Kernbausteine - Massendefekt - Bindungsenergie

Hallo und herzlich willkommen. Ich bin Georg. Und heute beschäftigen wir uns mit dem Aufbau des Atomkerns und den Bausteinen, aus denen er zusammengesetzt ist. Weiterhin schauen wir uns die Bindungsenergien und die Kräfte an, die im Kern wirken. Dabei werden wir auch auf den Begriff des „Massendefekts“ stoßen. Um ein besseres Gefühl zu bekommen, in welchen Größenordnungen wir uns befinden, starten wir zunächst mit einem einzelnen Atom, einem Wasserstoffatom. Das ganze Atom hat einen Durchmesser von circa 10-10 Metern. Das ist schon ziemlich winzig. Es ist aus einer Atomhülle aufgebaut, in der sich die Elektronen aufhalten. Und einem Kern. Der Atomkern ist noch einmal um das 100000 fache kleiner und beträgt etwas 10-15 Meter. Das ist von den Größenordnungen her in etwa ein Stecknadelkopf in der Mitte eines Fußballfeldes. Die Kernbausteine werden Nukleonen genannt. Heutzutage weiß man, wie Atome aufgebaut sind. Doch dieses Wissen musste erst einmal erarbeitet werden. Und wie das genau passiert ist, das schauen wir uns jetzt einmal an. Wir begeben uns an den Anfang des 20.Jahrhunderts. Schon seit 1911 gab es Versuche mit Massenspektrometern. Dabei werden ionisierte Teilchen in einem Magnetfeld abgelenkt. Je nachdem, welches Verhältnis sich zwischen Kernladung und Kernmasse ergibt, werden sie stärker oder schwächer abgelenkt. Und es fanden sich in den Aufnahmen genau solche Anzeichen für Atome, die die gleiche Anzahl an Protonen hatte, aber unterschiedliche Massen. Solche Elemente werden Isotope genannt. Der Weg für das Verständnis von Atomkernen, wie wir es heute haben, wurde von Sir James Chadwick bereitet, der 1932 durch seine Experimente mit Beryllium einen indirekten Nachweis für die Existenz des Neutrons lieferte. 1934 konnte darüber hinaus die Masse des Neutrons sehr genau bestimmt werden mit Hilfe des Deuteriums. Deuterium oder auch Deuteron ist sogenannter schwerer Wasserstoff, dessen Kern aus einem Proton und einem Neutron besteht. Der Atomkern lässt sich durch eine energiereiche Gammastrahlung von mindestens 2,21 Megaelektronenvolt aufspalten, wodurch ein freies Neutron entsteht. Mit Hilfe der Formel E = m * c2 und der relativistischen Masse des Gammaquants m. Gamma ist gleich E geteilt durch c Quadrat können wir nun die Neutronenmasse bestimmen. Aus der Energieerhaltung folgt: Die Masse des Neutrons ist gleich die Masse des Deuteriums plus die Masse des Gammaquants minus der Masse des Protons. Die Massen des Protons und des Deuterons konnten dank der Massenspektrographen schon damals sehr gut bestimmt werden, so dass sich für das Neutron eine Masse von 1,6748 mal Zehn hoch minus 27 Kilogramm ergab. Die Massen der Atome werden nun üblicherweise nicht in Kilogramm angegeben, sondern in einer atomaren Einheit u. u steht für „unit“. Ein u ist dabei ein Zwölftel der Masse des C12-Kohlenstoffatoms mit sechs Protonen und sechs Neutronen und beträgt 1,66 mal Zehn hoch minus 27 Kilogramm. Das C12-Kohlenstoffatom hat eine Masse von zwölf u. Demnach müssten die Massen von sechs Protonen und sechs Neutronen zusammen zwölf u ergeben. Doch es ergibt sich folgendes Problem: Die Masse eines einzelnen Protons beträgt 1,0073 u, die des Neutrons beträgt 1,0087 u. Der Kern des Kohlenstoffatoms ist also leichter als die Masse seiner einzelnen Komponenten. Dieser Effekt gilt für alle Atomkerne und heißt Massendefekt. Nach der Formel E ist gleich m mal c Quadrat lassen sich Masse und Energie ineinander umwandeln. Genau das ist hier passiert. Die fehlende Masse hält den Kern in Form von Bindungsenergie zwischen den Protonen und Neutronen zusammen. Diese Bindungsenergie ist sehr groß. Zwischen einem Proton und einem Neutron beträgt sie 2,21 Megaelektronenvolt. Bei größeren Kernen, bei denen sich Protonen und Neutronen dicht an dicht lagern, sind es circa acht Megaelektronenvolt. Fassen wir noch einmal zusammen: Lange Zeit war der Aufbau des Atomkerns unbekannt. Im Jahre 1932 entdeckte Sir James Chadwick das Neutron. Damit gelang ihm der Nachweis, dass Atomkerne aus Protonen und Neutronen bestehen. 1934 wurde die Masse des Neutrons bestimmt. Sie beträgt 1,6748 mal Zehn hoch minus 27 Kilogramm oder 1,0087 u. Dabei ist ein Neutron schwerer als ein Proton. Der Massendefekt sagt aus, dass die Masse eines Atomkerns immer geringer ist als die Summe der Massen der einzelnen Nukleonen. Die fehlende Masse hält den Kern in Form von Bindungsenergie zusammen. Der Zusammenhang zwischen Energie und Masse wird dabei über die Formel E= m * c2 beschrieben. Damit sage ich Tschüss und bis zum nächsten Mal.