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Atome, Kerne, Teilchen: Kleiner, immer kleiner

Sind Atome Elementarteilchen?

Nein. Atome bestehen aus einem Kern, der von einer Hülle aus Elektronen umgeben ist. Der Kern wiederum ist aus zwei Bausteinen aufgebaut: den Protonen (positiv geladenen Teilchen) und den Neutronen (neutral).

Atome sind schon winzig, der Atomkern ist zehntausendmal kleiner und Protonen und Neutronen sind noch eine Stufe kleiner. Trotzdem bestehen auch sie aus weiteren Teilchen, und zwar aus solchen, deren Größe man gar nicht angeben kann: den Quarks. Von denen gibt es sechs verschiedene Sorten, und zwei davon, das »Up-Quark« (u) und das »Down-Quark« (d), bilden in unterschiedlichen Kombinationen das Proton (uud) und das Neutron (udd). Das Besondere an Quarks: Als freie Teilchen existieren sie nicht, sondern nur als »eingeschlossene«. Sie sind überhaupt seltsam, denn die elektrische Ladung eines Quarks ist nicht ganz, sondern »gebrochen«: Sie beträgt immer entweder genau 1/3 oder genau 2/3 der Elementarladung (der Ladung des Elektrons).

Die Quarks bilden die eine Gruppe der »eigentlichen« Elementarteilchen (man spricht auch von Fundamentalteilchen). Das Elektron ist der wichtigste Vertreter einer zweiten Gruppe von Elementarteilchen, der Leptonen.

Gibt es einen »Kitt der Materie«?

Ja, das sind die Elektronen, denn sie bringen fast allein alle Erscheinungsformen der uns bekannten Materie hervor. Sie halten die Atome eines Körpers auf Abstand, neutralisieren die positive Ladung der Atomkerne, so dass sich Atome überhaupt zu Festkörpern zusammenfinden können, und sie bestimmen die unterschiedlichen Eigenschaften der chemischen Elemente sowie die Natur und Stärke der Bindungen, welche die Elemente untereinander eingehen. Dabei sind die Elektronen so winzig, dass noch nicht einmal ihr Durchmesser bekannt ist.

Können Fusionsreaktoren unseren Energiebedarf decken?

Ja, aber nicht in unmittelbarer Zukunft. Zwar können wir durch die Fusion (Verschmelzung) leichter Atomkerne Energie gewinnen – ganz so, wie die Sonne, die uns dies Tag für Tag vormacht: Sie setzt unvorstellbare Mengen an Energie durch die Fusion von Wasserstoffkernen frei. Der winzige Bruchteil, den sie davon jährlich auf die Erde strahlt, ist 7000-mal größer als der Jahresenergieverbrauch der Weltbevölkerung!

Leider gibt es aber auch nach 50 Jahren Fusionsforschung immer noch viele ungelöste technische Probleme. So muss der Fusionsbrennstoff auf über zehn Millionen Grad aufgeheizt werden, weil erst dann Kernverschmelzungen möglich sind. Er darf dabei die Wände der Brennkammer nicht berühren. Dieser extreme, Plasma genannte Materiezustand konnte zwar in Testreaktoren wie dem »Joint European Torus« (JET, Culham) erreicht werden, allerdings immer nur für kurze Zeit. Die Frage nach einer möglichen radioaktiven Belastung der Umwelt stellt sich bei Fusionsreaktoren zwar auch, ist aber wegen der kurzen Halbwertszeiten der radioaktiven Materialien (z. B. 2,73 Jahre für Eisen-55) nicht so brisant wie bei Kernkraftwerken. Radioaktiv werden v. a. die aus Metall bestehenden Wände.

Was ist Kernspaltung?

Enthält ein Atomkern zu viele Protonen, ist er wegen deren gegenseitiger elektrischer Abstoßung instabil. Solche Kerne wandeln sich in stabile um, indem sie kleine Teilchen (»♋-«oder »♌-Teilchen«) und hochenergetische Strahlung (»♑-Quanten«) aussenden.

Einige schwere Kerne, zum Beispiel Uran-235 oder Plutonium-239, spalten sich in zwei mittelgroße Kerne auf. Hierzu müssen sie zwar zunächst ein freies Neutron »einfangen«, doch bei dieser so genannten Kernspaltung werden neben großen Mengen von Energie auch Neutronen freigesetzt – so dass im Prinzip ein einziges Neutron genügt, um in einer unkontrollierten Kettenreaktion große Mengen von Uran zu spalten. Dieser Fall wäre eine Atombombe. In einem Kernkraftwerk verhindern Neutronen-absorbierende Regelstäbe, dass pro Spaltung mehr als ein Neutron eine neue Reaktion auslösen kann.

Wussten Sie, dass …

der Atomdurchmesser nur ein Hunderttausendstel einer biologischen Zelle beträgt?

man die Masse von Elementarteilchen mithilfe einer Energieeinheit angibt? Dies ist möglich, da wegen der Einstein-Beziehung E = mc² die Masse m und die Energie E gleichwertig sind.

die Elektronenhülle eines Atoms sehr kompliziert aufgebaut ist? Sie besteht ähnlich einer Zwiebel aus mehreren übereinanderliegenden Schalen, die jeweils komplizierte Formen (»Orbitale«) zeigen.

die Physiker in den 1960er-Jahren Dutzende »Elementarteilchen« nachgewiesen hatten? Erst dem US-Amerikaner Murray Gell-Mann gelang es mit seiner Theorie der Quarks, Ordnung in diesen »Teilchenzoo« zu bringen. Dafür erhielt er 1969 den Nobelpreis.

der größte Teilchenbeschleuniger LHC in einem Ringtunnel mit einem Umfang von 27 km installiert wird? Der 2007 fertiggestellte Beschleuniger am europäischen Kernforschungszentrum CERN bei Genf hat einen Energieverbrauch wie eine Kleinstadt.

bei Beschleunigerexperimenten so unvorstellbare Datenmengen anfallen, dass dort die schnellsten Computer der Welt zum Einsatz kommen?

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