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Physik · Atomphysik
Die vier Grundkräfte mit Austauschteilchen und Reichweite, wie die starke Kraft den Kern bindet und wie die schwache Kraft den β⁻- und β⁺-Zerfall auslöst.
Im Kern hält die starke Kraft die Nukleonen zusammen. Die schwache Kraft verwandelt Quarks und löst so den β-Zerfall aus.
Kräfte entstehen durch den Austausch von Teilchen. Photon und Gluon haben keine Masse. W- und Z-Bosonen sind schwer, das erklärt die winzige Reichweite der schwachen Kraft.
| Kraft | Austauschteilchen | Reichweite |
|---|---|---|
| stark | Gluonen | ≈ 10⁻¹⁵ m |
| elektromagnetisch | Photon | unendlich |
| schwach | W⁺, W⁻, Z⁰ | ≈ 10⁻¹⁸ m |
| Gravitation | Graviton (nicht nachgewiesen) |
Der Stärke nach: stark, elektromagnetisch (etwa 100-mal schwächer), schwach, ganz unten die Gravitation, die in Atomen keine Rolle spielt. Quarks spüren alle vier Kräfte, Elektronen keine starke, Neutrinos außer der Gravitation nur die schwache. Die Elektronen der Hülle bindet die elektromagnetische Kraft.
Die starke Kraft wirkt zwischen den Quarks und hält so jedes Nukleon zusammen. Ein Proton ist uud, ein Neutron udd. → Ausführlich in: Atomkern
Zwischen Quarks bleibt die Kraft auch bei wachsendem Abstand bestehen, wie bei einem gespannten Gummiband. Deshalb gibt es keine freien Quarks.
Ein Rest dieser Kraft reicht aus den Nukleonen heraus, wie Klebstoff, der überquillt: die Kernkraft. Sie ist stark anziehend und ladungsunabhängig, wirkt also zwischen Proton und Proton ebenso wie zwischen Neutron und Neutron.
Ihre Reichweite beträgt etwa 1 bis 2,5 fm, rund ein Nukleondurchmesser, also nur bis zum Nachbarn. → Ausführlich in: Kernkräfte
Sie ändert die Quarksorte. Beim β⁻-Zerfall verwandelt sich ein Neutron in ein Proton:
Beim β⁺-Zerfall läuft es umgekehrt: u wird d, ein Proton wird zum Neutron, und es entstehen ein Positron und ein Elektron-Neutrino. Z sinkt um 1. Das gibt es nur im Kern, ein freies Proton zerfällt nicht. Ein freies Neutron dagegen zerfällt im Mittel nach etwa 15 Minuten.
| Zerfall | Quarkwechsel | Entstehen |
|---|---|---|
| β⁻ | d → u | Elektron, Antineutrino |
| β⁺ | u → d | Positron, Neutrino |
In der Sonne macht die schwache Kraft den ersten Fusionsschritt möglich, weil sie ein Proton in ein Neutron verwandelt. → Ausführlich in: Kernfusion
Beschriftbare Abbildung
Deine AufgabeZähle die Quarks in Proton und Neutron. Sage vorab, welches Quark sich beim β⁻-Zerfall umwandelt und welche Teilchen dabei den Kern verlassen.
Tippe auf eine Beschriftung in der Abbildung, um ihre Erklärung zu lesen.
