Der Spin der Protonen und Neutronen

Abbildung: Proton-Drehimpuls (Copyright © 2024 Helmut Albert. All rights reserved)

Der Nachweis des Nukleonenspins gelang nach Paetz (2020) Physikern erstmals 1933. Durch Messung der Ablenkung eines Wasserstoffatomstrahls im Magnetfeld konnten sie das magnetische Moment des Protons nachweisen und den ½-Spin des Protons bestätigen. Ein Jahr zuvor hatte James Chadwick das Neutron entdeckt, dessen magnetisches Moment in Verbindung mit einem Proton als Deuteron einfacher zu messen war (vgl. Paetz 2020: 34-35). Proton und Neutron können mit ihren Spins ½ zum Gesamtdrehimpuls beitragen. Dieser Kernspin wird mit I bezeichnet, zu dem aber auch die Bahndrehimpulse der Nukleonen gehören. Der Kerndrehimpuls ist auch mit einem magnetischen Moment verknüpft erklären Wissenschaftler(vgl. Mayer-Kuckuk 1992:54).

Mayer-Kuckuk (1992) schreibt in seinem Werk „Kernphysik“, dass Proton und Neutron hinsichtlich der starken Wechselwirkung gleiche Teilchen sind, unabhängig davon, ob die Coulombkraft wirkt oder nicht. So interpretierte der Physiker Werner Heisenberg 1932 Proton und Neutron als Teilchen, die in „zwei verschiedenen Zuständen“ auftreten. Proton und Neutron können wie das Elektron mit Spin +1/2 und Spin-1/2 oder mit den Vektoren ↑ und ↓ bezeichnet werden. (vgl. Mayer-Kuckuk 1992:155).

Woher kommt der Protonenspin?

Zahlreiche Forscher und Forschungseinrichtungen haben sich in den letzten Jahrzehnten mit dem „Spin des Protons“ beschäftigt. Dabei steht im Vordergrund nicht die Frage, was diese „fundamentale“ Eigenschaft des Protons innerhalb und außerhalb des Atomkerns bewirkt, sondern man will wissen, welchen Anteil die Spins der Subteilchen „Quarks und Gluonen“ am Protonenspin haben. Schon vor mehr als drei Jahrzehnten schrieb der Physiker Mayer-Kuckuk (1992) über das „Innenleben“ der Protonen: „Die Valenzquarks tragen also nur wenig zum Spin des Protons bei. Dieser wird im Wesentlichen durch Bahndrehimpulsbeiträge der Quark-Antiquark-Paare verursacht. Man spricht von der „Spinanomalie des Protons“. Das Proton hat also ein ziemlich kompliziertes Innenleben“ (Mayer-Kuckuk 1992: 183).

Mit ähnlichen Problemen sieht sich die Teilchenphysik auch Jahrzehnte später noch konfrontiert. So schreibt die Magazin Spektrum (2017) über die sogenannte „Spin-Krise“ der Teilchenphysik: „Physiker wissen jetzt genauer, woher das Proton seinen Spin hat. (…) Experimente an Teilchenbeschleunigern haben gezeigt, dass die Eigendrehung der drei sogenannten Valenzquarks, aus denen das Proton nach vereinfachten Modellen besteht, nur ein Drittel des Spins beisteuert“ (Spektrum 2017).

Der Begriff „Spin“ findet sich heute in allen Beschreibungen rund ums Atom und die Atombausteine. Die Frage ist nur welche Erkenntnisse kann man daraus ziehen? Ist der Spin eine Eigenschaft wie viele andere, oder ist er weit mehr als das? Sicher ist, dass der Potonenspin eine intrinsische Eigenschaft des Protons ist die unter normalen Bedingungen weder erzeugt noch vernichtet werden kann. Aber er kann sich umkehren! Hinsichtlich der Richtung des Spins im Atomkern ist sich die Teilchenphysik deshalb immer noch im Unklaren. Zeigt der Spin des Protons nach unten oder nach oben? Der „Isospin“ zumindest sagt: nach oben!

Quellenverzeichnis:

Mayer-Kuckuk Theo (1992): Kernphysik. Eine Einführung. 5. überarb. und erg. Auflage. Stuttgart Teubner. Teubner Studienbücher: Physik

Paetz Hans. gen. Schieck (2020):Spin – Was ist das eigentlich?: Ein abstrakter quantenmechanischer Begriff, experimentelle Nachweise und Anwendungen (essentials) (S.16). Springer Fachmedien Wiesbaden. Kindle-Version.

Spektrum (2017): https://www.spektrum.de/magazin/spin-des-protons/1446179 Spektrum- Magazin. 19.04.2017 online.(Abgerufen am 14.11.2023)