Kernphysik

5.

Bis hierhin sind wir als solchen nur dem Proton (¹₁H) und dem gewöhnlichen, negativ geladenen Elektron, das wir mit e_- bezeichnen wollen, begegnet. Daneben hat man in neuerer Zeit die Existenz des Neutrons ¹₀n, eines Teilchens mit der Ladung 0 und dem abgerundeten Atomgewicht 1 und die des Positrons e₊, einer Korpuskel mit der positiven Einheitsladung und der Masse des gewöhnlichen Elektrons festgestellt. Das Neutron wurde als Element des Stellenzeigers 0 in Tabelle 1 aufgenommen. Während bis vor kurzem die Meinungen über sein genaues Atomgewicht noch geteilt waren und die englische Schule den Wert 1,0067, die französische dagegen den Wert 1,0098 bevorzugte, darf man jetzt wohl die Zahl 1,0085 mit einem Fehler von ± 0,0005 als richtig ansehen. An der Entdeckung des Neutrons sind hauptsächlich drei Forscher beteiligt. Bothe stellte im Jahre 1930 fest, daß leichte Elemente und insbesondere Beryllium (Be) beim Beschießen mit α-Strahlen eine sehr durchdringende Strahlung erzeugen, die zunächst als γ-Strahlung gedeutet wurde. Als das Ehepaar

[p. 21]

Joliot-Curie feststellte, daß diese γ-Strahlung imstande war, aus wasserstoffhaltigen Substanzen wie Paraffin Protonenstrahlen in größerer Zahl auszulösen, d.h. den vorhandenen H-Kernen große Geschwindigkeiten zu erteilen, war das zunächst unerklärlich. Chadwick deutete dann im Jahre 1932 diese merkwürdige Beobachtung durch die Hypothese, daß ein Teil der sogenannten γ-Strahlung aus Neutronen, d.h. Teilchen der Ladung Null, und relativ großer Masse bestehe, die selber kaum

Figur 2
Protonenstrahl im Gas der Wilson-Kammer durch ein Neutron ausgelöst.

ionisieren und erst dadurch beobachtbar werden, daß sie beim Zusammenstoß mit anderen gewöhnlichen Kernen, wie z.B. ¹₁H an diese ihre kinetische Energie übertragen. Die ausgelösten geladenen Kerne haben dann wieder die normale Ionisationswirkung, wodurch sie nachweisbar sind. So ist es beispielsweise gelungen, in der mit Wasserstoff beschickten Wilson-Kammer, deren Gas mit Neutronen bestrahlt wird, Spuren der ausgelösten Protonenstrahlen, die scheinbar ohne Anlaß mitten in der Kam-

[p. 22]

mer beginnen, zu photographieren. Es ist wohl sicher, daß z.B. im Falle des Berylliums die Neutronenstrahlung auf Grund einer Kernreaktion entsteht, die durch folgende Gleichung dargestellt wird:



und bei der also aus Be und He neben dem Neutron ein stabiler C-Kern entsteht.

Figur 3
Spur eines Positrons durch ein Magnetfeld gekrümmt; das Positron geht durch eine Bleiplatte hindurch.

Das Positron, ein Teilchen von der Masse des Elektrons, also 1845mal so leicht wie ein Wasserstoffatom und im Gegensatz zum negativen Elektron mit einer positiven Einheitsladung (4,80 · 10^-10 elektrostatischer Einheiten) versehen, wurde im gleichen Jahre 1932 von Anderson entdeckt. Er fand in der Wilson-Kammer neben den Bahnen von gewöhnlichen Elektro-

[p. 23]

nen, die durch die kosmische Ultrastrahlung ausgelöst werden, gleichzeitig andere, ähnlich aussehende Bahnen, die aber im vorhandenen Magnetfeld nach der entgegengesetzten Seite gekrümmt waren. Die Bewegungsrichtung konnte dadurch festgestellt werden, daß man die Teilchen in der Kammer durch eine Bleiplatte hindurchgehen ließ. Nach dem Durchgang ist die Geschwindigkeit vermindert und die Bahn daher stärker gekrümmt. So konnte zweifelsfrei festgestellt werden, daß die Teilchen wirklich positiv geladen und nicht etwa in umgekehrter Richtung laufende negative Elektronen waren.

Unter den Entstehungsmöglichkeiten der Positronen ist eine von ganz besonderem Interesse. Nach den obigen Angaben ist das Atomgewicht eines Elektrons in der üblichen chemischen Skala rund 1/2000, die in ihm konzentrierte Masse entspricht daher einer Energie von 0,5 M.e V. Da das Positron die gleiche Masse hat, kommt ihm derselbe Energiebetrag zu. Die Ladungen von Elektron und Positron können sich gegenseitig zu Null kompensieren. Man wird daher zu der Fragestellung geführt, ob es nicht möglich sei, γ-Strahlung von genügender Durchdringungsfähigkeit, so daß ihr Energiequantum hv den Wert von 1 M.e.V. oder darüber besitzt, in Materie in Form von Elektronen und Positronen zu transformieren. Diese Materialisierung strahlender Energie hat man in der Tat beobachten und den Prozeß in der Wilson-Kammer photographieren können. Läuft der γ-Strahl durch den leeren Raum, so besteht kein Anlaß zu einem Materialisierungsprozeß. Tritt er aber in der Nähe eines Kernes in das räumlich auf ganz kurzen Strecken stark sich nähernde Kernfeld, dann bekommt der Prozeß eine endliche Wahrscheinlichkeit. Es ist das eine Folgerung, welche spezifisch für die Quantentheorie ist und beispielsweise auch

[p. 24]

übertragen werden muß auf den Fall, daß zwei Lichtbündel einander durchdringen. Hier hat man im Gegensatz zu den Folgerungen der klassischen Elektrodynamik zu erwarten, daß eine, allerdings außerordentlich geringe Streuung von Licht an Licht existieren muß. Das Positron, dessen Existenzmöglichkeit schon von Dirac vorhergesagt worden war, hat gewöhnlich

Figur 4
Aus γ-Strahlung entsteht ein Positron und ein Negatron. Die Ladungen verschiedener Vorzeichen sind an den entgegengesetzten Krümmungen der Bahnen zu erkennen.

keine lange Lebensdauer. Bald findet es ein Elektron, mit dem zusammen dann der umgekehrte Prozeß eingegangen wird. Die beiden Teilchen vereinigen sich, und der Energiewert ihrer Massen tritt in Form zweier entgegengesetzt gerichteter γ-Strahlen von je 0,5 M.e.V. Quantenenergie in Erscheinung. Das ist eine γ-Strahlung, die stets bei der Absorption von Positronen in der Materie beobachtet wird.