Kernkräfte

Kernkräfte bezeichnen die Kräfte, die zwischen Nukleonen im Atomkern wirken. Die wichtigste davon ist die starke Kernkraft, die Protonen und Neutronen aneinander bindet. Sie wirkt nur über sehr kurze Distanzen, typischerweise bis etwa 1 bis 2 Femtometer, und überwindet damit die elektromagnetische Abstoßung der Protonen. Auf fundamentaler Ebene wird die starke Wechselwirkung durch Quarks und Gluonen beschrieben (Quantenchromodynamik, QCD). In der Kernphysik wird die Kernkraft oft als Residualkraft der starken Wechselwirkung verstanden, vermittelt durch den Austausch von Mesonen, vor allem Pionen.

Zusammen mit der schwachen und der elektromagnetischen Kraft nimmt die starke Kernkraft eine zentrale Rolle bei der Bindung von Kernen ein. Die effektive Kernkraft ist saturierend und besitzt Abhängigkeiten von Spin, Isospin und Tensoranteilen. Wegen der kurzen Reichweite wirkt sie überwiegend auf Paare von Nukleonen und verleiht dem Kern seine Stabilität. Der Coulomb-Effekt zwischen Protonen bleibt als Gegenwirkung deutlich spürbar, besonders in schweren Kernen.

Die schwache Kernkraft ist eine weitere fundamentale Kraft, die beta-Zerfälle und Neutrino-Wechselwirkungen in Kernen ermöglicht. Sie wirkt ebenfalls sehr kurzreich und trägt nicht zur Bindung bei, spielt aber eine wichtige Rolle in Kernprozessen, Nukleosynthese und astrophysikalischen Kontexten.

Historisch entwickelte Yukawa 1935 die Idee der Messonenaustausch-Theorie, um die stark wechselwirkenden Nukleonen zu erklären. Die entdeckten Pionen bildeten das erste Bindungsmodell der Kernkraft. Gegenwärtig beschreiben Theorien die Kernkräfte durch effektive Potenziale, Chiral EFT und Lattice QCD, die Wechselwirkungen aus der zugrundeliegenden Quark-Gluon-Dynamik ableiten.

Sie bestimmen Bindungsenergien, Stabilität von Nukliden und Reaktionspfade; sie sind zentral für Kernenergie, Kernfusion und astrophysikalische Prozesse wie die Sternen-Nukleosynthese.