Warum zerspringt ein Atomkern nicht?

Question

Ein Atomkern besteht doch aus sovielen positiven Ladungen, warum bleiben die zusammen und explodieren nicht?

(Gehört diese Frage in "Physik" oder in "Chemie"?)

Wie funktionieren die Kernbindungskräfte? Mag ein Proton einfach das andere Proton? Ziehen Protonen sich grundsätzlich an, solang sie nah genug beieinander sind?

Ach, und vielen Dank für die Antworten bis jetzt!

Answer 1

Du kannst Dir die Kernkraft - oder auch "Starke Wechselwirkung" genannt, wie eine Feder vorstellen. Je weiter Du zwei Kernteilchen (Protonen, Neutronen), zwischen denen die Kraft wirkt, voneinander trennst, desto stärker zieht diese Kraft die beiden Kernteilchen wieder zusammen. Allerdings ist die Reichweite dieser Kraft begrenzt und fällt danach auf Null ab.

Es gibt stabile und instabile Atomkerne, wobei die instabilen Kerne durch innere Umwandlung versuchen, zu einem Stabilen Kern zu werden. Das hat übrigens nichts mit der Elektronenkonfiguration zu tun, oder mit der Frage, ob das betrachtete Atom ein Edelgas ist, wie ein Vorredner meinte, sondern mit den energetischen Zuständen im Kern.
Die Stabilität hängt vom Verhältnis der Neutronen zu den Protonen ab, leichte Kerne sind bei einem Verhältnis von 1:1 stabil, bei schwereren Kernen verschiebt ich das Verhältnis zu ca. 1,6 Neutronen je Proton.
Kerne, die zu wenig Neutronen haben, können durch einen Umwandlungsprozeß (Beta-Plus-Zerfall) Protonen in Neutronen umwandeln, neutronenreiche Kerne durch einen ähnlichen Prozeß (Beta-Minus-Zerfall) Neutronen in Protonen, so daß der Kern sich einem stabilen Neutronen:Protonen-Verhältnis nähert.

Schwerere Kerne können darüber hinaus durch Alpha-Zerfall "Gewicht verlieren", um sich der Stabilität zu nähern. Beim Alpha-Zerfall emittiert der zerfallende Kern einen Helium-Kern (2 Protonen und 2 Neutronen). So etwas könnte man mit etwas Augenzwinkern als "Zerspringen" bezeichnen...

Kerne, deren Ordnungszahl bei 100 oder höher liegt (und die es praktisch in der Natur nicht gibt) , also die richtig schweren Jungs, können aber tatsächlich zerplatzen. Da die Kernkraft in ihrer Reichweite begrenzt ist, ist irgendwann der Punkt erreicht, wo ein Atomkern "brüchig" wird. Das hängt aber nicht nur mit der Größe des Kerns zusammen, sondern auch mit seinem inneren Aufbau, der ähnliche Strukturen zeigt wie Elektronenhüllen, nur sehr viel komplizierter ;-)
Diese innere Schalenstruktur ist der Grund, warum die Physiker hoffen, irgendwann noch superschwere Elemente zu erzeugen, die tatsächlich wieder stabil - oder wenigstens sehr langlebig - sind.

Langer Rede kurzer Sinn, leichte und mittelschwere Kerne werden von der Kernkraft fest zusammengehalten, hier könne die Kerne sich nur durch Beta-Zerfälle in sich umgestalten. Schwere Kerne können durch Alpha-Zerfall Kernmaterie in klar definiertem Maße verlieren, überschwere (i.d.R. künstlich erzeugte) Kerne können tatsächlich "zerspringen".

@Black Dog
Das mit den Magneten und Federn ist ein sehr schönes Modell!

Answer 2

Alles viel zu kompliziert und zu lang.
Das die Protonen sich gegenseitig nicht abstoßen liegt an der Nuklear- oder Kernkraft, hervorgerufen durch die Neutronen. Sie ist 1043 mal stärker als die elektromagnetische Kraft.

Answer 3

Ich weiß nicht, ob meine X te Antwort überhaupt noch gelesen wird.
Aber ich red einfach mal drauf los. Aaaaalsoooo.

Wie meine Vorredner schon bemerkten, hat der Zusammenhalt der Protonen im Atomkern mit der "starken Kernkraft" zu tun.
Die kommt aber nicht von irgendwo, sondern muss bewirkt werden.
Das macht die sogenannte Bindungsenergie.
Wenn Du zwei Magneten mit den beiden Pluspolen zusammenbringen willst, rutschen sie Dir immer wieder weg.
Es sei denn, Du bringst so viel Kraft = Energie auf, eine bestimmte Grenze zu überschreiten.
Die sogenannte Akkretionsgrenze.
Ist diese überschritten, reicht die Kraft der beiden gleichen Ladungen der Protonen nicht mehr aus, sich abzustoßen. Sie kleben zusammen.
Ist quasi wie in einem schwarzen Loch. Wenn eine bestimmte Grenze überschritten ist, kommt man nicht mehr weg.
Die dafür benötigten Austauschteilchen zur Vermittlung dieser Kraft sind allerdings ebensowenig real, wie die Meßbarkeit dieser hypothetischen Grenze zwischen zwei Protonen. Deshalb werden sie auch als "virtuelle Teilchen" bezeichnet.
Und sie sind der Grund dafür, dass ein Heliumkern --der ja nur aus zwei Wasserstoffprotonen besteht -- leichter ist, als die Summe zweier Wasserstoffprotonen.
Die zur Bindung der beiden Wasserstoffprotonen zu einem Heliumkern notwendige Kraft setzt die Umwandlung der Bindungsenergie in Strahlung voraus, die man dann auch als Neutronen oder Neutrinostrahlung messen kann.
Immerhin ist die zum ZUsammenhalt zweier Wasserstoffprotonen zu einem Heliumkern notwendige Kraft größer als die eines Goldatoms. Da aber Helium wesentlich leichter ist als Gold -- und auch wesentlich früher entstanden --kann natürlich das Element Gold nicht für die benötigte Kraft in Frage kommen.
Nein, die Elemente "borgen" sich Kraft in Form von Bindungsenergie aus dem Universum --(Dunkle Energie ???)--und geben diese in Form von Strahlung zurück.
Das führt dazu, dass jedes Element leichter ist als die Summe seiner Einzelteile, aber die Protonen im Inneren dennoch zusammenkleben.

Ach übrigens.
Ist dir schonmal aufgefallen, dass diese "starke Kernkraft" als stärkste der vier Grundkräfte der Natur nicht mal aus einem "schwarzen Loch" herauskommt?
Dagegen die schwächste aller Naturkräfte -- die Gravitation -- aber eben damit nicht das geringste Problem hat?
Sondern eher ein "schwarzes Loch" Probleme mit der Bindung von Gravitation hat???

Answer 4

Wie bereits häufiger genannt, ist hierfür die starke Wechselwirkung (auch Kernkraft) zuständig. Diese ist 100-fach stärker als die elektromagnetische Wirkung (auch Coulombkraft), hat aber nur eine Reichweite von 2,5*10^(-15) und ist stärker als die Coloumbkraft vom Radius abhängig, sprich je größer der Atomkern, desto mehr kommt die elektromagnetische Abstoßung der Protonen zum Tragen. Ausgangspunkt dieser Kernkraft sind alle Teilchen, die aus Quarks bestehen, also nicht nur Neutronen wie hier vorher geschrieben, sondern auch die Protonen. Ebenfalls ist es Schwachsinn, dass die Atomkerne von Edelgasen stets stabil wären: das Edelgas mit dem größten bekannten Atomkern ist Radon, welches radioaktiv ist.

Kurz gesagt: je größer ein Atomkern, desto eher zerspringt er. Kohlenstoff mit 6 Protonen und 6 Neutronen (C12) ist sehr stabil. Bringt man die Teilchen allerdings noch weiter auseinander, indem man lediglich 2 weitere Neutronen zum Kohlenstoff hinzu gibt, bekommt man das radioaktive C14.
Ab 84 Protonen (das wäre das Element Polonium) sind alle Atome instabil, da der Atomkern zu groß wird, als dass die Protonen vom einen Ende genug Kernkraft auf die Protonen vom anderen Ende ausüben könnten, wogegen sich beide weiterhin mit ihrer Coulombkraft voneinander abstoßen.

Answer 5

das gehört in Physik...

aber zu der Frage. Es ist richtig das sich gleichgeladene Teilchen abstoßen (das ist die s.g. Elektro-magnetische Wechselwirkung).

Aber das ist nicht die einzige Kraft die auf die Protonen wirkt. Es gibt nämlich noch die "starke Wechselwirkung" im Atomkern, die ca. 100 mal stärker ist als die Elektro-Magnetische ist, jedoch eine so geringen Reichweite hat, dass sie nur auf den Atomkern wirkt

Mein Physiklehrer hat das mal so beschrieben: Stell dir vor die Protonen im Kern sind Kugeln, die auf der Oberfläche starke Magneten haben und darüber Federn. Wenn jetzt zwei leicht aufeinander treffen, dann werden sie durch die Federn voneinander abgestoßen. Wendet man jedoch Kraft an und drückt sie ganz fest zusammen, dann wirken die Magnete und halten sie zusammen

Answer 6

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Answer 7

Gehört in die Abteilung Kernphysik, nur soviel: Protonen mögen sich nicht und gehen sich gerne aus dem Weg (gleiche Ladungen stoßen sich ab), und deshalb sind die Neutronen als Schlichter da. Die pappen das alles zusammen. Über die Natur der Kernbindungskräfte kann man dicke Bücher schreiben und auch lesen.

Answer 8

Moin!

Die Frage gehört zur (Kern-) Physik!

Die Elementarteilchen sind ja ihrerseits wieder aus noch kleineren Teilchen (Quarks usw.) aufgebaut, die Physiker nehmen nun die Existens eines sog. "Kleberteilchens" (=Gluonen) an, welches die Kernkräfte "überträgt".

Gluonen kleben Protonen und Neutronen zusammen, meinen jedenfalls die Physiker :-) !

Grüße, Andreas!

Answer 9

Wie mein Vorgänger schon richtig feststellte, sind die elektromagnetischen Effekte nicht maßgebend für den Zusammenhalt der Atome. Sie bewirken lediglich ein elektrisches Gleichgewicht und die Elektronen bestimmen die chemische Reaktionsfähigkeit eines Atomes oder einer Verbindung.

Stichworte: Bohr´sches Atommodell (schlecht) und Orbitalmodell (gut)

Maßgeblich sind die Kernbindungskräfte die um ein vielfaches stärker sind als die elektromagnetischen Kräften. Bei Edelgasen besteht ein ideales Gleichgewichtsverhältnis im Gegensatz zu radioaktiven Elementen, die mit der Zeit unter Aussendung von Alpha-, Beta- und Gammastrahlen in leichtere Elemente mit stabilen Kernen zerfallen.


So gesehen ist es eine Explosion in extremer Zeitlupe.

Answer 10

Ich würde sagen, die Frage gehört nach "Physik", da wurde mir die unten stehende Antwort nahe gelegt.

Es gibt die sogenannten Kernbindungskräfte, die den Kern stabil halten. Außerdem dienen die ebenfalls im Kern vorhandenen Neutronen als Mini-Puffer, da sie sich zwischen die Protonen bewegen und diese etwas weiter voneinander entfernt halten können. Der Hauptgrund sind aber tatsächlich die Kernbindungskräfte.