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Warum es manche Atomkerne nicht gibt

Von Rainer Scharf

Unter den leichten Atomkernen glänzen diejenigen mit den Massenzahlen 5 und 8 durch Abwesenheit: Sie kommen in der Natur nicht vor. Mit aufwändigen Computerberechnungen haben US-Kernphysiker eine Erklärung dafür gefunden.

Atomkerne, die aus fünf oder acht Nukleonen - Protonen und Neutronen - bestünden, wären so instabil, dass sie sofort wieder zerfielen. Die Energie dieser nichtexistenten Gebilde muss demnach größer sein als die Gesamtenergie ihrer Bruchstücke. Um dies zu überprüfen, haben Robert Wiringa und Steven Pieper vom Argonne National Laboratory in Illinois die Energien von allen leichten Atomkernen berechnet, die zwischen vier und zehn Nukleonen enthalten.

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Tensorkräfte beeinflussen die Gestalt des Deuterons. (Quelle: ANL)

Doch selbst in den leichten Atomkernen herrschen so unübersichtliche Verhältnisse, dass man ihre Energie nur näherungsweise berechnen kann. Für eine exakte Berechnung müsste man die Kräfte kennen, welche die Quarks als Bestandteile der Nukleonen aufeinander ausüben. Bisher ist es nicht gelungen, diese Kräfte aus der zugrunde liegenden Theorie, der Quantenchromodynamik, herzuleiten.

Deshalb probierten Wiringa und Pieper verschiedene empirisch gewonnene Kraftgesetze aus, die das Verhalten der Nukleonen im Atomkern unterschiedlich gut beschreiben. Im einfachsten Fall nimmt man an, dass die Nukleonen nur paarweise Kräfte aufeinander ausüben, die z. B. von ihrer elektrischen Ladung, ihrem Spin und ihrem Impuls abhängen können. In aufwändigeren Modellen berücksichtigt man auch Kräfte zwischen drei Nukleonen sowie den Austausch von Pionen.

Nur wenn die Forscher bei ihren Berechnungen zuließen, dass die Nukleonen auch Tensorkräfte aufeinander ausüben, wie sie zum Beispiel zwischen zwei Magneten auftreten, erwiesen sich die Kerne mit 5 und 8 Nukleonen als instabil. So hat zum Beispiel der hypothetische Helium-5-Kern eine größere Energie als ein Alpha-Teilchen und ein Neutron zusammen. Ein Beryllium-8-Kern wiederum ist energiereicher als zwei Alpha-Teilchen. Damit die Anregungsenergien der stabilen leichten Kerne richtig herauskommen, muss man allerdings auch Kräfte zwischen mehr als zwei Nukleonen berücksichtigen.

Dass es keine Atomkerne mit fünf oder acht Nukleonen gibt, hat übrigens weitreichende Konsequenzen. Das Fehlen dieser Kerne führte dazu, dass die Kernverschmelzung unmittelbar nach dem Urknall nicht über die Massenzahl 7 hinauskam. So blieb noch genug Kernbrennstoff übrig, um die Sterne viele Milliarden Jahre lang leuchten zu lassen. 

Quelle
R. B. Wiringa und Steven C. Pieper, Evolution of Nuclear Spectra with Nuclear Forces, Physical Review Letters 89, 182501 (2002)
http://link.aps.org/abstract/PRL/v89/e182501

Kontakt
Robert Wiringa, wiringa@anl.gov
Steven Pieper, spieper@anl.gov

Theoriegruppe am Argonne National Laboratory:
http://www.phy.anl.gov/theory

pro-physik.de v. 17.10.2002

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