Warum sind Protonen und Neutronen im Kern eines Atoms zusammen? Warum schweben sie nicht einfach voneinander weg?
Vielleicht habt Ihr es bisher nicht geahnt.
Wir Physiker halten das nämlich gerne ein bissi geheim. Aber hier muss ich mich mal outen: Physiker sind auch nur Menschen. Wir haben __Gefühle__.
Und wenn ich hier nichts ahnend reinstolpere und dann lesen muss, dass hier jemand, der als Referenz angibt, er habe Kernphysik studiert, auf diese Frage antwortet, dass die Protonen und Neutronen im Kern durch das Higgsfeld zusammengehalten würden …. dann leiden diese Gefühle! Das ist SCHMERZ für einen Physiker. Das tut richtig weh. Im Hirn, im Magen, im Herz und überall sonst auch noch, bis runter in den kleinen Zeh.
SCHMERZ überall.
Nein, das arme Higgsfeld ist nicht verantwortlich für Atomkerne. Das Higgsfeld verleiht Elementarteilchen ihre Masse. Nicht uns übrigens, zumindest zum größten Teil nicht: Unsere Masse stammt fast vollständig aus den Bindungsenergien der Kernbausteine … E = mc² und so. Hier schön
erklärt.
Und da sind wir auch schon bei der richtigen Antwort auf die Frage, wie es die Protonen und Neutronen im Atomkern schaffen, trotz der elektromagnetischen Abstoßung zusammenzubleiben. Das schafft die sogenannte Starke Wechselwirkung.
Die Starke Wechselwirkung ist eine der vier bekannten grundlegenden Wechselwirkungsarten, die die Physik kennt (neben der Schwachen Wechselwirkung, der elektromagnetischen Wechselwirkung und der Gravitation). Die Starke Wechselwirkung ist die stärkste der 4 (deswegen haben Physiker sie in einem Ausbruch von Kreativität so genannt), spielt aber nur auf seeehr kleinen Maßstäben eine Rolle. Deshalb (und weil die Starke Wechselwirkung nicht auf alle Elementarteilchen wirkt) haben die anderen eine Chance, auch mal zum Zuge zu kommen. Die Gravitation ist mit Abstand die schwächste der vier Wechselwirkungsarten - aber auf den großen Entfernungen im All ist sie die Königin.
Die Starke Wechselwirkung ist für die Bindung der Quarks in Mesonen und Baryonen verantwortlich - und sie ist eben auch die Kraft zwischen Protonen und Neutronen im Atomkern.
Ich hole mir mal zur Erklärung die Bilder von leifiphysik
, wo man das Folgende auch etwas ausführlicher nachlesen kann:
Protonen und Neutronen zählen zu den Baryonen und bestehen aus Quarks.
Ein Proton besteht aus zwei Up-Quarks und einem Down-Quark:
Ein Neutron besteht dagegen aus nur einem Up-Quark und dafür zwei Down-Quarks:
Die drei jeweiligen Quarks werden dabei über die Starke Wechselwirkung zusammengehalten: der Zusammenhalt entsteht durch den Austausch - also durch die Emission und Absorption - von Gluonen zwischen den Quarks. Die Gluonen sind die Austauschteilchen der Starken Wechselwirkung und tragen Farbladung. Während die Quarks in den Neutronen und Protonen ihre Farbladung austauschen und so zusammengehalten werden, bleibt die Farbladung des ganzen Gebildes neutral.
Trotzdem die Farbladungen außerhalb der Neutronen und Protonen kaum noch vorhanden sind, spüren die Teilchen Restwechselwirkungen davon, wenn sie - wie im Atomkern - seeehr nahe beisammen sind. Die daraus resultierende Kraft ist zwar wegen des im Verhältnis immer noch größeren Abstandes als bei den Quarks schon viel schwächer, aber sie ist immer noch deutlich stärker als die elektromagnetische Abstoßungskräfte. und hält so den Atomkern zusammen.
Ein etwas bekannteres Analogon sind die sogenannten Van-der-Waals-Kräfte
zwischen eigentlich neutralen Atomen.
starke Kernkraft
Joachims Quantenwelt starke Kernkraft Da sich gleiche elektrische Ladungen stark abstoßen, ist es zunächst erstaunlich, dass Atomkerne stabil sind. Schließlich sind dort viele positiv geladene Protonen auf engem Raum versammelt. Warum fliegen die Protonen also nicht einfach mit großer Kraft auseinander? Die Antwort hierauf ist, dass es noch eine weitere, deutlich stärkere Kraft gibt. Diese Kraft heißt starke Kernkraft oder starke Wechselwirkung . Sie wirkt offenbar nur innerhalb der Atomkerne, also unter den Nukleonen . Auf Leptonen , wie zum Beispiel das Elektron , hat die starke Kernkraft keinen Einfluss. Aus dem Umstand, dass die Atomkerne benachbarter Atome sich nicht gegenseitig anziehen, kann man außerdem schließen, dass die starke Kernkraft eine geringe Reichweite hat. Nur unmittelbar benachbarte Protonen und Neutronen ziehen einander an. Nur für Quarks Genauer gesagt beeinflusst die starke Kernkraft nur Quarks und Teilchen, die aus Quarks aufgebaut sind. Diese Teilchen lassen sich aufteilen in Mesonen , die aus je einem Quark und einem Antiquark bestehen, und Baryonen und Antibaryonen, die aus drei Quarks bzw. Antiquarks bestehen. All diese Teilchen werden auch unter dem Begriff Hadronen zusammengefasst. Starke Farbladungen Die starke Wechselwirkung kennt nicht, wie die elektromagnetische Kraft , nur eine Ladung, es gibt drei Ladungen. Diese drei Ladungen werden oft nach den Grundfarben eines Monitors "rot", "grün" und "blau" genannt. Zudem gibt es auch die negativen Ladungen hierzu, die man "anti-rot", "anti-grün" und "anti-blau" nennt. Jedes Quark trägt eine Farbladung, jedes Antiquark trägt eine Anti-Farbladung. Man sollte jedoch den Begriff Farbladung nicht zu wörtlich nehmen, mit wirklichen Farben haben die Farbladungen nichts zu tun. Zwischen den farbgeladenen Quarks wirkt die starke Kraft so, dass sich sehr feste Verbindungen zwischen einer Farbladung und einer Antifarbladung ergeben. So kann man die Stabilität von Mesonen erklären, gegenteilige Farbladungen zieheneinander an, so wie positiv und negativ elektrisch geladene Teilchen einander anziehen. Es gibt jedoch eine weitere wichtige Regel in der starken Kernkraft: Drei Quarks, von denen jedes eine andere der drei Farbladungen hat, bilden einen gebundenen Zustand, den man Baryon nennt. Für diese "farbneutralen" Zustände sind das Proton und das Neutron die bekanntesten Beispiele. Kernkraft als Restwechselwirkung Mesonen und Baryonen sind so stark gebundene Objekte, dass nach außen kaum noch etwas von ihren Farbladungen zu bemerken ist. In diesem Sinne ähneln sie einem Atom , das ja auch nach außen elektrisch neutral (also ungeladen) erscheint. Bringt man jedoch zwei Baryonen dicht zusammen, so ist eine Restwechselwirkung zu spüren, die in etwa der Van-der-Waals-Kraft im Atom entspricht. Diese Kraft ist viel schwächer als die direkte starke Kernkraft aber immer noch stärker als die elektrische Abstoßung zwischen Protonen. So kann die starke Kernkraft den Zusammenhalt der Protonen
http://www.quantenwelt.de/kernphysik/kernkraft/starke.html
Edit 13. 9. 22: Der fragliche User hat seine Referenz mittlerweile geändert. Zum Glück habe ich einen Screenshot gemacht, um zu belegen, worin meine Eingangsbemerkungen begründet sind. Die Behauptung, ein vollständig ausgebildeter Kernphysiker zu sein, stand __wirklich__ da:
Ich wünsche ihm Glück bei dem, was seine aktuelle Referenz sagt "ich suche nach neuen Wissenschaften". Inwiefern das Verbreiten völlig falscher Behauptungen zur Physik ihm dabei helfen soll, ist mir allerdings schleierhaft.