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Imaginäre Atomkerne

Komplexe Kräfte verhindern Gebilde aus fünf oder acht Nukleonen

Von Rainer Scharf

In den ersten drei Minuten nach dem Urknall verschmolz ein Teil der gerade entstandenen Protonen und Neutronen schrittweise zu immer schwereren Atomkernen. Es bildeten sich Wasserstoff, Helium und in geringen Mengen Lithium, doch dann brach die Kernverschmelzung plötzlich ab. Sie war auf ein unüberwindliches Hindernis gestoßen. In der Natur konnten sich keine Kerne aus fünf oder acht Nukleonen (Protonen und Neutronen) bilden. Die noch schwereren Elemente sind erst später im Innern der Sterne entstanden. Was die Existenz der Kerne mit fünf oder acht Nukleonen verhindert hat, haben jetzt amerikanische Kernphysiker untersucht.

Für ihre Berechnungen haben Robert Wiringa und Steven Pieper vom Argonne National Laboratory in Illinois vereinfachend angenommen, daß sich die Nukleonen im Atomkern wie winzige massive Kugeln verhalten, die Kräfte aufeinander ausüben. Tatsächlich bestehen die Nukleonen jedoch aus Quarks, die den Gesetzen der Quantenchromodynamik unterliegen. Bisher ist es aber noch nicht gelungen, aus dieser grundlegenden Theorie die exakten Kräfte zwischen den Nukleonen herzuleiten. Aus zahllosen Kernexperimenten hat man jedoch unterschiedlich präzise Kraftgesetze für die Nukleonen gewonnen.

Die Forscher wollten vor allem die Frage beantworten, ob das Fehlen der Atomkerne mit fünf oder acht Nukleonen auf die Kräfte zwischen den Kernbausteinen zurückzuführen ist. Wenn sich bei einer Kernreaktion fünf oder acht Nukleonen zusammenfinden, dann zerfällt das daraus entstandene Gebilde sogleich wieder. Seine Energie muß deshalb größer sein als  die Gesamtenergie seiner Bruchstücke. Dann kann die überschüssige Energie als Bewegungsenergie der davonfliegenden Teile freiwerden. Die Kerne mit fünf oder acht Nukleonen sollten deshalb im Vergleich zu den anderen leichten Atomkernen eine ungewöhnlich hohe Energie besitzen. Um zu klären, ob das so ist, berechneten die Forscher die Energien von allen leichten Atomkernen, die vier bis zehn Nukleonen enthalten ("Physical Review Letters", Bd. 89, Nr.182501).

Die Berechnungen zeigten, daß die Kerne mit fünf oder acht Nukleonen unter gewissen Bedingungen tatsächlich eine verhältnismäßig hohe Energie haben und daher instabil sind. So fanden die Forscher, daß der Helium-5-Kern energiereicher ist als ein Helium-4-Kern und ein Neutron zusammen und deshalb umgehend in diese beiden Partikeln zerfällt. Ein Beryllium-8-Kern wiederum ist energiereicher als zwei Helium-4-Kerne. Die Instabilität läßt sich damit erklären, daß die Kräfte zwischen den Nukleonen eine recht komplizierte Form haben. So sollten sich die Nukleonen wie kleine Magnete verhalten, die sich je nach Ausrichtung anziehen oder abstoßen.

Daß die Atomkerne mit fünf oder acht Nukleonen nicht existieren, hat weitreichende Konsequenzen gehabt. Da die Kernverschmelzung unmittelbar nach dem Urknall gleich wieder abbrach, wurde nur ein kleiner Teil des Wasserstoffs zu schwereren Elementen verbrannt. So blieb noch genug Kernbrennstoff übrig, die Sterne viele Milliarden Jahre lang leuchten zu lassen. Andernfalls hätte sich das Leben auf der Erde nicht entwickeln können. 

Frankfurter Allgemeine Zeitung, 13.11.2002, Nr. 264 / Seite 34

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