Kernphysik

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In den beiden letzten Jahrzehnten ist es gelungen, über den Bau des Elektronengerüstes der Atome genaue Aufschlüsse zu gewinnen, Hand in Hand gehend mit der Entwicklung der von Planck begründeten, von Bohr auf das Atom angewandten und von Heisenberg, de Broglie und Schrödinger in ein vorläufig endgültiges System gebrachten Quantentheorie, welche als Verfeinerung der Newtonschen Mechanik letztere abgelöst hat. Die Rutherfordsche Idee, daß ein Atom bestehe aus einem kleinen, schweren, positiv geladenen Kern, in dem nahezu die ganze Masse konzentriert ist, umgeben von einer viel weiter ausgedehnten Elektronenwolke, hat das Bild geliefert, welches der ganzen Entwicklung zugrunde liegt. Heute sind wir so weit, daß nunmehr energische Bemühungen um den Kern selber, um das Verständnis seines Baues und der in ihm geltenden Gesetze einsetzen konnten.

Wir wollen uns zu allererst klarmachen, welche ungefähre Größe die Dinge haben, mit denen man es hier zu tun hat. In den Molekülen, deren Eigenschaften bestimmt werden durch die Architektur der Atomanordnung, mit deren Erforschung sich die Chemie bisher hauptsächlich und bekanntlich höchst erfolgreich beschäftigt hat, ist der Abstand von Atom zu Atom von der Größenordnung 10^-8 cm. Diese Länge stellt gleichzeitig den ungefähren Durchmesser der zu einem Atom gehörigen Elektronenwolke dar und was als chemische Bindungskräfte in

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Erscheinung tritt, ist die Wechselwirkung der peripheren Elektronen jener Wolken. Im Zentrum der Elektronenhüllen sitzt jeweilig der Kern, dessen Ladung allein mittels der von ihm ausgehenden elektrostatischen, durch das Coulombsche Gesetz charakterisierten Wirkung für den ganzen Bau der Elektronenwolke und damit für die chemischen Eigenschaften des Atoms verantwortlich ist. Besitzt der Kern beispielsweise eine positive Elementarladung, dann bindet er normalerweise ein Elektron, und wir haben es mit dem ersten Element des periodischen Systems, dem Wasserstoff (H), zu tun; hat der Kern beispielsweise acht Elementarladungen, dann bindet er acht Elektronen, und das entstandene Atom ist seinen chemischen Eigenschaften nach ein Sauerstoffatom (O). Der Kern ist etwa 10 000mal kleiner als die Elektronenhülle, sein Durchmesser beträgt also der Größenordnung nach 10^-12 cm.

Die Abstände der Atome voneinander und die Größe ihrer Elektronenwolken hat man bestimmt durch Untersuchung der durch die Materie verursachten Streuung und Interferenz von Röntgenstrahlen, die als Licht mit einer Wellenlänge von ungefähr 10^-8 cm (d.h. etwa 5000mal kleiner als die Wellenlänge des sichtbaren Lichtes) einem Maßstabe zu vergleichen sind, der gerade die passende Feinheit der Einteilung besitzt. Für die Messung der Kerndimensionen sind die gewöhnlichen Röntgenstrahlen aber noch viel zu langwellig. Hier hat man als Reagens die von gewissen radioaktiven Substanzen gelieferten α-Strahlen benutzt, d.h. Heliumkerne, also Kerne mit zwei Elementarladungen, die mit großen Geschwindigkeiten von rund 1/20 Lichtgeschwindigkeit von den radioaktiven Atomen ausgeschleudert werden. Wie Rutherford und Geiger zeigen konnten, werden diese Strahlen im allgemeinen so von der

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Materie gestreut, als ob sie durch punktförmige positive Ladungen großer Masse, die nach dem Coulombschen Gesetz abstoßende Kräfte auf die Heliumkerne übertragen, abgelenkt wären. Gerade diese Versuche gaben den Anlaß zu der Aufstellung des heute allgemein angenommenen Rutherfordschen Atombildes. Solange indessen die Versuchsresultate zu erklären waren mit Hilfe von punktförmig konzentrierten Kernladungen, konnte man naturgemäß noch nichts über die Kerndimensionen aussagen. Erst als sich herausstellte, daß die wenigen noch beobachtbaren, sehr stark abgelenkten α-Strahlen, die deshalb den Kern beinahe zentral getroffen haben müssen und daher sehr nahe an ihn herangekommen sind, nicht mehr in ihrer Winkelverteilung mit Hilfe der Coulombschen Wechselwirkung gedeutet werden können, konnte man auf eine Struktur des Kernes und dessen ungefähre Ausdehnung schließen.

Um das Bild der angegebenen Dimensionen lebendiger zu gestalten, mag folgender Vergleich dienen. Wir gehen aus von einem kleinen Kriställchen aus gewöhnlichem Salz (NaCl) in Form eines Kubus, dessen Seitenlänge so gewählt ist, daß man unter einem guten, stark vergrößernden Mikroskop die Form noch deutlich erkennen kann. Das bedeutet, daß die Kanten einige Wellenlängen des sichtbaren Lichtes, beispielsweise 1/1000 mm lang sein müssen. Wir wollen nun diesen Kubus mit einer hypothetischen, 10¹¹fachen Vergrößerung betrachten. Die Kantenlänge wird dann 100 km an Stelle von 1/1000 mm. Von Atom zu Atom ist nun der Abstand rund 30 m geworden, und die Elektronenwolken der Atome sind durch Kugeln dargestellt, deren Radius 10-15 m beträgt. Im Mittelpunkt jeder solchen Kugel sitzt der Kern und dessen Durchmesser beträgt nun etwa

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1 mm. Mit diesem Kern und dessen Struktur beschäftigt sich die Kernphysik.

In der klassischen Chemie führt man Reaktionen zwischen den Atomen aus, d.h. wie wir jetzt wissen, man bringt die peripheren Elektronen der Atome zur Wechselwirkung. Man kann sich nun die Frage vorlegen, ob es nicht gelingen könnte, die Kerne selber einander nahe zu bringen, um zu sehen, ob dadurch vielleicht ein ganz neuer Typus von Reaktionen ausgelöst wird. Das ist in der Tat die Richtung, in der sich die Versuche der, Neuzeit bewegen. Ehe ich darüber berichte, wollen wir indessen erst feststellen, welche Kerne existieren.