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Ein neues Bild des Atombaus - 1. Aufsatz vom Mai 1991

                               

    Ein neues Bild des Atombaus und seine möglichen Konsequenzen               Mai 1991
    von Gerd Schulte, Berlin

    Wenn Experten - egal auf welchem Fachgebiet - sich zwar über alles streiten, in einem Punkt aber einer Meinung sind, ist gerade dort höchste Aufmerksamkeit angezeigt. Beispiel: Das geplante hochauflösende Fernsehsystem "HDTV" soll künftig auf ein (im heimischen Bereich relativ ungünstiges!) kinoähnliches Seitenverhältnis von 16:9 starr festgelegt werden. Dabei ginge es bei kompatibler Empfängerauslegung auch wahlweise europäisch, mit 1,5 : 1 und 50 Hz oder, wenn es denn amerikanisch sein soll, mit 1,78 : 1 und 60 Hz, entsprechend 16 : 9!

    Auch in der Physik gibt es solche unheilige  Übereinstimmung unter allen Fachleuten. Nämlich: In der Welt der Atome gelten grundsätzlich andere Gesetze, wo u. a“ ziemlich unanschaulich von Quantenzahlen und Ausschließungsprinzipien (Pauli) die Rede ist.

    Dennoch, wenn auch das Planetenmodell des Atombaus verlassen werden mußte (kreisende Elektronen würden ständig Energie abstrahlen und müßten schließlich in den Kern stürzen), so ist das Erkennen und Berechnen der Planetenbahnen in der Astronomie in anderer Hinsicht immer noch ein Vorbild: Vor dem Hintergrund des Fixsternhimmels gaben einstmals die sich in merkwürdigen Schleifenbahnen bewegenden Planeten viele Rätsel auf, bis schließlich der Einfluß der sich um die eigene Achse und außerdem die Sonne drehenden Erde erkannt wurde.

    In der Atomphysik scheint solch anschauliche Klarheit nicht, oder nur auf rein mathematischer Ebene möglich.

    Dennoch gehen die Bemühungen um eine einheitliche Feldtheorie, welche alle vier bekannten Kraftarten, die elektromagnetische Kraft, die starke Kernkraft, die schwache Kraft und die Gravitation zusammenfaßt, vielerorts weiter.

    Bei dem großen "Puzzlespiel" der richtigen Zusammensetzung aller physikalischen Erkenntnisse zu einem vollständigen, einheitlichen Weltbild besteht allerdings immer auch die Gefahr, daß Teile falsch eingefügt und bestehende Lücken mit rein mathematischen Versatzstücken aufgefüllt wurden. Kann man so noch ein korrektes Gesamtbild erhalten oder begnügt man sich dann von vornherein mit einer mehr oder weniger zutreffenden Einzelfallbestimmung?!

    Die chemischen Eigenschaften der Elemente und besonders auch ihre Spektrallinien werden weitgehend von den (negativen) Elektronen der Atomhülle bestimmt. Sie sind dort nach dem Pauli-Prinzip in genau festgelegter Weise, entsprechend der Kernladungs- oder Ordnungszahl auf sogenannten Schalen angeordnet. Der Kern liefert im wesentlichen die positive Ladung und fast die gesamte Masse des Atoms.

    Auch für die Protonen und Neutronen (Nukleonen) des Kerns gibt es ein modifiziertes Schalenmodell, das z. B. eine besondere Stabilität bei doppelt geradzahligen und bestimmten magischen Zahlen (2, 8, 20, ...) der beiden Nukleonen-Typen voraussagt. Weiterhin kann dem Elektron, dem Proton und dem Neutron noch ein Spin (jeweils 1/2 h), sowie ein magnetisches Moment zugeordnet werden.

    Im folgenden wird nun der Versuch gemacht, mittels unkonventioneller Ansätze zu einem klareren Erkenntnisbild vom Atombau zu gelangen und - möglicherweise - auch von den wirkenden Kräften.

    Das magnetische Moment von Protonen und Neutronen ist verglichen mit dem der Elektronen so unbedeutend, daß es nach allgemeiner Auffassung kaum etwas zur starken Kernbindung beitragen kann. Wäre es nicht aber dennoch möglich, daß diese Einschätzung nur für die Wechselwirkung mit Elektronen und für größere Abstände gegenüber diesen zutreffend ist?

    Was also, wenn ein magnetisches Dipolmoment - auf extrem kurze Distanz - zwischen den Nukleonen doch die verbindende starke Kraft wäre; - hätte dies dann nicht auch entscheidende Auswirkungen auf die Struktur der Atomkerne?!

    Um dies genauer zu untersuchen, soll zunächst einmal die aus Streuversuchen mit Neutronen bekannte, in Spinrichtung langgestreckte Form des Kerns von Deuteron, dem schweren Wasserstoffisotop, betrachtet werden. Da sich der jeweils halbzahlige Spin des aus einem Proton und einem Neutron zusammengesetzten Kerns parallel zu 1 addiert, paßt dies sehr wohl in das Bild zweier zusammengekoppelter, unsichtbar kleinen Kugelmagnete. Vergleichbares gilt für das noch mehr in seinem Kern langgestreckte schwerste Isotop, Tritium, welches aus einem Proton und zwei Neutronen besteht, aber nicht stabil (radioaktiv) ist. Die spontane Umwandlung in Helium 3 vollzieht sich nun offenbar genauso, wie das "Umkippen" dreier aneinander gekoppelter Kugelmagnete in die stabilere Ringkonfiguration. Auch die energetisch noch tieferliegende Ringanordnung von Helium 4 paßt in dieses Bild.

    Soweit, so gut, doch gibt es bei den genannten ersten beiden Elementen des Periodensystems ohnehin keine Alternativstrukturen, so daß damit noch nichts bewiesen ist. Interessanter wird das schon beim aus sechs Protonen und sechs Neutronen bestehenden Kohlenstoffatomkern. Die beiden aus je drei abwechselnd angeordneten Protonen und Neutronen bestehenden Ringe sind beinahe unauflöslich ineinander verschlungen und begründen so die herausragenden physikalischen und chemischen Eigenschaften des Kohlenstoffs.

    Einen nahezu identischen Atombau zeigt das Element Bor, - nur das hier am Ende der einen, nicht ganz zu einem Ring geschlossenen Kette ein Proton fehlt. Aus diesem Grund fängt der Atomkern des Bors tatsächlich auch besonders leicht ein Neutron ein und verwandelt sich anschließend unter Aussendung eines Elektrons und Neutrinos in Kohlenstoff um.

    Ganz ähnlich ist der Aufbau des chemisch verwandten Elements Silizium aus 28 Nukleonen, wobei insgesamt vier Ringe aus in der Mitte 8 und am Ende jeweils wiederum 6 Nukleonen ineinander verschlungen sind. Von den letztgenannten sind jeweils zwei Protonen nicht durch gegenläufig rotierende Protonen kompensiert, so daß über die zugehörigen Valenzelektronen eine 4-wertige chemische Bindung entsteht.

    Beim aus 20 Nukleonen bestehenden Neon ist die Anordnung der beiden 6-er-Ringe, die von einem 8-er-Ring zusammengehalten wird, genau spiegelsymmetrisch, weshalb sich alle Wirkungen nach außen hin aufheben und die bekannte Edelgaskonfiguration entsteht.

    Ein Proton mehr enthält der Atomkern des Alkalimetalls Natrium, so daß sich hier eine einwertige Bindung ergibt. Interessant ist noch, daß der äußere 8-er-Ring durch ein eingepaßtes Neutron mechanisch stabilisiert ist. Beim darauffolgenden Element Magnesium mit zwei äußeren 8-er-Ringen ist das nicht unbedingt (Isotope) erforderlich.

    Titan 48 ist dann das erste Metall im Periodensystem, wo auch die bisher äußeren, zueinander senkrecht stehenden 8-er-Ringe ineinandergreifen und die Kette schließen, was wiederum die besondere Festigkeit und den hohen Schmelzpunkt dieses Metalls erklärte. Beim Edelgas Argon, welches einen 8-er-Ring weniger aufweist, besteht ebenfalls eine geschlossene Gesamtkette, die aber in sich verdreht sein muß. Dennoch kompensieren sich die Spinrichtungen aller geladenen Teilchen hier wieder vollständig.

    Beim Eisen 56 mit sieben ineinandergreifenden Ringen, die ebenfalls zu einer verdrehten Kette geschlossen sind, ist dies offenbar nicht der Fall, weshalb auch nach außen hin ein Magnetfeld entsteht. Das Edelgas 36 Krypton 84 benötigt insgesamt 4 Neutronen mehr, als zwei 18 Argon 40 Atome zusammengenommen, um die jeweils mit paarweise ineinandergreifenden 9-er-Ringe verflochtenen Hälften besonders sicher zu verbinden.

    Dagegen ist das für das Leben auf der Erde (neben Kohlenstoff und Wasserstoff) wohl wichtigste Element, der Sauerstoff, genial einfach und dabei raffiniert konstruiert. Der Atomkern des Sauerstoffs besteht nämlich nur aus zwei ineinander verschlungenen Ringen mit jeweils 4 Protonen und 4 Neutronen. Im Gegensatz zur festen 90°-Stellung der beiden Ringe des Kohlenstoffs, kann sich deren Neigung zueinander je nach chemischer Bindung optimal einstellen. Dies erklärt die besonders hohen Bindungsenergien und die lebensnotwendigen Eigenschaften der mit Wasserstoff gebildeten Wassermoleküle. Bekanntlich ist ja Wasser die einzige Flüssigkeit, die sich beim Gefrieren ausdehnt, so daß Gewässer nicht von unten her zufrieren, sondern vielmehr das kristalline Eis auf der Oberfläche schwimmt.

    Als Elemente Nr. 3 und Nr. 4 logischerweise besonders einfach aufgebaut, aber als solche auch ebenso unwichtig sind noch Lithium und Beryllium zu nennen. Während jedoch beim rotationssymmetrischen Lithium 7 das zentrale Neutron relativ fest gebunden ist, macht das besonders locker gebundene beim Beryllium 9 dieses Element schon bei niedrigenergetischer Gamma-Anregung zur Neutronenquelle. Die zweiwertige chemische Valenz des ansonsten spinkompensierten Atoms ergibt sich übrigens erst aus der inneren Verwindung zu einer Acht!

    Die auf Titan folgenden Elemente Vanadium und Chrom sind diesem ähnlich aufgebaut, enthalten aber möglicherweise noch zusätzlich einen zentralen Tritium- bzw. Heliumkern. Bei den Elementen der Eisengruppe ist die Strukturverwandtschaft ebenfalls im wahrsten Sinne des Wortes naheliegend.

    Im Fall des als guter Leiter bekannten Kupfers könnte man zunächst auch an eine geschlossene Kette denken, deren Struktur aber offenbar gerade nicht die Leitfähigkeit erhöht. Außerdem liegt das Atomgewicht nicht bei 64, wie das Isotopengemisch vermuten läßt, sondern bei 63 bzw. 65. Wenn man einmal versucht, ein solches "viereckiges" Ringsystem geometrisch zu konstruieren, stellt man zudem leicht fest, daß dies nicht möglich ist, da die jeweils zwei durch einen 8-er-Ring gehenden nächsten Ringglieder zueinander entweder einen Winkel von etwa 180, 60 oder 120 Grad bilden müssen, wie das z. B. bei dem hochfesten Molybdän 96 der Fall ist. Ebenso beim Wolfram 184, wo wahrscheinlich auch die gesamte Ringkette nochmals in sich selbst verschlungen ist.

    Ob die Glieder der besonders gut leitenden Metalle gerade oder unter einem Winkel von 60° profilartig miteinander verbunden sind, müssen weitere Untersuchungen ergeben.

    Ein besonders interessanter, noch zu prüfender Aspekt ist die naheliegende von Chlor abgeleitete Alternativstruktur von Argon 56, bzw. die Strukturverwandtschaft von Titan 46 mit Scandium 45. Auch bei Eisen 54 sollte eine Strukturanalyse angefertigt werden. Zwischen diesen und den Hauptisotopen der genannten Elemente wären dann größere, als nur die gewichtsbedingten Unterschiede zu erwarten.

    Die wichtige Katalysatorfunktion von Kohlenstoff 12 und Neon 20 bei der Wasserstoffverbrennung im heißen Sterninnern läßt sich an Hand der ähnlichen Atomstrukturen leicht nachvollziehen. In drei aufeinanderfolgenden Einfängen von Protonen wird so jeweils das nächstschwerere Isotop des Ausgangs- und des darauf folgenden Elementes gebildet. Beim Einfang eines vierten Protons bildet sich dann - unter Aussendung eines Alpha-Teilchens - das Ausgangselement wieder zurück: aus einem 6—er-Ring bildet sich erst ein Ring mit 7, dann 8 Nukleonen, in welchem weiter noch ein Neutron eingelagert wird, bis sich schließlich beim nächsten Einfang ein Alpha-Teilchen abspaltet.

    Wurde dem Proton zu Anfang dieser Überlegungen die Rolle des Permanentmagneten zugewiesen, so käme dem Neutron die des Weicheisens zu, um im Bild zu bleiben. Eine weitere Bestätigung für die grundsätzliche Richtigkeit des Ansatzes und den sich bis hierher ergebenden Folgerungen, erhält man aus bereits durchgeführten Experimenten mit sogenannten Kernmolekülen. Wenn dort beispielsweise zwei hüllenlose Kohlenstoffatome aufeinandergeschossen wurden, entstand in einigen Fällen ein neuer, langgestreckter Kern. Dieser Kern, des Magnesium 24, paßt wiederum genau in das bereits gewonnene Bild.

    Betrachtet man nun den Kohlenstoff-12-Kern nochmals etwas genauer, so erkennt man, daß die von den beiden "freien" Protonen eines Ringes ausgehenden Valenzbindungen jeweils einen Winkel von 90° gegeneinander bilden und daß beide Ringebenen im rechten Winkel zueinander stehen, was ja genau die bekannten Bindungsstrukturen beschreibt.

    Wie sehen nun diese Bindungskräfte bei den Elektronen im einzelnen aus? Dazu muß nun etwas weiter spekuliert und der gewohnte Erkenntnisstand noch etwas mehr verlassen werden.

    Es sieht jetzt also so aus, als ob die Protonen im Kern zwar kreiseln würden, die Elektronen der Hülle sich aber außer ihrem Spin im wesentlichen nicht bewegten (schon gar nicht auf Kreisbahnen um den Kern). Was hält sie denn also auf ihren Schalen?! - Ein Lösungsansatz könnte aus der Astronomie bzw. Kosmologie kommen:

    Bei rotierenden Galaxien gibt es z. B. zwei erstaunliche Beobachtungen: zum einen scheinen die Außenregionen von Galaxien schneller um das galaktische Zentrum zu rotieren, als es das Newtonsche Gravitationsgesetz erlaubte Zum anderen hängt diese Rotationsbewegung über die sogenannte Tully-Fisher-Relation eng mit der Gesamtleuchtkraft der jeweiligen Galaxie zusammen (B. d. W. 5/91).

    In der Regel wird immer argumentiert, die Naturgesetze müßten im ganzen Universum in gleicher Weise gelten. Allerdings ist z. B. die sogenannte Gravitationskonstante Gamma noch in keinem Gesetzblatt veröffentlicht worden, sondern beruht vielmehr auf Messungen in unserem Planetensystem.

    Es wäre doch aber u. U. möglich, daß etwa die Gravitations-"Absorption" mit der "Reaktionstemperatur" eines Sternensystems ansteigt, analog zur Absorption bestimmter Spektrallinien in heißen Gasen«

    Wie bereits angedeutet, werden bei bestimmten Kernreaktionen (ä-Zerfall) neutrale und masselose Teilchen (Neutrinos) abgestrahlt, welche in der Hauptsache nur einen Impuls übertragen, aber nur ganz selten, mit anderen Teilchen reagieren. Derartige lichtschnelle "Neutriniden", die den ganzen Weltraum in fast unendlicher Zahl durchdringen, könnten der universelle Kitt sein, der alles zusammenhält.

    Bei zwei Himmelskörpern schirmte der eine gegenüber dem anderen jeweils einen Teil dieses "Gravitationsstromes" ab, was zur gesuchten Gravitationskraft führen würde. Im atomaren Bereich sorgten die gleichen oder ähnliche "Neutriniden" für eine Abtastung bzw. Abbildung der Elementarteilchen und ihrer Schwingungen aufeinander, was de facto Fernwirkungen oder Felder durch Nahwirkungen ersetzte. Bei gleichem, ebenfalls von den "Neutriniden" bewirktem Spin zweier Elementarteilchen ergäben sich, abhängig von der Spinfrequenz und der Lichtgeschwindigkeit, bestimmte Resonanzabstände. Auch Elektronen könnten so schwingungselastisch in ihrer Position gehalten werden oder Sprünge zum nächsten Resonanzabstand machen.

    Das Plancksche Wirkungsquantum wäre ersetzt durch ein Abtast-"Paket", das von der Abtastrate der schwingenden Teilchen bestimmt wird. Da diese von der Schwingungsfrequenz unabhängig ist, stimmt die Emission mit dem Strahlungsgesetz überein, - die Ultraviolettkatastrophe bleibt aus! Nicht das Licht besteht demnach aus Teilchen, sondern der übertragende Neutrinostrom. Die Experimente mit nach zwei Seiten ausgestrahlten korrelierten Photonen, die jeweils beide von gleich ausgerichteten Polfiltern durchgelassen oder blockiert werden, findet so eine einfache Erklärung.

    Zufällige Schwankungen im Neutrinostrom wären so für die natürliche Radioaktivität verantwortlich - die schwache Kraft bewirkt sich selbst.

    Bei Annäherung an die Lichtgeschwindigkeit müßten sich Masse, Länge und Zeit im lichtschnellen Kontinuum bei bewegten Objekten so verhalten, wie von der (speziellen) Einsteinschen Relativitätstheorie gefordert. - Fraglich ist, ob es nicht doch möglich sein sollte, mit einer geeigneten Meßvorrichtung bezugssystembedingte Abweichungen, etwa auch der Zeit, abhängig von der Bewegungsrichtung zwischen 0 und 180°, nicht 90° zu messen.

    Falls die hier aufgestellte Gravitations-Hypothese zuträfe, wären weitere Konsequenzen für die Kosmologie unausweichlich, beispielsweise in Form einer zusätzlichen Erklärung für die bislang nur als Fluchtgeschwindigkeit interpretierte Rotverschiebung des Lichtspektrums ferner Galaxien.

                  • Gerd Schulte, B 28

                   

Wenn man entgegen obiger Annahme anstelle der Lokalisierbarkeit der einzelnen Nukleonen im Kern stattdessen die maßgebliche Lokalisierbarkeit der Kernorbitale in die Rechnung einsetzt, steht das Kernmechanische Modell tatsächlich nicht mehr stark im Widerspruch zur - dennoch falschen - Heisenbergschen Unschärferelation!

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