Nukleonen

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Proton und Neutron

Ein Atomkern (Nukleus) besteht aus Protonen und Neutronen. Daher bezeichnet man die beiden Teilchen gemeinsam als Nukleonen. Beide Teilchen sind Fermionen mit Spin 1/2. Ihre Masse beträgt etwa 940 MeV/c2, wobei das Neutron (mn = 939,565 MeV/c2) etwas schwerer als das Proton (mn = 938,272 MeV/c2) ist. Im Quarkmodell bestehen beide Nukleonen aus drei Quarks. Das Proton hat die Quarkzusammensetzung uud und ist positiv. Das Neutron hat die Quarkzusammensetzung udd und ist nicht elektrisch geladen. Beide Nukleoenen besitzen ein magnetisches Moment und eine komplexe innere Struktur.

Eigenschaften

Die folgende Tabelle stellt alle wesentlichen Eigenschaften der Nukleonen zusammen:

Eigenschaft Proton Neutron
Quarkinhalt uud udd
elektr. Ladung in e +1 0
Spin in ℏ 1/2 1/2
Masse in MeV/c2 938,272[1] 939,565[2]
Masse in u 1,007276 1,008665
Lebensdauer in s (frei) stabil[1] 880[2]
Magnetisches Moment in J/T 1,411·10-26[1] −0,966·10-26[2]

(übrige Daten aus [3])

Aufbau der Nukleonen

Abb.1: Aufbau eines Protons: Valenzquarks: rot (u) und blau (d), Seequarks: grau (Quark) und weiss (Antiquark), Gluonen: Federn

Vergleicht man die Massen der Quarks (mu ≈ 5 MeV/c2, md ≈ 10 MeV/c2) mit den Massen der Nukleonen, dann fällt sofort auf, dass die Quarks mit 20 - 25 MeV/c2 nur einen sehr kleinen Bruchteil der Nukleonenmasse beisteuern. Woher stammt die übrige Masse? Tatsächlich ist der Aufbau eines Nukleons wesentlich komplexer als man aufgrund des Quark-Modells vermuten würde. Betrachten wir dazu die Quarks im Proton (Abb.1) etwas genauer: Sie sind dicht gebunden, so daß sie kaum noch Kräfte aufeinander ausüben. Sie sind asymptotisch frei. Wir bezeichnen sie als Valenz-Quarks. Sie befinden sich in einer Wolke virtueller Gluonen, die die starke Kraft zwischen ihnen vermitteln. Diese Gluonen erzeugen immer wieder Quark-Antiquark-Paare, die sogenannten See-Quarks. Das ganze Nukleon ist ein sich dynamisch änderndes Gebilde aus Valenz-Quarks, Gluonen und See-Quarks. Ihre Bindungs- und Bewegungsenergie entspricht via E = mc2 einer Masse und erzeugt den Hauptbestandteil der Masse des Nukleons.

Spin-Krise

Woher kommt der Spin der Nukleonen? Experimente am CERN haben eindeutig gezeigt, dass die naive Idee, der Spin eines Nukleons ist schlicht die Summe der Spins seiner Valenz-Quarks, nicht richtig sein kann, sie erzeugen nur etwa 1/3 des Spins[4], ebenso, wie sie nur einen kleinen Teil der Masse bewirken. Damit hatte die Physik ein neues Rätsel zu knacken, das sich hinter dem Namen "Spin-Krise" verbirgt. Es scheint auch der Bahndrehimpuls eine wesentliche Rolle zu spielen. Noch ist diese Frage nicht abschließend geklärt.[5].

Kernkraft

In den Nukleonen entstehen und vergehen dynamisch Quark-Antiquark-Paare (Mesonen). Theoretische Ansätze zur Beschreibung der Kernkraft als Restkraft der starken Wechselwirkung beinhalten den Austausch von Mesonen zwischen zwei Nukleoen[6]. Ihre Reichweite entspricht in etwa dem Durchmesser eines Nukleons und kann durch die Masse der Pionen abgeschätzt werden. Eine vollständige theoretische Beschreibung der Kernkraft ist bisher nicht gelungen.


Literatur

  1. 1,0 1,1 1,2 https://de.wikipedia.org/w/index.php?title=Proton&oldid=169525552
  2. 2,0 2,1 2,2 https://de.wikipedia.org/w/index.php?title=Neutron&oldid=168559271
  3. Randy Harris, Moderne Physik, Pearson Deutschland GmbH, München (2013)
  4. Klaus Rith, Andreas Schäfer, Der geheimnisvolle Spin des Nukleons, Spektrum der Wissenschaft 9, S.28, (1999), Online-Resource
  5. Michael Düren, Brennpunkt: Spinkrise überstanden?, Physik Journal 7, Nr.11, Wiley-VCH Verlag GmbH & Co,Weinheim, (2008)
  6. Wolfgang Wild, Kernkräfte und Kernstruktur (I), Physikalische Blätter, 33, 7,S.298-307 (1977),Wiley Online Library