Gibt es „Kernschalen“ im Atomkern?

Gibt es „Kernschalen“ im Atom? Kurz beantwortet, könnte man sagen: Ja es gibt Kernschalen, aber sie sind rechteckig! Dabei ist diese Antwort keine plumpe Provokation, sondern entspricht dem tatsächlichen Aufbau des sog. Atomkerns durch Nukleonen. Wie das zu verstehen ist und warum die bisherige Lehrmeinung zum Atomaufbau ein Irrtum ist, wird im Folgenden aufgezeigt.

Die Theorie der Elektronenschalen bzw. Orbitale, dürfte vielen Menschen bekannt sein, schon deshalb weil damit die chemischen Eigenschaften der Elemente bis heute begründet werden. Weniger bekannt dagegen ist die Kernschalentheorie des sog. Atomkerns, die sich an die Theorie eines Elektronensystems anlehnt. Mit der Konstruktion eines Elektronensystems erweiterte Niels Bohr 1921 sein Bohrsches Atommodell von 1913. Dabei stützte er sich auf die Perioden und Gruppen des Periodensystems der Elemente.

Als 1932 das Neutron als zweites Teilchen neben dem Proton entdeckt wurde, rückte der Atomkern verstärkt in den Focus von Wissenschaftlern. Erste Vermutungen zum Aufbau des Atomkerns wurden bereits im Jahr der Entdeckung des Neutrons laut, aber erst sechszehn Jahre später wurde die Theorie zu Kernschalen des Atomkerns veröffentlicht.

Die Kernschalentheorie stammt von M. Goeppert-Mayer, Jensen, Haxel und Suess, in der neben der Anordnung der Nukleonen in Schalen, besonders die Kopplung zwischen Spin und Bahndrehimpuls von Bedeutung ist. Dabei zeigt sich bei den Schalen des Kerns ein ähnlicher Aufbau wie bei den Elektronenschalen der Atomhülle, jedoch mit dem Unterschied, dass im Atomkern die anziehenden Kräfte zwischen den Nukleonen vorherrschen. Auffällig sind dabei die sog.“magischen Zahlen“ 2, 8, 20 usw. des Atomkerns, die nicht identisch aber vergleichbar sind mit den Elektronenzahlen bei den Edelgasen. Dabei können die jeweiligen Schalen sowohl in der Atomhülle als auch im Atomkern mit einer bestimmten Teilchenanzahl als vollständig besetzt betrachtet werden. Dies äußert sich dann in einer besonders hohen Energie, die zum Trennen einer solchen Anordnung aufgebracht werden muss (Mayer-Kuckuk 1992: 187-190).

Atomaufbau mit Kernschalen?

Richtig betrachtet kann es entgegen der heutigen Lehrmeinung aber nur eine Theorie des Atomaufbaus geben. Da 99,9% der Atommasse von den Protonen und Neutronen getragen werden, muss es eine Theorie sein, die sich auf die Nukleonen bezieht und nicht auf diffuse ausdehnungs- und masselosen Elektronen. Dmitri Mendelejew und Lothar Meyer hatten diesbezüglich den richtigen Weg beschritten, während die Theorie der Kern-Hülle-Atome in eine Sackgasse führte. Betrachten wir uns also den Atomkern und die eingangs gestellte Frage nach den Kernschalen.

Mit dem Atommodell mit schachbrettartiger Struktur (vgl. Albert 2017) wird deutlich, dass die physikalischen und chemischen Eigenschaften der Elemente von der Kernstruktur der Atome und von der Konfiguration der Protonen und Neutronen abhängig sind. Also von den Trägerteilchen der Atommasse, womit auch den Thesen Mendelejews und Meyers eine neue und größere Bedeutung zukommt.

Die bisherige Vorstellung von einem Kern-Hülle-Atom ist ein Irrtum! Wir müssen heute davon ausgehen, dass kein Elektronensystem existiert. Deshalb ist es unsinnig von einem „Atomkern“ zu sprechen, denn der Atomkern ist mit 99,9% (100%) der Atommasse das Atom selbst.

Gehen wir kurz auf die Eigenschaften der Protonen und Neutronen ein. Protonen sind rechtsrotierende (Spin up) und Neutronen die linksrotierenden (Spin down)Teilchen des Atoms! Aufgrund ihrer schnellen entgegen gesetzten Rotation der Protonen und Neutronen, bauen sie die Atome planar und schachbrettartig auf. Ähnlich wie bei einem Getriebe wechseln sich im Aufbau die rechts- und linksrotierenden Nukleonen ab. An ihren äquatorialen Berührungspunkten haften sie aneinander. Je nach Anzahl der Nukleonen, also auch Atommasse, bilden sie „individuelle“ Protonen-Neutronen-Konfigurationen. Ist eine solche Protonen-Neutronen-Konfiguration als Atomrechteck geschlossen, stellt dies eine Edelgaskonfiguration dar.

Die Nukleonen selbst geben dabei die Konfiguration eines Elements schon vor. Es ist aber nicht so, dass automatisch jedes mögliche Atomrechteck auch gebildet wird, was sehr wahrscheinlich damit zusammenhängt, dass sich mittlere und große Atome aus kleineren Atomen zusammensetzen. Das erste schachbrettartige Atom ist das Edelgas Helium mit 2 x 2 Atombausteinen. Schon damit erreicht Helium ein geschlossenes System, dessen Grundform in der Draufsicht in ein Quadrat eingeschrieben werden kann. Dabei liegen sich gleiche Nukleonenarten diagonal gegenüber. Am Ende der zweiten Periode folgt das Edelgas Neon mit 4 x 5 und am Ende der dritten Periode das Edelgas Argon mit 6 x 6 Atombausteinen (S. Abb 1).

Zwischen den vollständig besetzten Atomrechtecken befinden sich nach dem PSE Atome mit unbesetzten Bausteinplätzen in ihren äußeren Bausteinreihen, die Wertigkeiten darstellen. Damit sind diese Atome reaktiv und können Bindungen mit anderen Atomen eingehen. Da bei den Edelgasatomen alle Bausteinplätze besetzt sind, weisen sie auch keine Wertigkeiten auf.

Ein geschlossenes Atomrechtreck kann als abgeschlossene „Kernschale“ gedeutet werden, allerdings sind diese „Kernschalen“ rechteckig.

Der sukzessive Atomaufbau durch Protonen und Neutronen zeigt sich in der bekannten Anordnung der Elemente des Periodensystems. Die Auffassung, dass das Periodensystem mit einem wie auch immer gearteten Elektronensystem in Zusammenhang steht, ist ein Irrtum.

Nach dem schachbrettartigen Atomaufbau, der von mir bereits in mehreren Publikationen beschrieben wurde, wird die tatsächliche Kernstruktur deutlich. Es existieren keine separaten physischen Schalen, daher kann es auch keine „leeren Schalen“ geben, sondern nur die von Protonen und Neutronen aufgebauten Atomrechtecke. Von Kernschalen kann man sprechen, wenn man sie auf eine geschlossene Protonen-Neutronen-Konfiguration bezieht. Im weiteren Atomaufbau gruppieren sich um jedes geschlossene Atomrechteck wiederum eine weitere Bausteinreihe mit Protonen und Neutronen, die im PSE als Periode erscheint. In der Realität bauen sich die Atome allerdings auch aus kleineren Atomen auf, sodass nicht generell von einem sukzessiven Atomaufbau auszugehen ist.

Helmut Albert, Juli 2021

(geändert am 23.07.2021)

Literaturverzeichnis:

Albert, Helmut (Hg.) Albert Georg (2017). Atommodell mit schachbrettartiger Struktur, Verlag Helmut Albert, Freiburg. Epubli –Druck, Berlin.

Mayer-Kuckuk, Theo (1992) Kernphysik. B.G. Teubner Stuttgart 1992. (Teubner Studienbücher: Physik) 5. überarbeitete Auflage.