Atomkerne als geordnete Zusammenschlüsse von Teilchen

Bislang glaubt man, Atomkerne seien aus Protonen und Neutronen zusammengesetzt. Aber schon die Analyse des einfachen Deuteriumkerns zeigt, dass Protonen und Neutronen im Kern eine einheitlichen Teilchenstruktur ausbilden. Wie wir wissen, findet sich in den Atomkernen eine sehr einheitliche Kernmaterie; hier existieren nicht Protonen und Neutronen nebeneinander.

8.1 Die Entstehung und Struktur von Atomkernen

Die Frage, wie ein Atomkern entsteht war der Ausgangspunkt aller Überlegungen. Der einfachste Atomkern ist das Deuteron, Symbol "d". Es wird in der geltenden Lehrmeinung als Zusammenschluss eines Neutrons und eines Protons angesehen. Die Fragestellung war, welche Teilchenreaktionen tatsächlich bei der Entstehung eines Deuterons ablaufen und in Übertragung dieser Erkenntnis, wie auch die schwereren Atomkerne entstehen.

8.1.1 Entstehung des Deuterons durch die Proton-Proton-Reaktion

Im einfachsten Falle reagieren zwei Protonen und ein Elektron zu einem Deuteron d, dem einfachsten zusammengesetzten Atomkern. Das Problem reduzierte sich schnell darauf,  wie aus den beiden positiven Elementarladungen der Protonen und dem negativen Elektron ein Bindungszustand aufgebaut wird und die sehr einheitliche Kernmaterie entsteht. Die Proton-Proton-Reaktion ist in Gl. 8.1 summarisch dargestellt. Sie darf nicht mit der Proton-Antiproton-Reaktion verwechselt werden.

(8.1)    p⁺    +    e^–    +    p⁺    →    d⁺

Die Proton-Proton-Raktion ist umkehrbar. Deuteronen haben eine sehr niedrige Kernbindungsenergie KBE von nur 2,2MeV. Sie können in ein Proton und ein Neutron gespalten werden. Am Ende des Zerfalls stehen wieder zwei Protonen und ein Elektron.

(8.2)    d⁺    →    p⁺    +    n

(8.3)    n      →    p⁺    +    e^–

Das Neutron zerfällt nocmals in Proton und Elektron. Es kann als ein Proton in einem temporären, radikalischen Bindungszustand aufgefasst werden. Das wird auch durch seine Eigenschaften bestätigt: Es ist sehr reaktionsfähig und lagert sich bereitwillig an andere Kerne an.

Die positiven Ladungsträger der Protonen - ihre positiven Myonen - treten bei der Proton-Proton-Reaktion mit einem Elektron in Wechselwirkung und bilden ein positives Pion, welches Bindung und Stabilität bewirkt. Der Spin Deuterons mit S=1 wird durch den Spin des bindenden Pions mit S=1 verursacht. In der Darstellung ist zu erkennen, dass die fünf Subteilchen des Deuterons eine gewisse symmetrische Anordnung ausbilden. Das Deuteron ist wenig stabil und sollte besser als 'Protokern' bezeichnet werden.

Das für die Fusion der Protonen notwendige Elektron erniedrigt das zu überwindende Potential zwischen beiden Protonen erheblich. Gleichzeitig enden die Kernkräfte bzw. die Reichweite der Teilchenwechselwirkungen nicht abrupt an der Kernoberfläche.  Fusionsreaktionen laufen sehr viel bereitwilliger ab, als es in den Theorien gegenwärtig angenommen wird. Viele Beobachtungen, es sei auf die LENR (Low Energy Nuclear Fusion) hingewiesen, bestätigen diese Aussage.

Die Kernbindung und Kernmaterie entstehen infolge Umwandlung aller beteiligten Teilchen. In der Kernmaterie selbst existieren weder Protonen noch Neutronen, sondern sie ist eine einheitliche Struktur aus leichten Mesonen, in erster Linie positiven und negativen Pionen. Je zwei Pionenpaare werden durch ein positives Pion stabil gebunden. Das in ungeradzahligen Kernen vorhandene einzelne Masseteilchen wird durch ein positives Kaon gebunden, dessen Substruktur [π⁺ μ^– μ⁺] das zur Bindung fehlende zweite Pionenpaar quasi ausgleicht bzw. ersetzt. Kaonen gehen mit S=½ in den Gesamtspin eines Kerns ein. In Antikernen sind die Ladungsverhältnisse genau umgekehrt. Hier sind negative Pionen und Kaonen die bindenden Teilchen.

8.1.2 Die Entstehung des Deuterons durch Fusion von Proton und Neutron

Im Kühlwasserkreislauf von Kernspaltungsrektoren reichert sich mehr und mehr schweres Wasser an. In dieser Verbindung ist der normale Wasserstoff durch sein schweres Isotop Deuterium ersetzt. Ursache dafür ist die Reaktion zwischen Wasserstoffkernen, also Protonen mit Spaltneutronen:

(8.4)    p     +     n     →     d

Diese zweite Reaktion der Entstehung von Deuteronen lässt sich ebenfalls auf Teilchenebene exakt angeben:

Genau wie bei der Proton-Proton-Reaktion findet die relevante Teilchenreaktion zwischen zwei positiven und einer negativen Elementarladung statt. Es entsteht wiederum ein positives Pion als bindendes Teilchen. Die Pfeile in der Abbildung weisen auf die an der Reaktion beteiligten Teilchen.

Die Proton-Proton-Reaktion nach Abb. 8.1 wird von der fiktiven Quark-Theorie immerhin als eine 'innere Teilchenumwandlung' erkannt - ein 'up-Quark' wandelt laut Theorie durch Reaktion mit einem Elektron in ein 'down-Quark'. Die Proton-Neutron-Reaktion gemäß Abb. 8.2 entzieht sich jedoch jeder näherungsweisen Erkenntnis. Auch hier findet eine innere Teilchenumwandlung statt. Es wird aber weder ein Elektron oder Positron emittiert oder eingefangen, die Reaktion wird also nicht sichtbar. Die reagierenden Teilchen liegen aber bereits in den Strukturen der an der Reaktion beteiligten Teilchen vor. Bei beiden Reaktionen findet eine Umwandlung von Subteilchen statt. Diese Reaktionen nehmen naturgemäß einige Zeit in Anspruch und sind den 'schwachen Wechselwirkungen' zuzuordnen, die in Wirklichkeit die tiefgreifendsten Teilchenumwandlungen darstellen.

8.2 Der Heliumkern 2-He-4

Helium-4-Kerne sind für leichte Kerne bereits äußerst stabil. Die Kernbindungsenergie beträgt 28,3MeV, das sind 7,074MeV je Masseteilchen. Sie können durch Fusion von zwei Deuteronen entstehen. Zur Realisierung dieser Fusion wird gegenwärtig versucht, die elektrostatische Ahbstoßung der Deuteronen durch sehr hohe Temperaturen (= hohe Teilchengeschwindigkeit) und hohe Teilchendichte zu überwinden. Das stößt auf erhebliche Probleme. Es zeichnen sich einfachere Wege zur kontrollierten Fusion ab.

Nähern sich zwei Deuteronen soweit an, dass sie miteinander in Wechselwirkung treten können, ordnen sich die Subteilchen der Deuteronen neu. Es entsteht der Kern 2-He-4 mit einer sehr viel günstigeren Teilchengeometrie. Dabei finden keine Umwandlungen von Subteilchen statt, sondern diese gehen lediglich in eine geometrisch günstige und sehr stabile tetraedrische Anordnung über. Eine einfache Neuordnung von Teilchen läuft naturgemäß sehr schnell ab; sie entspricht den gegenwärtig als 'starke Wechselwirkung' klassifizierten Teilchenreaktionen. Die Abb. 8.3 verdeutlicht die Teilchenanordnug nochmals in veränderter Darstellung. Der Kern 2-He-4 hat Spin S=0, da sich alle Teilchen in vollständiger Spinpaarung befinden.

Abb. 8.3 Räumliche Darstellung des Kerns 2-He-4

Diese Darstellung verdeutlicht die tetraedrische Struktur des Kerns als Ursache für seine hohe Stabilität und Bindungsenergie. Die Teilchenzusammensetzung ist [4(π⁺ π^–) {2π⁺}]. Die Masseteilchen (π⁺ π^–) bilden das Grundgerüst des Kerngitters. Darin sind die stabilisierenden bzw. bindenden positiven Teilchen, in diesem Falle nur pos. Pionen π⁺ regelmäßig angeordnet. Die Darstellung entspricht der weiter vorn bereits beschriebenen Schreibweise. Jeder der etwa 3000 Atomkerne ist so eindeutig darstellbar.

Atomkerne sind offensichtlich durch die geometrische Anordnung der Kernteilchen geprägt. Der Kern 2-He-4 mit seinen hohen Symmetriewerten bildet den ersten Peak im Verlauf der relativen Kernbindungsenergie. Es sei angemerkt, dass die Bezeichnung "Kurve" zur Beschreibung des Verlaufs der Kernbindungsenergie nicht angebracht ist.