Kernkräfte

Die starke Wechselwirkung (aus historischen Gründen auch Kernkraft oder starke Kernkraft genannt) ist eine der vier Grundkräfte der Physik. Mit ihr werden die Bindung zwischen Quarks in den Hadronen und auch – historisch zuerst – die Bindung zwischen Nukleonen (Protonen und Neutronen) im Atomkern erklärt.

Bindung zwischen Quarks

Die starke Wechselwirkung wird nach der Quantenchromodynamik wie die elektromagnetische und die schwache Wechselwirkung durch den Austausch von Bosonen (genauer Eichboson) beschrieben. Die Austauschteilchen der starken Wechselwirkung werden als Gluonen bezeichnet, von denen es acht Sorten (unterschiedliche Farbladungszustände) gibt. Die Gluonen übertragen eine Farbladung zwischen den Quarks. Ein Gluon kann dabei mit anderen Gluonen interagieren und Farbladungen austauschen.

Die Anziehungskraft zwischen Quarks nimmt mit steigender Entfernung zu, grob vergleichbar einem Gummiseil. Bei kleinem Abstand können die Quarks daher wie freie Teilchen betrachtet werden (asymptotische Freiheit), wodurch eine Einschließung (Confinement) der Quarks zustande kommt. Mit größerem Abstand bewirkt die zunehmende Kraft jedoch, dass die Quarks den Charakter selbständiger Teilchen verlieren; dies erklärt, warum eine Beobachtung von Quarks als freien Teilchen nicht möglich ist.

Bindung zwischen Nukleonen

Nukleonen haben immer die Farbladung Null. Trotzdem gibt es zwischen ihnen eine Restwechselwirkung (ganz entfernt vergleichbar den Van-der-Waals-Kräften, die man als elektromagnetische Restwechselwirkungen zwischen elektrisch neutralen Atomen und/oder Molekülen ansehen kann).

Bei einem Abstand r unterhalb etwa 2,5 Femtometer ist die Anziehung durch die starke Restwechselwirkung vergleichbar stark wie die elektrische Abstoßung (Coulombkraft) zwischen Protonen. Jenseits dieses Abstandes nimmt sie dagegen sehr steil ab, während die Coulombkraft nur proportional zu 1/r² abnimmt. Dieses Zusammenspiel der beiden Grundkräfte erklärt den Zusammenhalt der Atomkerne, aber auch z. B. den Prozess der Spaltung schwerer Kerne. Phänomenologisch kann die starke Restwechselwirkung als Austausch von Pionen beschrieben werden.

Entwicklung der theoretischen Beschreibung

Als starke Wechselwirkung wurde historisch zunächst, lange vor Einführung des Quark-Modells, die Anziehungskraft zwischen Nukleonen im Atomkern bezeichnet. Deren geringe Reichweite wurde durch das Mesonen-Austauschmodell (Yukawa-Potential) erklärt. Hier wird in einer sogenannten effektiven Theorie der Zusammenhalt des Atomkerns auf den Austausch von Pionen zwischen den Protonen und Neutronen des Atomkerns zurückgeführt. Die Masse der Pionen bedingt dann die kurze Reichweite der Wechselwirkung von etwa 2,5·10⁻¹⁵ m.

Wegen dieser Vorgeschichte ist auch heute noch mit dem Begriff „starke Wechselwirkung“ oft nur diese Restwechselwirkung im Atomkern gemeint.

Weblinks

• Marc Gänsler: Die starke Wechselwirkung. In: 'Einführung: Die 4 Grundkräfte der Physik. abgerufen am 30. Jan. 2009.

Die vier Grundkräfte der Physik

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