Massendefekt

Warum haben Reinelemente "krumme" Atommassen? Natrium ist ein solches Reinelement, es gibt also nur ein stabiles und natürliches Isotop des Elementes Natrium, nämlich $^{23}_{11}Na$. Man sollte also erwarten, dass die Atommasse dieses Isotops den Wert 23,000 hat. Das ist aber nicht der Fall. Dieses Natrium-Isotop hat die Atommasse 22,98976928 u ^[3].

Ein weiterer interessanter Sachverhalt ist folgender: Die mittlere relative Atommasse von Sauerstoff ist 15,879. Das leichteste Sauerstoff-Isotop ist aber $^{16}_{08}O$. Es gibt ein paar schwerere Sauerstoff-Isotope, aber kein leichteres. Wie kommt dann die "durchschnittliche" Atommasse von 15,879 zustande, die kleiner ist als die Atommasse des leichtesten Isotops?

Massendefekt

Eine Erklärung für beide Phänomene - einmal die "krumme" Atommasse von Reinelementen und dann die Sache mit dem Sauerstoff - liefert der sogenannte Massendefekt.

Die Protonen und Neutronen im Atomkern eines Elementes ziehen sich bekanntlich an - sonst würde ja der Atomkern wegen der elektrostatischen Abstoßung der positiv geladenen Protonen auseinander fliegen. Bei dieser Anziehungskraft zwischen Protonen und Neutronen handelt es sich aber nicht um eine elektrostatische Anziehung, denn Neutronen sind nicht elektrisch geladen. Jedoch wirkt die starke Kernkraft, welche die Quarks in den Protonen und Neutronen zusammenhält, auch etwas nach außen und hält daher Protonen und Neutronen zusammen. Man spricht hier auch von einer "Restwechselwirkung".

Nach Einsteins berühmter Formel $E = mc^{2}$ besteht eine Äquivalenz zwischen Masse und Energie.

Die Restwechselwirkung der starken Kernkraft innerhalb des Atomkerns sind nun für den Massendefekt verantwortlich. Diese Anziehungskräfte innerhalb des Atomkerns "verbrauchen" - einfach ausgedrückt - einen winzigen Teil der Masse der Protonen und Neutronen, und daher hat das $^{23}_{11}Na$-Isotop nicht die Atommasse 23,0000, sondern die Atommasse 22,9899 (gerundet).

Beispiel Helium

Ein Proton hat eine Masse von m(Proton) = 1,0073 u, und ein Neutron hat eine Masse von m(Neutron) = 1,0087 u. Somit müsste der Helium-Kern eigentlich eine Masse von 4,032 u haben. Tatsächlich kann man aber nur eine Masse von 4,0015 u messen. Es fehlen also 0,0305 u, die auf den Massendefekt zurückzuführen sind.

Dieser fehlenden Masse kann man nun nach Einstein eine Energie zuordnen:

$E = mc^{2}$

In dem alten Christen [5] kann man nun folgende Rechnung finden:

$E = 0,0305 * (3 * 10^{10}\frac{cm}{sec})^{2} = 28,5 MeV$

Dieser hohe Energiebetrag entspricht der Restwechselwirkung im Atomkern des Helium-Atoms.

Neben diesem Massendefekt im Atomkern gibt es einen zweiten Massendefekt, der aber die Atommasse so gut wie nicht mehr beeinflusst. Die Atommasse ist ein klein wenig geringer als die Summe aus der Masse des Atomkerns (um den Massendefekt bereinigt) und der Masse der umgebenden Elektronen. Auch hier spielen Anziehungskräfte eine Rolle, allerdings können diese vernachlässigt werden, wenn man sie mit den Anziehungskräften im Innern des Atomkerns vergleicht.