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Vier Grundkräfte

Vier Wechselwirkungen genügen, um alles zu beschreiben — vom fallenden Apfel bis zum Atomkern. Eine davon entscheidet darüber, ob ein Kern zerfällt.

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Ein Kern, der es eigentlich nicht geben dürfte

Das RätselIm Kern eines Sauerstoffatoms sitzen 8 Protonen auf wenigen Femtometern dicht beieinander. Alle positiv. Gleiche Ladungen stoßen sich ab — und zwar umso stärker, je näher sie sich kommen. Der Kern müsste sofort auseinanderfliegen.
Die BeobachtungEr tut es nicht. Sauerstoffkerne halten seit Milliarden Jahren. Also muss es eine weitere Kraft geben, die stärker ist als die elektrische Abstoßung — und die du im Alltag nie bemerkst.

Diese Kraft heißt starke Kernkraft.

  • Grundkraft:Sie ist eine der vier Grundkräfte der Physik.
  • Umfang:Auf diese vier lassen sich alle Kräfte zurückführen.
  • Beispiele:Reibung, Muskelkraft, Federkraft und Auftrieb eingeschlossen.

Vier Grundkräfte — auf einen Blick

Gravitationskraftwirkt aufalle Massen · immer anziehendReichweiteunbegrenztBeispielApfel fällt, Erde umkreist Sonne
Elektromagnetische Kraftwirkt aufLadungen · gleiche stoßen abReichweiteunbegrenzt, nimmt mit \(1/r^{2}\) abBeispielElektronen bleiben in der Hülle
Schwache Kraftwirkt aufQuarks in den NukleonenReichweitewinzig, kleiner als ein NukleonBeispielNeutron → Proton (Beta-Zerfall), Fusion in der Sonne
Starke Kernkraftwirkt aufalle Nukleonen · Ladung egalReichweitenur bis zum Nachbar-NukleonBeispielder Atomkern hält zusammen

Wie stark sind sie?

Stärkevergleich der vier Grundkräfte auf einer Zehnerpotenz-Skala starke Kernkraft elektromagnetisch schwache Kraft Gravitation 1 1/100 1/1 000 000 10−38 — im Kern völlig bedeutungslos ← schwächer · jeder Teilstrich = Faktor 10 · stärker →
  • Im Alltag:Die Gravitation fällt auf, weil sie unbegrenzt weit reicht.
  • Grund:Sie hebt sich nie auf — alle Massen ziehen sich an.
  • Im Kern:Dort ist sie völlig bedeutungslos.
  • Zweikampf:Dort ringen nur starke Kernkraft und elektrische Abstoßung.
Merke

Merke — die starke Kernkraft:

Kernkraft schlägt Abstoßung — aber nur beim Nachbarn

Aufgabe: Sie hält den Kern zusammen — gegen die Abstoßung der Protonen.

Stärke: Bei sehr kleinen Abständen größer als die elektromagnetische Kraft.

Reichweite: Winzig: nur bis zum nächsten Nukleon, danach praktisch null.

Partner: Wirkt zwischen allen Nukleonen: p–p, n–n und p–n. Ladung ist egal.

Grundkräfte: Es gibt vier: Gravitationskraft, elektromagnetische Kraft, schwache Kraft und starke Kernkraft. Alle anderen Kräfte lassen sich darauf zurückführen.

Starke Kernkraft: Sie hält die Nukleonen zusammen, wirkt unabhängig von der Ladung und nur bis zum Nachbar-Nukleon. Auf Nachbar-Abstand schlägt sie die elektrische Abstoßung der Protonen.

Große Kerne: Die Abstoßung wirkt über den ganzen Kern, die Kernkraft nur zum Nachbarn. Große Kerne werden instabil und zerfallen: Das ist die Ursache der Radioaktivität.

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Warum große Kerne instabil werden

Kleiner Kern: alle Protonen sind Nachbarn. Großer Kern: Abstoßung wirkt über den ganzen Kern, Kernkraft nur zum Nachbarn. klein: hält groß: kippt
Kleiner KernAlle Nukleonen sind Nachbarn. Die Kernkraft packt jedes Teilchen — sie gewinnt.
Großer KernDie Kernkraft hält weiter nur den Nachbarn. Die Abstoßung wirkt dagegen zwischen allen Protonenpaaren — sie wächst viel schneller. Ab einer bestimmten Größe verliert die Kernkraft: Der Kern wird instabil und zerfällt.
Merke

Abstandsverhalten der elektrischen Kraft:

\(F_{\text{el}} \sim \dfrac{1}{r^{2}}\)

Doppelter Abstand: Nur noch ein Viertel der Kraft — aber niemals null.

Kernkraft dagegen: Nach 2–3 fm praktisch verschwunden.

✓ Rätsel gelöstDer Kern hält, weil die Kernkraft auf Nachbar-Abstand die Abstoßung schlägt. Zusätzliche Neutronen bringen Kernkraft mit, aber keine Abstoßung — deshalb haben schwere Kerne mehr Neutronen als Protonen.
→ RadioaktivitätIrgendwann reichen auch Neutronen nicht mehr: Große Kerne zerfallen. Das ist die Ursache der Radioaktivität.

Oben die elektrische Abstoßung, unten die Kernkraft — je nach Abstand und Nukleonenpaar bricht ein anderer Balken zuerst ein. Abstände im Kern misst man in Femtometern: 1 fm = 0,000 000 000 000 001 m.

Kraft-Vergleicher

Zwei Nukleonen mit einstellbarem Abstand und zwei Kraftbalken + + Abstand r = 1,5 fm elektrische Abstoßung starke Kernkraft

Halte fest: Bis etwa 2,3 fm gewinnt der grüne Balken: Der Kern hält. Darüber ist die Kernkraft praktisch verschwunden, die Abstoßung bleibt — klein, aber da. Bei einem Paar mit Neutron gibt es gar keine Abstoßung, die Kernkraft wirkt genauso.

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Allgemeine Hinweise

Nicht die Gravitation

Im Kern ist die Gravitation um 38 Zehnerpotenzen zu schwach. Zusammen hält ihn allein die starke Kernkraft.

Nur auf Nachbar-Abstand

Die Kernkraft gewinnt nur bis zum Nachbar-Nukleon. Beim übernächsten ist sie null — die Abstoßung bleibt.

Neutronen als Kitt

Neutronen spüren die Kernkraft, bringen aber keine Abstoßung mit. Sie sind der Kitt großer Kerne.

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