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 werden. 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.

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