Das strukturierte Atommodell

Edwin Kaal, James Sorensen und Jan Emming, 2018/03/27
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Der Atomkern: Strukturiert oder nicht?

Seit einem Jahrhundert ist die Wissenschaft auf der Suche nach der Struktur des Atomkerns. Das Bild rechts zeigt das klassische Bohr-Modell des Stickstoffatoms und einen strukturlosen Kern. Auf der linken Seite findet sich die Abbildung eines Magnesiumkerns, die mit der Simulationssoftware Structured Atom Model (SAM) erzeugt wurde. Sie zeigt eine bestimmte Ordnung, die für jedes von SAM erstellte Element einzigartig ist.

„Über die Technologie der Kernenergie weiß man sehr gut Bescheid, unser Verständnis des Kerns selbst ist jedoch ziemlich unvollständig.“ Dies ist ein Zitat aus dem Buch „Models of the Atomic Nucleus“ von Norman D. Cook. Dieses Buch bietet einen umfassenden Überblick über die mehr als 30 verschiedenen Kernmodelle, die auf „auffallend unterschiedlichen Annahmen von Theoretikern und Experimentatoren beruhen. Jedes liefert einen Einblick in die Kernstruktur oder -dynamik, aber keines kann behaupten, mehr als eine Teilwahrheit darzustellen, welche oft in direktem Konflikt mit den Teilwahrheiten anderer Modelle steht. In Fachzeitschriften werden die Stärken und Schwächen der Kernmodelle natürlich eingeräumt und diskutiert, aber sie werden oft nicht direkt miteinander verglichen, um die Widersprüche aufzuzeigen, die in ihnen vorhanden sind. Stattdessen werden ihre unterschiedlichen Ausgangsannahmen dargelegt und erklärt, sie aber allein dadurch gerechtfertigt, dass die verschiedenen Modelle tatsächlich alle nützlich sind und insgesamt zu den erstaunlichen Erfolgen der Kerntechnik beitragen. Daher herrscht in der Kerntheorie jetzt die orthodoxe Auffassung, dass diese widersprüchlichen Modelle irgendwie ‚komplementär‘ sind. Angesichts der Fülle und Genauigkeit experimenteller Daten zu Tausenden von stabilen und instabilen Kernen sowie der Fähigkeit, die meisten Daten innerhalb des einen oder anderen Modells zu erklären, wird kaum erwartet, dass in der Kerntheorie ein Umdenken erforderlich ist. Das ist der aktuelle Stand der Theorie zur Kernstruktur.“

Der Hauptzweck von SAM ist es, die geometrische Form jedes Elements im Periodensystem so gut wie möglich zu identifizieren und zu untersuchen, ob daraus irgendwelche Rückschlüsse gezogen werden können. SAM ist ein Instrument, das in der Lage ist, den Kern zu modellieren, der mit den Eigenschaften des Periodensystems der Elemente (PSE) übereinstimmt. In den letzten zwei Jahren haben wir geometrische Konfigurationen für 42 der über 100 Elemente im PSE erstellt. Wir haben herausgefunden, dass das Modell über die erforderliche Eigenschaft verfügt, wesentliche Merkmale von Schlüsselelementen vorhersagen zu können, z. B. ob diese Geometrie ein Metall, ein Halogen oder ein Edelgas darstellt, und ob es stabil (bzw. radioaktiv) ist usw. Darüber hinaus können wir durch Kenntnis der Geometrie bestimmte Effekte plausibel erklären, die mit aktuellen Konzepten nicht einfach zu erklären sind. Zum Beispiel können viele der Erkenntnisse auf dem Gebiet der Niederenergetischen Kernreaktionen (LENR) mit diesem Modell visualisiert werden.

Das Modell liefert die notwendigen Erkenntnisse für ein Überdenken der Theorie der Kernstruktur. Es unterscheidet sich von all diesen über dreißig Modellen und von dem von Cook vorgeschlagenen Gittermodell in zwei grundlegenden Punkten: a) die Nukleonen sind alle Protonen und nicht Protonen und Neutronen, b) „Kernelektronen“ wirken zwischen benachbarten Protonen, um sie in ihren Positionen gefangen zu halten. Was im Standardmodell allgemein als Neutron betrachtet wird, ist im SAM-Konzept eine Verbindung zwischen zwei Protonen, die durch ein Elektron vermittelt wird. Die negativen Elektronen werden von positiven Protonen angezogen und sorgen für Stabilität. Dadurch verhindern die Elektronen, dass sich die Protonen gegenseitig aus dem Kern abstoßen. Außerhalb des Kerns zerfällt ein Neutron in zwei grundlegende Teilchen: ein Proton und ein Elektron [math][N \to P + e][/math].

Natürlich bestand diese Idee der Kernelektronen fast über das ganze 20. Jahrhundert hinweg, aber sie wurde 1933 auf der Solvay-Konferenz zugunsten des Bohr-Modells abgelehnt. Was ist, wenn sich diese Abstimmung als die falsche Entscheidung herausstellt? SAM wurde aus der Überzeugung heraus geboren, dass es eine Ordnung und eine Struktur für den Kern geben muss und dass es wichtig ist, deren Geometrie zu verstehen.

Hintergrund

Ab 2006 entwickelte Edo Kaal im Laufe der nächsten Dutzend Jahre diese Idee eines strukturierten Nukleus. Ermutigt wurde er durch die Arbeiten von Dr. Carl Johnson, der zwischen 1996 und 2003 eine detaillierte und präzise Analyse aller Isotope in der NIST-Datenbank der Atomgewichte durchführte. Johnson kommt in einem ausführlichen Online-Artikel zu dem Schluss, dass Neutronen als unabhängige Elementarteilchen im Kern nicht existieren können. Die einzigen Elementarteilchen sind das Elektron und das Proton. Überdies gibt es keinen Bedarf, ja, es gibt keinen „Raum“ im Kern für die starken und schwachen Kernkräfte, sowie für Neutrinos, Pionen usw. als unabhängige Entitäten. In dieser Arbeit liefert Johnson Dutzende von Diagrammen, die stark darauf hindeuten, dass es im Kern eine Struktur gibt.

Mit drei einfachen Konzepten: a) eine einzige organisierende (elektrische) Kraft, b) das Prinzip der dichtesten Packung und c) die Tendenz der Natur, bestimmte geometrische Anordnungen, die als platonische Körper bekannt sind, zu bevorzugen, hat Edo Kaal Kandidatengeometrien für die ersten Elemente des PSE „gefunden“. Im Jahr 2016 entwickelte er zusammen mit James Sorensen ein 3D-Modell für den Kern, aus dem schließlich SAM hervorging.

Bei der Ausarbeitung eines praktischen Ansatzes für dieses Modell entstand die Methodik zum Aufbau von Atomen aus einfacheren Einheiten. Diese Entitäten, die sie als „Nuclets“ bezeichneten, sind dicht gepackte, geometrisch angeordnete Protonencluster, die sich mit anderen Nuclets zum Atomkern verbinden. Sie stellten sich vor, dass die Atome in der Natur baumartig aus diesen Nuclets „erwachsen“. Die Nuclets sind nach dem Element benannt, in dem sie zuerst auftreten. Diese Namenskonvention ähnelt der Benennung der Gruppen oder Spalten des Periodensystems. Zum Beispiel ist Kohlenstoff das erste Element in der 14. Spalte, daher wird diese Spalte die „Kohlenstoffgruppe“ genannt. Nuclets können in 3 Kategorien eingeteilt werden – Bausteine, Aufbauphase und Kappungsphase.

Die geometrische Anordnung der Nukleonen bestimmt die Eigenschaften des Atoms, wie sie sich im Periodensystem (PSE) widerspiegeln. Das Modell wird verwendet, um die Konfiguration jedes Elementes/Isotops zu finden, angefangen von einfachen bis hin zu komplexeren, da die Anzahl der Möglichkeiten, an welcher Stelle das zusätzliche Proton erscheint, zunimmt. Wenn ein wahrscheinlicher Kandidat für ein Element identifiziert wurde, werden die bekannten Eigenschaften dieses Elements gegen die Struktur geprüft, mit anderen möglichen Variationen verglichen und als wahrscheinliche Konfiguration gekennzeichnet. So lassen sich durch das Aufdecken der Geometrie der Elemente und Isotope die physikalischen Eigenschaften des Elements, wie z. B. seine Wertigkeit, vorhersagen und erklären.

Die strukturelle Gestalt ermöglicht es uns auch, physikalische Phänomene zu verstehen, insbesondere die Transmutation von einem Element oder Isotop in ein anderes, die Kernstabilität und die Zerfallsrate instabiler Isotope. Daher sollte das Modell für so unterschiedliche Bereiche wie Plasmaforschung, Kernfusion und Kernspaltung, die Entwicklung neuer Legierungen und die Nanotechnologie relevant sein. Spezielle Simulationsmodelle könnten für die Plasmaforschung und die Forschung im Bereich der Niederenergetischen Kernreaktionen entwickelt werden. Letztendlich können solche Modelle den Weg zur Lösung des Energieproblems weisen. Da SAM dreidimensionale Bilder erzeugt, ist es intuitiv und einfach und eignet sich besonders gut für Ausbildungszwecke.

Strontium 86  |  Zirconium 90  |  Selenium 77

Hier sind drei Elemente dargestellt, die mit dem Atom Viewer erzeugt wurden, Sr-86 aus der Berylliumgruppe, Zr-90 aus der Titangruppe und Se-77 aus der Sauerstoffgruppe. Diese drei Bilder zeigen, wie auffallend unterschiedliche Elemente in ihrer Form ähnlich sein können. Lokale Strukturvariationen können mit physikalischen Variationen von Eigenschaften wie Wertigkeit und Kernspin in Verbindung gebracht werden. Im Structured Atom Model sind die verschiedenen Kerne farblich codiert, so dass sie in diesen 3D-Darstellungen der Atome leicht zu identifizieren sind. Es gibt vier verschiedene Kerne: Lithium, Beryllium, Bor und Kohlenstoff, d. h. die Elementnummern 3, 4, 5 und 6. Eine Erklärung des Wachstumsprozesses wird hier gegeben. Unter den folgenden Links werden die strukturellen Aspekte der verschiedenen Elemente in drei verschiedenen Gruppen näher erläutert: die Kohlenstoffgruppe, die Alkalimetalle und die Edelgase.

Schließlich findet sich hier ein fiktives Atom, das alle möglichen Kerne und die in SAM verwendete Farbcodierung enthält. Unten auf dieser Seite befindet sich ein interaktives Modell, das in 3D bewegt werden kann und dem Betrachter Details der Struktur offenbart.

Anwendungen

Hier finden Sie eine kurze Beschreibung einer Reihe von Tools/Anwendungen, die entwickelt wurden, sich in der Entwicklung befinden oder für zukünftige Entwicklungen in Betracht gezogen werden:

1. Atomizer-Viewer. Hierbei handelt es sich um eine bestehende Anwendung, die es dem Benutzer ermöglicht, die Form einzelner Elemente des PSE zu betrachten.
2. Atomizer-Builder. Eine in Entwicklung befindliche App, die es dem Benutzer erlaubt, jedes Element oder Isotop zu bauen.
3. Atomizer-Transmuter. Eine zukünftige App, mit der Fusions- und Spaltungsprozesse auf subatomarer Ebene visuell dargestellt werden können.
4. Atomizer-Educator. Eine zukünftige App, die auf dem Zerstäuber-Builder basiert und auf die Zwecke der Ausbildung abgestimmt ist.
5. Neues interaktives PSE. Auch für den Einsatz in der Ausbildung gedacht.

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