen Teil der inneren Struktur einzufangen, die sich sowohl im Drehimpuls des Kerns als auch in seinem Drehimpuls widerspiegelt. Darüber hinaus soll das Modell erklären, warum Kerne mit einer Reihe von Nukleonen (Neutronen und Protonen) stabiler sind.

Die Erklärung des Modells ist, dass die Nukleonen in Schichten gruppiert sind. Jede Schicht wird durch eine Reihe von Quantenzuständen mit ähnlichen Energien gebildet, wobei der Unterschied in der inneren Energie zwischen zwei Schichten im Vergleich zu den Schwankungen in der inneren Energie innerhalb jeder Schicht groß ist. Da Nukleonen Fermionen sind, werden die Schichten mit der niedrigsten Energie in einem Atomkern gefüllt, sodass die Nukleonen nicht in bereits gefüllte untere Schichten fallen können.

Die Schichten müssen hier in einem abstrakten Sinne verstanden werden und nicht als physikalische Schichten wie die Schichten einer Zwiebel. Tatsächlich ist die geometrische Form des Raums, den ein Nukleon in einem gegebenen Zustand einer Schicht einnimmt, mit dem Raum durchdrungen, den Nukleonen anderer einnehmen Schichten, analog wie elektronische Schichten ein Atom durchdringen.

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Erscheinungsdatum: 15. Januar 2013
Geändert am: 30. August 2017