Teilchenarten des Atomkerns: Protonen und Neutronen

Nukleon

Nukleon

Als Nukleonen [<style data-mw-deduplicate="TemplateStyles:r227981795" typeof="mw:Extension/templatestyles mw:Transclusion">.mw-parser-output .IPA a{text-decoration:none}</style><a href="/de/Liste_der_IPA-Zeichen" title="Liste der IPA-Zeichen" class="wl">nukleˈoːnən</a>] (<a href="/de/Singular" title="Singular" class="wl">Singular</a> Nukleon [<a href="/de/Liste_der_IPA-Zeichen" title="Liste der IPA-Zeichen" class="wl">ˈnuːkleɔn</a>]; von <a href="/de/Latein" title="Latein" class="wl">lat.</a> nucleus „Kern“) bezeichnet man die beiden Teilchenarten, aus denen <a href="/de/Atomkern" title="Atomkern" class="wl">Atomkerne</a> bestehen, nämlich <a href="/de/Proton" title="Proton" class="wl">Protonen</a> und <a href="/de/Neutron" title="Neutron" class="wl">Neutronen</a>.

<figure class="mw-default-size wiki-thumb"><a href="/de/Datei:Nucleus_drawing.svg" class="mw-file-description image media-thumb" data-hash="Datei:Nucleus_drawing.svg"><img loading="lazy" src="//upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/f/f0/Nucleus_drawing.svg/220px-Nucleus_drawing.svg.png" decoding="async" data-file-width="400" data-file-height="400" data-file-type="drawing" height="220" width="220" srcset="//upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/f/f0/Nucleus_drawing.svg/330px-Nucleus_drawing.svg.png 1.5x, //upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/f/f0/Nucleus_drawing.svg/440px-Nucleus_drawing.svg.png 2x" alt="Nucleus_drawing.svg"></a><figcaption>Atomkern mit blauen Neutronen und roten Protonen</figcaption></figure>
Der experimentelle Befund, dass die an Atomkernen beobachtbare <a href="/de/Starke_Wechselwirkung" title="Starke Wechselwirkung" class="wl">starke Wechselwirkung</a> keinen Unterschied zwischen Proton und Neutron macht, brachte <a href="/de/Werner_Heisenberg" title="Werner Heisenberg" class="wl">Heisenberg</a> zu dem Konzept, die beiden Teilchenarten formal als zwei <a href="/de/Zustand_(Quantenmechanik)" title="Zustand (Quantenmechanik)" class="wl">Zustände</a> ein und derselben Teilchenart Nukleon zu betrachten;<a href="#cite_note-1" style="counter-reset: mw-Ref 1;">[1]</a> die beiden Zustände unterscheiden sich nur durch eine Quantenzahl, die formal wie die <a href="/de/Spinquantenzahl" title="Spinquantenzahl" class="mw-redirect wl">Spinquantenzahl</a> für Spin 1/2 erscheint und <a href="/de/Isospin" title="Isospin" class="wl">Isospin</a> heißt. „Nukleon“ wurde in der Folge zunächst zur Sammelbezeichnung für die beiden Teilchenarten. Die Anzahl der Nukleonen eines Atomkerns, die <a href="/de/Massenzahl" title="Massenzahl" class="wl">Massenzahl</a>, dient zur genauen Bezeichnung der Atomart (<a href="/de/Nuklid" title="Nuklid" class="wl">Nuklid</a>) wie z.&nbsp;B. „Sauerstoff-16“ oder „Eisen-56“.

Im heutigen (2018) <a href="/de/Standardmodell" title="Standardmodell" class="mw-redirect wl">Standardmodell</a> sind Nukleonen definiert als diejenigen <a href="/de/Baryon" title="Baryon" class="wl">Baryonen</a>, die ausschließlich aus den leichten Up- und Down-<a href="/de/Quark_(Physik)" title="Quark (Physik)" class="wl">Quarks</a> zusammengesetzt sind und den Isospin&nbsp;1/2 haben. Außer Proton und Neutron in ihren Grundzuständen gehören dazu auch <a href="/de/Angeregter_Zustand" title="Angeregter Zustand" class="wl">angeregte Zustände</a> mit einer solchen Quarkzusammensetzung, die sehr kurzlebigen Nukleonen<a href="/de/Resonanz#Teilchenphysik" title="Resonanz" class="wl">resonanzen</a>. Zählt man diese – wie in diesem Fall üblich – als eigene Teilchenarten, gibt es laut <a href="/de/Particle_Data_Group" title="Particle Data Group" class="wl">Particle Data Group</a> mindestens 16 und möglicherweise bis zu 29 Nukleonen (Stand 2015). Hierbei werden die <a href="/de/Elektrische_Ladung" title="Elektrische Ladung" class="wl">Ladungszustände</a> nicht unterschieden; Proton und Neutron sind bei dieser Zählweise also ein und dasselbe Nukleon.

Die oben genannten je drei Quarks, die <a href="/de/Valenzquark" title="Valenzquark" class="mw-redirect wl">Valenzquarks</a>, machen nur etwa 5 Prozent der <a href="/de/Masse_(Physik)" title="Masse (Physik)" class="wl">Masse</a> eines Nukleons aus. Die restliche Masse wird mit den <a href="/de/Virtuelles_Teilchen" title="Virtuelles Teilchen" class="wl">virtuellen</a> <a href="/de/Seequark" title="Seequark" class="wl">Seequarks</a> und <a href="/de/Gluon" title="Gluon" class="wl">Gluonen</a> erklärt. Die genaue Aufteilung ergibt sich nach 2018 veröffentlichten QCD-Rechnungen zu: Quarks (konstituierenden Quarks und die Seequarks) rund 9&nbsp;% zur Masse, die restlichen Anteile entstammen der <a href="/de/Bewegungsenergie" title="Bewegungsenergie" class="mw-redirect wl">Bewegungsenergie</a> der Quarks mit rund ein Drittel, verursacht durch die Bewegungsenergie nach der Unschärferelation da sie auf engem Raum „gefangen“ sind, und Beiträgen der Gluonen (ein Feldstärkebeitrag von rund 37 Prozent und ein anomaler Gluonenbetrag von rund 23 Prozent).<a href="#cite_note-2" style="counter-reset: mw-Ref 2;">[2]</a><a href="#cite_note-3" style="counter-reset: mw-Ref 3;">[3]</a>

Einer Gruppe im <a href="/de/Forschungszentrum_Jülich" title="Forschungszentrum Jülich" class="wl">Forschungszentrum Jülich</a> (Budapest-Marseille-Wuppertal-Kollaboration) gelang es 2008, die Massen von Proton und Neutron im Rahmen der QCD-Gittereichtheorie theoretisch mit einer Genauigkeit von 1 bis 2 Prozent zu berechnen.<a href="#cite_note-4" style="counter-reset: mw-Ref 4;">[4]</a><a href="#cite_note-5" style="counter-reset: mw-Ref 5;">[5]</a> Die <a href="/de/Simulation" title="Simulation" class="wl">Simulationen</a> waren das Ergebnis von über zwei Jahrzehnten Forschung an Supercomputern, QCD in Gittereichformulierung und entsprechenden Algorithmen und war fehlerkontrolliert.

Als Nukleonen  bezeichnet man die beiden Teilchenarten, aus denen Atomkerne bestehen, nämlich Protonen und Neutronen. Der experimentelle Befund, dass die an Atomkernen beobachtbare starke Wechselwirkung keinen Unterschied zwischen Proton und Neutron macht, brachte Heisenberg zu dem Konzept, die beiden Teilchenarten formal als zwei Zustände ein und derselben Teilchenart Nukleon zu betrachten; die beiden Zustände unterscheiden sich nur durch eine Quantenzahl, die formal wie die Spinquantenzahl für Spin 1/2 erscheint und Isospin heißt. „Nukleon“ wurde in der Folge zunächst zur Sammelbezeichnung für die beiden Teilchenarten. Die Anzahl der Nukleonen eines Atomkerns, die Massenzahl, dient zur genauen Bezeichnung der Atomart wie z. B. „Sauerstoff-16“ oder „Eisen-56“. Im heutigen Standardmodell sind Nukleonen definiert als diejenigen Baryonen, die ausschließlich aus den leichten Up- und Down-Quarks zusammengesetzt sind und den Isospin 1/2 haben. Außer Proton und Neutron in ihren Grundzuständen gehören dazu auch angeregte Zustände mit einer solchen Quarkzusammensetzung, die sehr kurzlebigen Nukleonenresonanzen. Zählt man diese – wie in diesem Fall üblich – als eigene Teilchenarten, gibt es laut Particle Data Group mindestens 16 und möglicherweise bis zu 29 Nukleonen . Hierbei werden die Ladungszustände nicht unterschieden; Proton und Neutron sind bei dieser Zählweise also ein und dasselbe Nukleon. 