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Ordnung und Chaos im Atomkern

Gesamtmasse von der Bewegung der Nukleonen beeinflußt

Von Rainer Scharf

Fast die gesamte Masse der uns umgebenden Materie ist in den Atomkernen konzentriert, die aus Protonen und Neutronen bestehen. Die Massen dieser Kernbausteine oder Nukleonen kennt man recht genau. Trotzdem ist es außerordentlich schwierig, die Masse eines Atomkerns zu berechnen. Denn komplizierte Kräfte halten die Nukleonen im Kern zusammen und verringern dadurch dessen Gesamtenergie und somit auch seine Masse. Selbst wenn man die Wirkung der Kernkräfte so gut wie möglich berücksichtigt, weichen die berechneten Kernmassen von den gemessenen ab. Für diese Diskrepanz machen jetzt zwei französische Wissenschaftler die chaotischen Bewegungen der Nukleonen verantwortlich.

Die Protonen und Neutronen ordnen sich im Atomkern in ähnlicher Weise auf Energieschalen an wie die Elektronen in der Atomhülle. Kerne mit vollständig gefüllten Schalen sind dabei besonders stabil. Dieses Schalenmodell erlaubt es, die Energie eines Atomkerns auf ein Promille genau zu berechnen. Die gemessene Energie schwankt je nach Zusammensetzung des Atomkerns um den berechneten Wert. Wie Oriol Bohigas und Patrick Lebœuf von der Universität von Paris gezeigt haben, läßt sich immerhin die durchschnittliche Größe dieser Energieschwankungen angeben. Die beiden Forscher konnten daraus wichtige Informationen über die Bewegungen der Nukleonen im Atomkern gewinnen.

Für ihre Untersuchung benutzten die Forscher die sogenannte Theorie der periodischen Bahnen ("Physical Review Letters", Bd. 88, Nr. 092502). Diese Theorie stellt einen Zusammenhang her zwischen den quantenmechanischen Eigenschaften eines physikalischen Systems - etwa eines Atoms oder Atomkerns - und den periodischen Bewegungen seiner Bestandteile, die den Gesetzen der klassischen Mechanik folgen. Auf diese Weise kann man aus den "klassischen" Bahnen von Teilchen quantenmechanische Energien berechnen. Anhand der möglichen periodischen Bahnen eines Nukleons im Atomkern konnten die Wissenschaftler abschätzen, wie stark die Gesamtenergie des Atomkerns von den theoretischen Vorhersagen abwich.

Wenn sich das Nukleon in geordneter Weise bewegte, so standen ihm dazu viele periodische Bahnen zur Verfügung. Dies führte zu einer vergleichsweise großen Abweichung der Energie, die übrigens unabhängig von der Größe des Atomkerns war. Die komplizierten Wechselwirkungen des Nukleons mit den anderen Kernbausteinen konnten indes dazu führen, daß sich das Nukleon zumeist auf chaotischen Bahnen bewegte und periodische Bahnen eher die Ausnahme waren. In diesem Fall konnten die periodischen Bahnen nur eine verhältnismäßig geringe Energieabweichung verursachen, die zudem um so kleiner ausfiel, je größer der Atomkern war. Beim Vergleich der gemessenen und der berechneten Kernmassen und Energien stellten die französischen Forscher fest, daß sich die Nukleonen sowohl auf geordneten als auch auf chaotischen Bahnen bewegten. Sie vermuten, daß sich die Koexistenz von Ordnung und Chaos nicht nur auf die Masse, sondern auch auf andere Eigenschaften der Atomkerne auswirkt. 
 
Frankfurter Allgemeine Zeitung, 10.06.2002, Nr. 131 / Seite 44

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