Physikunterricht/ Kernphysik/ Kernkraft

Kernkraft ist einer der Begriffe, die im Alltag am konsequentesten falsch genutzt werden. In Wirklichkeit hat die Kernkraft nämlich nur indirekt etwas mit den Kraftwerken zu tun, der Begriff beschreibt eigentlich zwei der vier physikalischen Grundkräfte: Die starke und die schwache Kernkraft (oder auch starke bzw. schwache Wechselwirkung). (Die anderen Grundkräfte sind die Gravitation und Elektromagnetismus.)

Starke Wechselwirkung

Die starke Wechselwirkung ist eine sehr starke Kraft (wer hätte das bei dem Namen gedacht!), welche jedoch nur einen sehr geringen Wirkungsraum hat. Diese Kraft hat, ähnlich wie die Gravitation, nur eine anziehende Wirkung, wirkt aber nicht auf alle Teile, sondern nur auf Teilchen, die aus Quarks aufgebaut sind, also Mesonen und Baryonen. Konkret heißt das, dass sie auf Nukleonen wirkt, Elektronen aber nicht beeinflussen kann.

Mit diesen Eigenschaften ist sie sehr entscheidend für die Welt: Ein Atomkern besteht, wie ihr sicherlich wisst, aus Neutronen und Protonen, also elektrisch neutralen und positiv geladenen Teilchen. In der Elektrostatik lernt man aber, dass gleiche Ladungen sich abstoßen. Hier kommt nun also die starke Wechselwirkung ins Spiel: Sie ist stärker als die Coulombkraft und hält den Kern daher zusammen. Den Kern des Nachbaratoms kann sie aber schon nicht mehr beeinflussen.

Große Kerne – Kleine Kerne

Wie bereits oben erwähnt, ist die starke Wechselwirkung sehr stark, wirkt aber nur auf sehr kleinem Raum. Daher unterscheiden sich große und kleine Kerne grundlegend in ihrer Haltbarkeit. Stellen wir uns zunächst einen kleinen Kern vor, zum Beispiel den von „schwerem Wasserstoff“ (mit einem Proton und einem Neutron). Hier wirkt keine Coulombkraft, aber die starke Wechselwirkung. Daher ist der Kern sehr stabil (er wird zusammengehalten und es gibt keine abstoßenden Kräfte). Nehmen wir hingegen einen großen Kern wie zum Beisiel das Uranisotop U²³⁸ Es hat also die für Uran typischen 92 Protonen und weitere 146 Neutronen (insgesamt 238 Nukleonen). Hier wirken also die Kernkräfte von 238 Teilchen und die Coulombkraft von 92 Teilchen. Eigentlich müsste dieser Kern super stabil sein, aber da der Kern relativ große räumliche Ausmaße hat, ist auf der einen Seite des Kernes kaum noch etwas von der Kernkraft eines Teilchens auf der anderen Seite zu spüren, wohl aber dessen Coulombkraft. Daher ist der Kern instabil und es werden immer wieder mal Teilchen abgeschleudert. Dies passiert zufällig (mit einer bestimmten Wahrscheinlichkeit). Ist das erreichte Isotop ebenfalls instabil, so zerfällt es wieder irgendwann, bin es einen stabilen Zustand erreicht hat.

Anwendungen

Praktische Relevanz hat die starke Wechselwirkung vor allem bei der Atomkraft. Hier wird ebendiese Welchselwirkung ausgenutzt.

Schwache Wechselwirkung

Die schwache Wechselwirkung hat eine deutlich geringere Relevanz als die starke, weil sie energetisch weniger interessant ist und, nach bisherigen Erkenntnissen, auch eine geringere Rolle einnimmt. Auch sie geht, ebenso wie die starke Kernkraft, von den Nukleonen aus, wirkt aber auch auf Elektronen. Dies ermöglicht zum Beispiel den sogenannten k-Einfang.

k-Einfang

Der k-Einfang ist ein Effekt, der bei allen Isotopen aller Elemente auftauchen kann.