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Dokumentenidentifikation DE19709848A1 23.03.2000
Titel Kernmechanisches Modell
Anmelder Schulte, Gerd, 13467 Berlin, DE
Erfinder Schulte, Gerd, 13467 Berlin, DE
DE-Anmeldedatum 28.02.1997
DE-Aktenzeichen 19709848
Offenlegungstag 23.03.2000
Veröffentlichungstag im Patentblatt 23.03.2000
IPC-Hauptklasse G21G 1/00
Zusammenfassung Im Gegensatz zur (super-)symmetrischen Struktur des Standardmodells, das sich hier immer mehr dem überholten Weltbild des Aristoteles annähert, sind für das neue kernmechanische Modell bestimmte quantenphysikalische Erscheinungen wie z. B. Tunneleffekt - incl. gemessener Überlichtgeschwindigkeit - nicht Grundlage, sondern die logische Folge. Bei dem "mechanistisch" real durch den "Neutrinowind" angetriebenen Kernspin - vergl. bildhaft hochenergetische Positronen-Rückstreuung und Analogie von Quarks zum (Drei-)Schalenanenometer - hängt es allein vom kosmologischen Maßstab ab, ob dann innerhalb von Galaxien nun Anziehung, d. h. (großräumig nicht konstante) Gravitation oder darüber hinaus zunehmende Abstoßung und somit wachsende Rotverschiebung (Hubble-Fluchtgeschwindigkeit) auftritt.
Kernmechanisch entspricht das Dipolmoment zweier (hier) mit parallelem Spin zusammenkoppelnder Nukleonen verschiedener Kernringe zusammen annähernd dem eines einzigen Protons bzw. Neutrons. Das Modell beschreibt konkret u. a. die "magische" Kugelform aufweisenden Nuklide 0-16, s. Abb., und Ca-40 und liefert sodann sämtliche Kernstrukturen und die daraus abgeleiteten Dipolmoment-Berechnungen bis zur Massenzahl A=40, wobei Grundsatz-Schema und -Rechnung von Ne-21 auch für Si-29, S-33 und Ar-35 gelten.

Beschreibung[de]

Bei der vorliegenden Erfindung handelt es sich um ein kernmechanisches Modell, welches basierend auf einfachen geometrischen Grundannahmen die direkte Ableitung wichtiger kern- und atomphysikalischer Parameter, insbesondere der magnetischen Dipolmomente und der gerichteten chemischen Bindungen gestattet, wobei die praktische Umsetzung vom einfachen Perlenmodell über eine aktive oder passive zwei- oder dreidimensionale elektromagnetische Simulation der Nukleonen- Momente bis zur exakten Computer-Simulation der Kerne, Atome und Moleküle und ihrer Bindungen reicht.

In einer Offenlegungsschrift des Deutschen Patentamtes <1> ist bereits ein kernmechanisches Verfahren angegeben, das auf einem einfachen geometrischen Modell mit zu Ringen zusammengeschlossenen Nukleonen basiert, wobei z. B. zwei ineinander gefügte 6er-Ringe C-12, zwei 8er-Ringe O-16 oder acht 8er- Ringe Zn-64 ergeben. Vor allem 8er-Ringe können danach auch noch bedeutend längere (geschlossene) Ketten bilden, die ggf. wiederum als große Ringe zweiter Ordnung ineinandergefügt oder durch große Knoten mechanisch stabilisiert sind und so zugleich ein - energetisch günstiges - möglichst kleines Volumen erreichen.

Wenn diese Stabilisierung - im Bereich der seltenen Erden - jedoch nicht möglich ist, kommt es bei schnellerer Rotation zum Auseinanderziehen der Kette, was dann zum sprunghaften Anwachsen des Trägheitsmomentes, dem sogenannten Backbending- Effekt führt. Weitere Argumente gegen den quantenphysikalisch unterstellten dominierenden Einfluß einzelner durch Coriolis- Kräfte aufgebrochener Neutronen-Paarbindungen mit besonders hohem inneren Drehimpuls (13/2) werden später noch angeführt.

Wo die Kette, etwa bei Blei, zu einem stabilen, mehrfach gewundenen Kranz verflochten ist, wird kernmechanisch die (symmetrische) Spaltung erst durch den Beschuß mit hochenergetischen Alphastrahlen möglich, während im Bereich von Uran die lediglich durch zwei dünne Kettenstränge verbundenen beiden "Cluster-Knoten" bereits durch thermische Neutronen (unsymmetrisch) getrennt werden können. Dies gilt zwar im Ergebnis auch für die (wieder symmetrische) Spaltung von Fermium, das wie Blei womöglich ebenfalls eine - an sich stabile - Kranzstruktur aufweist, welche jedoch wegen der dreifachen Umschlingung unter einer sehr großen Vorspannung steht.

Inwieweit noch schwerere Kerne, etwa mit einem Atomgewicht von A = 272 oder größer, die nach dem kernmechanischen Modell etwa aus einem großen zentralen Ring und vier dort aufgereihten kleineren Ringen zweiter Ordnung bestehen sollten, zumindest ähnlich langlebig sein könnten, wirkt nach den zuvor getroffenen Feststellungen eher unwahrscheinlich und läßt wenig Hoffnung für das Gelingen entsprechender Experimente.

Wesentlich erfolgversprechender erscheint darum zunächst die Beschäftigung mit den Elementen am Anfang und in der Mitte des chemischen Periodensystems. Eine genaue kernmechanische Analyse führt über die davon abgeleitete "Kernphysikalische Chemie" dann weiter zu einem besseren Verständnis der chemischen Bindungen in der Theorie und Praxis: Immerhin konnte so bereits die aus zwei komplementären 5er-Kernringen bestehende Kernstruktur etwa von Bor-10 ermittelt und das magnetische Dipolmoment des Nuklids auf fast 1 Promille genau berechnet werden <1>. Die 5er-Kernringe finden sich auch makroskopisch wieder in den ebenfalls "fünfeckigen" bortypischen Ikosaeder- Kristallen. Das gleiche Prinzip der Selbstähnlichkeit (Fraktale) gilt auch für Kohlenstoff (6er-Ringe), Sauerstoff usw.

Insgesamt scheint jedenfalls die zu beobachtende Übereinstimmung der kernmechanisch-geometrisch möglichen Strukturen mit den tatsächlich existierenden Nukliden, incl. den "Inseln der Stabilität" schon jetzt bemerkens- und überprüfenswert.

Kernmechanische Erklärung quantenphysikalischer Probleme

Während bislang stets argumentiert wurde, bestimmte physikalische Probleme ließen sich nicht "klassisch", sondern nur quantenphysikalisch erklären, scheint es bei genauerer Betrachtung eigentlich eher umgekehrt. Sogar das Paradebeispiel der Quantenphysik, der sogenannte Tunneleffekt, läßt sich unmittelbar kernmechanisch einfach und anschaulich begründen:

Wo quantenphysikalisch gesehen - auch im Vakuum - Felder zunächst einmal einfach da sind, bzw. durch den Austausch virtueller Teilchen, z. B. Photonen, (nach der Unschärferelation sogar mit negativer Geschwindigkeit) erzeugt werden sollen, sind sie nach einer kernmechanischen Arbeitshypothese die Folge des alldurchdringenden "Neutrinowindes", der - ähnlich der Brown'schen Molekularbewegung - impulsartig Kräfte auf Materie (Gravitation) und Partikel (elektromagnetische, schwache und starke Kernkraft) übertragen kann.

Mag das zunächst nur wie eine reine Spielerei mit Begriffen und Erklärungsmustern aussehen, so steht praktisch, insbesondere in der Astrophysik, doch schon mehr dahinter. Obwohl z. B. das Gravitationsgesetz, wonach die entsprechende Kraft mit dem Quadrat der Entfernung abnimmt, überall im Weltraum in gleicher Weise gelten sollte, scheint dies mit der konkreten Beobachtung, etwa von außen durchweg zu schnell rotierenden Galaxien, nicht übereinzustimmen. Auch die zur Erklärung des Phänomens notwendige zusätzliche Masse in Form von dunkler Materie konnte bislang nicht in hinreichendem Umfang aufgefunden bzw. plausibel gemacht werden.

Hingegen ist der erwähnte, allgegenwärtige, materiedurchdringende Neutrinostrom natürlich nicht überall gleich groß, obwohl scheinbar viele der hochenergetischen ("Bor"!-)Neutrinos der Sonne gar nicht erst auf der Erde ankommen, d. h. demnach wahrscheinlich unterwegs in ihrer Energie nivelliert werden.

Wenn sich im Experiment die verschiedenen Neutrino-Arten tatsächlich ineinander umwandeln, deutet das kernmechanisch weniger auf Wechselwirkungen untereinander hin, als vielmehr auf solche - nachzuprüfenden(!) - mit Materie (Spin); - sodaß dann in einem astronomisch begrenzten Bereich ein weitgehend isotropes Übertragungsmedium mit einer statistisch konstanten Lichtgeschwindigkeit "c" entsteht (wobei auch die Achsen von Koordinatensystemen zu fernen, oft sehr schnell rotierenden, Galaxien nicht notwendigerweise starr wären, sondern sich "frei" in alle Richtungen verdrehen, verbiegen oder im Extremfall wie eine Spiralgalaxie sogar aufwickeln könnten!).

Daß die Lichtgeschwindigkeit eben nur eine statistische Konstante ist, enthüllten andererseits ebenso in sehr kleinem Maßstab bereits verschiedene "Tunnel(effekt)-"Experimente, z. B. mit Mikrowellen in eingeschnürten Hohlleitern oder ultrakurzen Laser-(Im)Pulsen und entsprechenden optischen Hindernissen in der Laufstrecke, die für kurze Entfernungen - neben einer enormen Signalabschwächung - sogar Werte von 3c und mehr ergaben.

Während die quantenmechanische Interpretation nun doch einige gedankliche "Klimmzüge" mit dem Tunneleffekt erfordert, wonach etwa c weiterhin konstant bliebe, dafür aber die eigentliche Tunnelstrecke dann simultan (mit unendlich großer Geschwindigkeit) durchquert würde, ist die kernmechanische Erklärung - nicht nur hier - wesentlich einfacher und einsichtiger:

Da die - vermutlich ruhemasselosen - Partikel des Übertragungsmediums "Neutrinowind" sich eben nicht alle mit gleicher Gruppengeschwindigkeit bewegen, sondern statistisch einige wenige (absolut immer noch sehr viele!) mit mehrfacher Lichtgeschwindigkeit c, erfolgt im (frequenzmäßig) selektierenden Hochpass nun eine Selektion nach der Wellenlänge, wobei eben nur Signale mit kürzerer Wellenlänge, demnach also auch: nur mit höherer Geschwindigkeit den "Tunnel"-Engpass passieren können.

Geradezu schon unverhältnismäßig wirkt auch der Aufwand, der getrieben wird, um "nichtlokale" Fernwirkungen nachzuweisen, die sich scheinbar bei speziell miteinander korrelierten Photonen nach dem paarweisen Durchlaufen von durch Strahlenteiler aufgespaltenen und wieder zusammengeführten Lichtwegen nach der Registrierung in besonderen Koinzidenz-Detektoren ergeben. Dabei scheint es viel naheliegender, nicht einfach weiter auf einer jeweils getrennten statistischen Behandlung der paarweise stattfindenden Ereignisse nach den geltenden Regeln zu beharren und den Ausweg in "Nichtlokalitäten" zu suchen, sondern eher die Regeln selbst in Frage zu stellen.

Alles andere läßt sich dann ganz zwanglos mit der offenbar bestehenden absoluten Korrelation und der Wellennatur des Lichtes erklären. Wenn es etwa um zwei Wellenlängen ginge, statt um zwei verschiedene Polarisierungszustände "0°" und "90°" (±0° oder vielmehr: ±45°?!!), wäre ja die hierbei festgestellte Korrelation auch nicht weiter erstaunlich!

Zweifel an dem quantenphysikalisch prinzipiell ausschließlich statistisch beschreibbaren Verhalten von Elementarteilchen in atomaren Dimensionen, welches nicht nur dem Pauli-Prinzip und der Unschärferelation unterliegt, sondern zudem auch noch von der Beobachtung selbst abhängt, sind lange nach "Schrödingers Katze" heute mittlerweile offenbar eher verpönt.

Für viele Physiker ist die "bewährte" Quantentheorie nicht nur ein unentbehrliches Werkzeug bei der täglichen Arbeit, sondern sie betrachten diese darüberhinaus quasi als höhere Stufe physikalischer Welterkenntnis, die es lediglich kontinuierlich weiter auszubauen gelte. Dabei wird allerdings übersehen, daß in der Vergangenheit jeder wesentliche Fortschritt vielmehr sprunghaft, als stetig erfolgt ist <2>.

Um der wohlverstandenen physikalischen Erkenntnis am besten Rechnung zu tragen, haben sich etwa seinerzeit "die Ionischen Naturphilosophen daher geweigert, ihre Theorien gegen Angriffe zu schützen und haben sie in einer Form entwickelt, die der Kritik die größtmögliche Chance gibt, und die damit auch der Natur die größte Chance gibt, etwaige Fehler aufzuzeigen." <3> Vielleicht ist jetzt, nachdem neueste Messungen zumindest Zweifel am sogenannten Standardmodell der Elementarteilchen incl. Quarks nahelegen, endlich auch das Neu-über-alles-Nachdenken wieder auf der Tagesordnung; zudem ähneln die heutigen "Symmetrien" doch sehr den überholten Lehren des Aristoteles!

Kritische Überprüfung kernmechanischer Strukturen

In der bereits genannten Offenlegungsschrift <1> ist u. a. schon eine sehr genaue Berechnung des magnetischen Dipolmoments für das aus zwei 5er-Kernringen bestehenden Nuklid Bor-10 angegeben. Dagegen erscheinen jedoch viele der dort schematisch als 2-D-Darstellung aufgeführten Kernstrukturen noch nicht zwingend, bzw. diese stimmen nicht unbedingt auch mit den durch Messungen ermittelten Kernformen <4/5> überein, was insbesondere auf die Nuklide nahe der zweiten "magischen" Kernschale 8+8, also O-16 zutrifft. Das aus zwei senkrecht zueinander stehenden 8er-Kernringen zusammengesetzte O-16-Nuklid, <1> Fig. 6, erscheint in horizontaler Achse eher langgestreckt, obwohl O-16 tatsächlich aber Kugelgestalt hat!

Der vorliegenden Erfindung liegt demnach die Aufgabe zugrunde, erstens die genannten Fehler zu beseitigen, zweitens ein zuverlässiges kernmechanisches Modell anzugeben, aus welchem sich möglichst viele gewünschte Eigenschaften der Nuklide, der Atome und ihrer Verbindungen, einschließlich der ihrer grundlegenden Strukturen herleiten lassen. Dieses soll auf einfachen geometrischen Grundannahmen basieren und die direkte Ableitung wichtiger kern- und atomphysikalischer Parameter, insbesondere der magnetischen Dipolmomente und der gerichteten chemischen Bindungen gestatten, wobei die praktische Umsetzung vom einfachen Perlenmodell über eine aktive oder passive zwei- oder dreidimensionale elektromagnetische Simulation der Nukleonen-Momente bis zur exakten Computer-Simulation der Kerne, Atome, Moleküle und ihrer Bindungen reicht.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß jeweils zwei Protonen oder Neutronen verschiedener Kernringe dieses Modells bei paralleler Ausrichtung ihrer Spinachsen sich gegenseitig teilweise derart durchdringen, daß ihre Gesamtlänge etwa dem Anderthalbfachen und ihr Dipolmoment annähernd dem eines einzigen Nukleons entspricht, Fig. 1.

Nachdem nun das Grundprinzip der "magischen Kugel-Schalen" erst einmal richtig erkannt und eingeführt ist, ergeben sich weitere wichtige Folgerungen hieraus danach fast von selbst:

Wie soeben aufgezeigt resultiert der "magische" Schalenabschluß bei O-16 (8+8) offensichtlich daraus, daß aus zwei senkrecht zueinander stehenden - realen - Be-8-Kernringen eine - ebenso reale - beinahe perfekte runde Nukleonen-Kugel gebildet wird - dazu noch gleich mehr! -, wobei die Kernringe nicht bloß wie Kettenglieder ineinandergefügt erscheinen, sondern durch zwei Nukleonenpaare mit parallelem Spin quasi zu einer Einheit "zusammengeschweißt" werden, Fig. 1.

Die jeweilige deformierte Kernform und das Vorzeichen des Quadrupolmoments: +, also prolat (d. h. zigarrenförmig) oder: -, also oblat (diskusförmig) der nicht so magischen Nachbarnuklide ergibt sich dabei ebenfalls höchst anschaulich direkt aus dem einen (von vier) abweichenden Kernringsegment(en), welche ja nur beim magischen O-16 alle gleich sind, Fig. 2.

Zu beachten ist nun allerdings, daß sich eine Kugel von einem Ring meßtechnisch - zumindest im Grundsatz - nicht unterscheidet, Beispiel: Li-6. Wegen der statistischen Vielzahl der Messungen in Richtung des Dipolmomentes und senkrecht hierzu, wo praktisch alle Ausrichtungen im Raum gleich oft vorkommen, erscheint der Ring in der Wahrscheinlichkeitsverteilung quasi um seine Dipolachse rotiert als eine Kugel. Übrigens, gerade das in (leider oft älteren) Tabellen und Grafiken aufgeführte Quadupolmoment gibt am Ende sehr wertvolle Strukturhinweise!

Während die Dipolmoment-Berechnung für C-13 bis F-17 danach schon relativ brauchbare Werte ergibt - C-13: 0.699 (0,70238 = Meßwert) MK, N-13: 0,181 (0.3221) MK, N-15: 0,181 (0,28309) MK, O-15: 0,699 (0,719) MK, O-17: -1,800 (-1,89370) MK - auch das Vorzeichen des Quadrupolmoments stimmt - sowie F-17: 5,073 (4,722) MK, tritt der genannte Verschmelzungseffekt bei B-10 noch gar nicht auf; - daher also die bereits zitierte erstaunliche Genauigkeit in der früheren Rechnung!

Bei einer eingehenderen Betrachtung der Fig. 2 wird übrigens nicht nur deutlich, daß sich im Falle von O-16 die Dipolmomente der oberen und der unteren drei Nukleonen gegenseitig kompensieren, sondern auch in der Summe mit nur 0,088 MK kaum etwas zu den Gesamtmomenten von O-17 und F-17 beitragen. Deren Dipolmoment wird also fast allein von den oberen beiden Nukleonen bestimmt! Im Bild von O-17 weist der resultierende Vektorpfeil demnach nahezu horizontal nach rechts.

Wichtig ist dann weiter insbesondere aber, daß auch andere auffällige Kerne wie etwa das sehr kompakte und in seiner Kernform "nahezu entartete" Si-28-Nuklid kernmechanisch sehr überzeugend erklärt werden können, was die chemischen Bindungsstrukturen mit einschließt:

Zwei Li-6-Ringe koppeln demnach an den gegenüberliegenden Protonen eines der beiden Be-8-Ringe der zentralen (kugelförmigen) O-16-Struktur an, so daß diese nun - anders als bei C-12 - beide in einer Ebene zu liegen kommen und damit u. a. die zu C-12 sehr unterschiedlichen chemischen Eigenschaften begründen. Die dritte magische Kernschale entsteht u. a. dann, wenn wiederum auch noch die beiden restlichen gegenüberliegenden O-16-Protonen mit Li-6-Ringen bestückt werden (Ca-40).

Chemische Valenzstrukturen und Bindungswinkel

Interessant ist aber auch eine weitere kritische Würdigung der vom jeweiligen Kern abhängigen chemischen Eigenschaften: Wenn allein schon die äußere Ähnlichkeit der chemischen mit den Kern-Strukturen - 6er-Ringe beim Kohlenstoff, 5er-Ringe beim Bor <1>, auffällig genug wirken, so ist die Übereinstimmung der sonst noch mit den Bindungen verknüpften Parameter erst recht frappierend.

Für eine Vielzahl von (nur durch den Zeitaufwand bislang noch begrenzten) Molekülen, insbesondere aus den Elementen Kohlenstoff, Wasserstoff, Sauerstoff oder Bor konnten bereits die beobachteten Erscheinungen wie etwa Bindungswinkel, Para- und Diamagnetismus, Ionenladung der Radikale, Mesomerie (mit "delokalisierten" Elektronen), Einfach oder Doppel- bzw. Dreielektronen-Bindungen usw. usw. bisher schon - offenbar absolut zutreffend - abgeleitet werden.

Nunmehr neu kommen jetzt weitere, besonders charakteristisch erscheinende Stickstoff-Sauerstoff-Verbindungen hinzu. Dazu ist zunächst allerdings nochmals ein Rückgriff auf die tatsächlich etwa bei N-14 und N-15 vorliegenden Kernstrukturen notwendig. Bei der in der Kernstrukturen-Tafel I aufgeführten 6- plus 8-Ring-Anordnung für N-14 ist nun offenbar entscheidend, daß sich die Dipolmoment-Vektoren von drei Protonen auf einer gemeinsamen Bindungsachse befinden, zu der die beiden je von einem 6-Ring-Proton allein bestimmten im Winkel von 120° stehen und, senkrecht zur Ebene der anderen, dann die Valenzachse der restlichen beiden 8-Ring-Protonen.

Doch zurück zum bereits erwähnten Stickstoff-Atom und dessen interessanten Verbindungen mit Sauerstoff. Wenn bei NO2+ und seinen beiden echten Doppelbindungen zweimal zwei Elektronenpaare auf der N-14-Hauptachse und der zweiten, senkrecht dazu stehenden, jeweils zugleich auch auf den ebenfalls rechtwinklig angeordneten O-16-Nebenachsen einen gemeinsamen Bindungs- Platz einnehmen, sind diese N-14-Achsen am Ende (beidseitig) voll mit Elektronenpaaren besetzt. Ein überzähliges Elektron wird abgestoßen (+) und der Bindungswinkel beträgt 180°.

Beim neutralen NO2 wird dagegen ein Elektronenpaar der Hauptachse als Kopplungspunkt durch ein Elektron auf einer 120°- Nebenachse ersetzt, welche aber zur anderen bindenden Nebenachse wiederum den (für Sauerstoff) "richtigen" 90°-Winkel aufweist. Der resultierende O-N-O-Gesamtbindungswinkel liegt schließlich - ohne Berücksichtigung der Ladungsverteilung - mit 138,6° nur wenig über den tatsächlich beobachteten 134°. (Eine gleichartige erste Rechnung für NO2 mit dem seltenen Stickstoff-Isotop N-15 ergibt einen bis zu 10° kleineren Bindungswinkel, während es nach weiteren Überlegungen eher etwa 5° mehr sein sollten. Die Frage der Bindungswinkelunterschiede bedarf also dringend der experimentellen Überprüfung!

Das N-14-Elektron auf der anderen 120°-Nebenachse bleibt nun - insbesondere bei höheren Temperaturen - ungepaart und bewirkt damit den für NO2 charakteristischen Paramagnetismus, - oder aber es koppelt mit dem Elektron eines zweiten Moleküls zum wenig wärmebeständigen spiegelsymmetrischen N2O4.

Da dies alles in einer 2-D-Zeichnung kaum darstellbar ist, empfiehlt sich die Anfertigung von 3-D-Draht- od. entsprechenden Computer-Modellen. Das gilt selbstverständlich auch für die adäquate Simulation der genauen Elektronen-Bindungsstrukturen sonstiger komplizierter Moleküle, wo es eben mit dem bloßen Zusammenstecken von Modellkügelchen nicht getan ist. Offenbar stellt nämlich die gebräuchliche MO-Methode mit ihren Sigma- und Pi-Bindungen oder durch "Mesomerie" delokalisierten Elektronen eine zu grobe Vereinfachung der wirklichen Zustände dar, was dann umgekehrt schon wieder zu einer kontraproduktiven Komplizierung insgesamt führt.

Isomerie-Unterschiede der Bindungswinkel verschiedener Isotope sind sicher nicht bei linear gebauten 3-atomige Molekeln wie CO2 oder NO2+ zu erwarten, wohl aber schon beim zuletzt besprochenen gewinkelten NO2 oder dem ebenfalls gewinkelten NO2--Ion mit 115,4°, das seinerseits wiederum als Teil des planaren NO3--Ions (Aufbau analog zu CO32-) mit jeweils 120° aufgefaßt werden kann, wobei allerdings schon der - zuletzt geringere - Ladungseinfluß deutlich wird.

Wenngleich dies möglicherweise schon ziemlich am Rande der Meßgenauigkeit liegt, wäre es u. U. schließlich auch noch besonders aufschlußreich, ferner einmal nachzuprüfen, ob die bekanntermaßen lineare CO2-Molekel in Verbindung mit den Kohlenstoff-Isotopen C-13 und -14 wirklich vollkommen linear ist, d. h. ob der Bindungswinkel in der Tat nicht doch etwas von 180° abweicht?!

Das verbesserte kernmechanische Modell und seine Ergebnisse

Während gerade bei den Überlegungen des letzten Abschnitts im wesentlichen das schon bekannte Modell <1> die Arbeitsgrundlage bildete, wonach allein die Spin-Achsen der Protonen ebenso für die Anordnung der Elektronen im Atom maßgebend sind, ist dieser Grundsatz nun nicht mehr länger zu halten.

Wie eigentlich schon durch den Isospin-Formalismus und den Vergleich der Kernspin-Zahlen, z. B. von Spiegelkernen, nahegelegt wird, müssen Protonen und Neutronen im allgemeinen und natürlich auch im kernmechanischen Modell gleich behandelt werden. Daß die praktische Umsetzung dieser Erkenntnis nicht schon früher erfolgte, liegt daran, daß "bewährte" Vorurteile bekanntermaßen oftmals besonders zäh und langlebig (!) sind.

Zudem ist es meist ziemlich schwierig, etwa zwischen Vorurteil und gesicherter "wissenschaftlicher Erkenntnis" zu unterscheiden, die ja doch - bis zum Beweis des Gegenteils - de facto eben identisch sind; siehe nochmals Aristoteles und die jahrhundertelang gültigen, inzwischen aber überholten "Erkenntnisse" der Vergangenheit.

Womöglich ist hier aber ein freier Forscher und Erfinder etwas im Vorteil gegenüber dem strengen Wissenschaftler der "reinen" Lehre, der ja systembedingt am unbewiesenen Neuen zweifelt, während er, auf der Suche nach neuen und besseren Lösungen, naturgemäß gerade am Alten und Bewährten zweifelt.

So löst sich denn gleich ein schwieriges Problem der Kernmechanik auf einfache Weise: Aufgrund des beim Stickstoff auftretenden Bindungswinkel von exakt 120° muß N-14 aus einem 8er- und einem 6er-Ring bestehen. Für das ohne Gammastrahlung zerfallende C-14 schien dies jedoch nicht in Frage zu kommen:

Bei einem He-6-Kernring liegen die beiden Ring-Protonen im Winkel von 180° genau gegenüber. Da sie nunmehr aber gemeinsam mit den Ring-Neutronen die Elektronen-Konfiguration bestimmen, steht demnach auch für C-14 dieser Bindungswinkel zur Verfügung und erst wenn zusätzlich das zweite Tetraeder- Winkelpaar vonnöten ist, kommt es zu einer kleinen sterischen Spannung, die jedoch noch "gut innerhalb der Toleranz" liegt.

Durch die beiden Kernringe unterschiedlichen Durchmessers führt dies bei den wahrscheinlich diesbezüglich kritischeren N-14-Protonenpaarbindungen zu einer kleinen Unsymmetrie, welche dann eventuell z. T. auch für das gegenüber Li-6 etwa halbierte Dipolmoment mitverantwortlich sein könnte. Wie noch vieles andere, bleibt dies zunächst aber nur eine mehr oder weniger gut begründete Spekulation. Eine weitere, als zusätzliche Erklärung für die lange Halbwertszeit und den "No-Gamma"-Zerfall von C-14 wäre dann die, daß im Gegensatz zu N-14 dort eine doppelte Neutron-Neutron-Bindung im Grundzustand wirksam ist.

Es muß also bei derartigen (Zer-)Fällen zuvor offenbar stets erst eine genügend große statistische Abstandsschwankung bzw. Drehung wirksam werden, bevor dann der eigentliche, an sich schon relativ seltene, d. h.: unwahrscheinliche Beta-Zerfall stattfinden kann, was u. a. ebenso für Be-10, C-11 und N-13 - die letzten beiden allerdings nur mit rund 20 bzw 10 Minuten Halbwertszeit - oder auch für Si-32 und P-32 gilt. Im übrigen weisen derartige Mutter- und Tochter-Nuklide aber immer eine gleichartige Ring-Grundstruktur auf.

Noch etwas irregulär erscheinen dabei die erstgenannten Nuklide, quasi aus einer Übergangsphase der Kernbindungen vor dem Abschluß der zweiten "magischen" O-16-Kernschale, wo es maximal eine Nukleonen-Paarbindung mit gleichem Spin gibt.

Bei C- und N-13, mit negativer Parität und dem Kernspin S- kommt es - wahrscheinlich um die bei etwas größerem Nukleon- Nukleon-Abstand einzig mögliche energetisch günstige antiparallele Spinpaarung zusätzlich zu erreichen - anscheinend zu einer in der Tafel IIa angedeuteten Schrägstellung des einen Kernrings zum anderen, was eben auch eine Asymmetrie des gesamten Kerns bedeutet. Eben jene gerade erwähnte, teilweise kompensierend wirksame, gegenseitige antiparallele Spinausrichtung ist ganz offenbar auch der eigentliche Grund für die nicht nur beim N-14-Dipolmoment (ebenfalls bei P-32) zu registrierende Abweichung von der Vektor-Rechnung.

Die in der Tafel eingezeichneten Punkte markieren übrigens einzeln und ganz konkret die ungepaarten Nukleonen, die etwas zum Kernspin beitragen (denn es gibt ja in der Kernmechanik keine Bahnen mit S- oder 3/2-Nukleonen usw.); ohne daß hier allerdings eine absolute Garantie für die jeweilige Richtigkeit im Einzelfall übernommen werden könnte.

Eine asymmetrische Schrägstellung kann natürlich, wie etwa bei N-15, auch rein mechanisch-geometrische Gründe haben, wenn sich die Nukleonen eben räumlich gegenseitig verdrängen. Dies ist selbstverständlich bei der endgültigen, genaueren Berechnung des Dipolmoments noch entsprechend zu berücksichtigen!

Ein weiterer, ebenfalls in die Rechnung eingehender Punkt taucht erstmals in der Tafel IIb bei F-20 als konkret eingezeichneter Punkt und als durch sin Dreieck symbolisierte Pfeilspitze auf: Offenbar ist nämlich - ganz im Gegensatz zu den Pauli-Prinzip-Postulaten - grundsätzlich nicht nur eine zweifache, sondern hier sogar eine dreifache Spinpaarung der Nukleonen im F-20- oder Na-21-Kern möglich, und dies auch noch bei parallelem, statt antiparallelem Kernspin!

Bei den chemischen Doppelbindungen zwischen Kohlenstoffatomen - etwa im Butadien-Molekül mit seinen scheinbar "delokalisierten" Elektronen - wurde ja kernmechanisch bereits eine andere Durchbrechung dieses Prinzips registriert, zumal sich dort anscheinend bereits jeweils zwei Elektronenpaare (auf gegenüberliegenden Seiten) in der "K-Schale" eines einzigen Kohlenstoffatoms befinden.

Im Atomkern äußert sich die parallele Drei-Nukleonenkopplung offenbar gleich zweifach: Einmal in einem zusätzlich wirksamen kleinen Dipolmoment des dritten Nukleons, welches nunmehr nämlich nicht mehr, wie das zweite, ganz in dem des ersten aufgeht. Beim Neutron hat dies die Größenordnung von (etwas mehr als) 0,3 und beim Proton von 0,5 MK. Zweitens geht das dritte (mittlere) Nukleon ebenfalls in den Kernspin ein und muß dort mitgezählt werden. Jedenfalls stimmt die Rechnung bemerkenswert gut mit den bekannten Messungen überein.

Ein anderes Problem stellt sich im Bereich von Natrium und Magnesium: Bekanntlich sind ja Kernspin und Dipolmoment von Mg-24, wie bei allen gg-Kernen, jeweils gleich Null. Besonders das Zweite ist nicht leicht zu erklären, zumal etwa jedes einseitige Ankoppeln eines weiteren Kernrings an einen O-16-Kern immer mit einem remanenten Dipolmoment verbunden wäre und eine lineare Dreierkette sowohl von der Bindungsenergie, als auch von der (doch nicht ganz so prolaten) Kernform her gleichermaßen nicht in Frage kommt.

Die einzig mögliche Lösung liegt nun darin, daß durch den in die O-16-Kugel eingefügten weiteren Kernring daraus ein länglicher "Football" wird, wobei die Ringe zueinander nicht mehr im Winkel von 90, sondern nunmehr 60 bzw 120° stehen. Ein Ring ist dann um "ein Nukleon weitergedreht", weil sich nicht zwei antiparallele Zenter-Nukleonen direkt berühren dürfen.

Gleichsam die "Hohe Schule der Kernmechanik" kommt dann beim Nuklid von P-31 zum Tragen: Wegen des minimalen Kernspins von lediglich S+ ist hier als Ausgangskern nur Ne-19 möglich, an welchen dann seitlich zwei 6er-Ringe angekoppelt werden, wobei es wieder (nur) zur teilweisen Spinkompensierung des zuvor ungepaarten zentralen Neutrons mit demjenigen des Li-6- Ringes kommt.

Besonders bemerkenswert ist weiter die absolute Übereinstimmung der Dipolmomente (jeweils 1,0 MK) der im Grundsatz völlich gleich strukturierten Kerne von S-35 und Ar-37, bei welchem lediglich die beiden symmetrisch angeordneten 7erdurch 8er-Ringe ersetzt sind. Das gleiche Prinzip kommt sinngemäß auch bei Cl-36 und K-40 zur Wirkung, wenngleich hier das "tragende Gerüst" einmal aus einem 8er-Ring und dann aus einer O-16-Kugel besteht. Die zweite, etwas kompaktere Lösung bietet den vier, hier an sich alle in einer Ebene liegenden 6er-Ringen aber sowenig Platz, daß es insgesamt zu einer rosettenförmigen (Schiffs-)schraubenähnlichen Struktur kommt, was sich auch im daraus resultierenden Kernspin 4- ausdrückt.

Eine vergleichbare Konfiguration wurde wohl deshalb nur noch beim K-38-Nuklid ausfindig gemacht, während für K-39 wiederum nur das Einring-Grundgerüst in Frage kommen kann, wobei freilich noch offenbleibt, ob es sich tatsächlich um einen 12er- Ring, Lösung A) oder um einen 8er-Ring, siehe die ansonsten gleichwertige Lösung B) handelt.

Das Prinzip: gleiche Kernstruktur - gleiches Dipolmoment wurde schließlich auch noch auf der Tafel IId besonders herausgestellt. Für alle fünf dort aufgeführten Kernstrukturen bildet nämlich Ne-21 das Grundmuster. Lediglich Si-29 mit der O-16-Grundkonfiguration weicht - ebenso beim Kernspin (S+) - etwas mehr vom berechneten Grundwert (-)0,699 MK ab.

Die in den bereits früher erwähnten einschlägigen Atomkern- Tabellen aufgeführten Quadrupolmomente korrespondieren im übrigen ausgezeichnet mit den zuvor angegeben Kernstrukturen und Konfigurationen. Ausnahmen bestätigen dabei offenbar die Regel: So ist etwa ein Wert von +0,080 bei Cl-35 in keiner Weise nachvollziehbar; allerdings findet sich in der Abbildung eines neueren - und wohl auch zuverlässigeren - Lehrbuches der erwartete, leicht negative Wert <5>.

Modell-Korrekturen, Modell-Ausbau und weitere Konsequenzen

Natürlich darf man nun nicht erwarten, daß das Modell die physikalische Realität bereits jetzt überall richtig wiedergäbe oder sich wenigstens asymptotisch dieser automatisch immer weiter annäherte. Wie bereits erwähnt geht es aber in der Erkenntnis meist sprunghaft, statt stetig voran.

So erweist sich etwa bei kritischer Nachprüfung die neue Annahme, daß das Nuklid N-14 (und ebenso C-14) aus einem 6er- und einem 8er-Ring bestehen sollte - trotz der scheinbar gut dazu passenden 120°-Bindungswinkel -, inbesondere wegen des N-14-Dipolmoments letztendlich als unhaltbar. Demnach müßte man hier also doch jeweils von 7er-Ringen augehen <1>, womit dann gleichfalls die Überlegungen zu isotopieabhängig unterschiedlichen Bindungswinkeln zumindest für Stickstoff weitgehend hinfällig wären. Ebenso ist auch die frühere Auffassung der aus Deuterium und He-4 bzw. -5 zusammengesetzten Lithium-Isotope <1> wohl doch die richtige.

Bei weiterer Überprüfung der einzelnen Kernstrukturen in der Fig. 4 sind vielfach im Detail ebenfalls andere Varianten möglich oder wahrscheinlich. Darauf kommt es hier aber zunächst noch nicht so sehr an, als auf die grundsätzlichen Überlegungen und deren Plausibilität.

Eine wichtige neue Erkenntnis wäre dann z. B. aber die, daß etwa bei C-12 die beiden Li-6-Kernringe nicht wie zuvor angenommen zwecks Spinkompensierung antiparallel ausgerichtet sein müssen, sondern vielmehr parallel: zur energetisch günstigen paarweisen Spinkopplung der im Einzelring noch ungepaarten Nukleonen. Auch auf diese Weise am Umklappen gehindert resultiert daraus zwar ein Kernspin und Dipolmoment von jeweils Null, aber auch eine Asymmetrie wegen der "Spin-Bahn- Kopplung" bei der Streuung polarisierter Protonen. Vergl. hierzu ebenfalls das Niveauschema der A = 12-Kerne, wo beiwi C-12-Nuklid mit dem beschriebenen Grundzustand zuerst ein Li-6-Ring durch einen solchen mit gleichmäßiger p-n-p-n-p-n- Konfiguration ersetzt wird (2+) und danach dann auch der zweite (0+).

Grundsätzlich können so alle Kernparameter kernmechanisch zutreffend eingeordnet und beschrieben werden, was aber ebenfalls noch für weitere Erscheinungen und Kräfte gilt: Die ganz konkrete Rolle des mechanisch realen Kernspins wurde ja bereits früher gewürdigt <1>. Angetrieben wird dieser demnach vom überall wirkenden, aber natürlich nicht überall gleich großen "Neutrino-Wind", weshalb Materie eben nur bei entsprechender Anisotropie existiert und eine "Windstärke 0" umgekehrt mit den großen (weitgehend) materiefreien Blasenstrukturen im Universum korrespondiert.

Das eben gebrauchte Bild vom "Neutrino-Wind" kann dabei fast schon wörtlich genommen werden, hat doch ein meteorologisches Schalenanenometer, ein Instrument zur Messung der relativen Bewegung der Umgebungsluft (tatsächlich also der "wirklichen" Windgeschwindigkeit), abgesehen von seiner Größe, mit seinen drei Schalen insoweit große Ähnlichkeit mit einem Proton oder Neutron, welches ja bekanntlich gleichfalls aus drei Elementen, den sogenannten Quarks, aufgebaut ist.

Ein ganzes homogenes Feld voller Windräder würde ebenso einerseits jeweils gleichen "Spin" aufweisen und andererseits bei kurzfristigen Schwankungen dank seiner großen energiespeichernden Masse - analog zur konstanten Lichtgeschwindigkeit "c" - auch für eine nunmehr konstante Windgeschwindigkeit sorgen. Würde man einen Ball gegen einen schnell laufenden Rotor/Propeller schießen, könnte es vorkommen, daß er stark abgelenkt mit großer Geschwindigkeit wieder zurückgeschleudert werden würde. Genau dieses ist aber gerade bei "analogen" Experimenten mit an Protonen gestreuten Positronen beim Hamburger "DESY" kürzlich sinngemäß bestätigt worden!

Bewegt sich nun ein "elementarer Propeller" relativ zum Feld, so wirkt bei einer plötzlichen Vorschub-Abbremsung seine im Vergleich zum Feld abweichende gespeicherte Spin-Energie im Sinne einer Trägheit in der Bewegungsrichtung. Außerdem sind bei einer konstanten Relativbewegung dank unterschiedlicher Spin-Frequenzen entsprechende Interferenzen mit stationären Elementarteilchen, also "Materiewellen" ebenso zu erwarten.

Der umgekehrte Effekt der Nivellierung höherenergetischer Neutrinos wurde ja bereits bei aufwendigen Messungen der von der Sonne empfangenen Neutrinos in Form ihrer deutlich verminderter Zahl gefunden und als Oszillationen interpretiert. Ein vergleichbarer Effekt sollte sich aber auch bei Neutrinoquellen auf der Erde zeigen, wenn nämlich entsprechend viel Materie in den Strahlengang eingebracht wird.

Im übrigen scheint, neben einer geometrisch konkreten Darstellung des Atombaus durch die Kernmechanik, darüberhinaus sogar eine ebensolche Deutung der "Quantensprünge" möglich. Auch bei Atomen kann von einer Rotation des gesamten Systems aus Kern und Elektronen um den gemeinsamen Masseschwerpunkt ausgegangen werden.

Wenn danach etwa ein Elektron aus einer höheren Schale auf eine tiefere fällt, steigt, bedingt durch die Erhaltung des Drehimpulses, die Rotationsfrequenz entsprechend sprunghaft an und führt zur Strahlungsemission, solange, bis das Elektron durch weitere Stoßübertragung aus dem Umgebungsmedium wieder seine Standard-Umlaufgeschwindigkeit auf niedrigstem Niveau erreicht hat und dort dann ohne weitere Energie-Abgabe oder -Zufuhr quasi im Umfeld sozusagen "mitschwimmt".

Interessant ist dabei im Einzelfall z. B. die kernmechanische Antwort auf die Frage, warum es es etwa im spektralen Triplett-System des Helium-Atoms keinen dem Singulett-System entsprechenden Grundzustand gibt, den es ja bei beidseitig symmetrischen Elektronenkonfiguration zum Kern eigentlich geben müßte?! Die Antwort: Ein solcher symmetrischer Zustand kann elektromagnetische Energie weder abstrahlen noch aufnehmen, d. h. er könnte seine Konfiguration allenfalls durch Elektronenstoß verändern.

Zu den bereits weiter oben angesprochenen sogenannten Quanten-Experimenten, in denen meist bestimmte Interferometer- Anordnungen eine zentrale Rolle spielen <6>, sollen nur noch einige kritische Bemerkungen angefügt werden: 1.) Es wird behauptet, daß es bei entsprechend gefertigten halbdurchlässigen Spiegel(prisme)n nur vom Zufall abhinge, welchen Weg ein Photon - mit jeweils 50 Prozent Wahrscheinlichkeit - nehmen würde. Dank der teilweise polarisierenden Eigenschaften der Halbspiegelprismen hängt der Weg demgegenüber aber tatsächlich entscheidend von der jeweils spezifischen Polarisation des Lichtstrahls ab. Wenn dann 2.) von den Experimentatoren noch für sich reklamiert wird, daß hierbei sogar eine praktisch wechselwirkungsfreie Messung möglich sei, sollten sie dieses auch beweisen, statt lediglich mit der Unteilbarkeit von Photonen zu argumentieren.

Wenn nun bei einer Messung mit einem blockierten Zweig des "Mach-Zehnder-Interferometers" das "andere", sonst dunkle Photometer anspricht, könnte eine einfache Koinzidenzmessung mit einem zweiten Photometer an Stelle des Hindernisses unmittelbar darüber Auskunft geben, ob "Photonen" wirklich unteilbar sind, oder eben nicht.

Um schließlich noch einmal den Schritt von den atomaren zu den astronomischen Dimensionen zu tun: Sollen die "Naturgesetze" überall in gleicher Weise gelten? Die Antwort auf die ziemlich suggestiv gestellte Frage hängt davon ab, was man denn unter Naturgesetzen verstehen will. Wenn dies allgemeine (kern-)mechanische Prinzipien sein sollen, dann ja, wenn es aber um algebraische mathematische Gleichungen und Naturkonstanten geht, wie z. B. bei der Gravitation, wohl eher nein.

Dehnt sich das Universum immer weiter aus? Höchstwahrscheinlich ja, was aber nicht unbedingt schon für einen "Urknall" spricht. Eine neue "Steady-State"-Variante könnte etwa so aussehen, daß die Elementarteilchen, insbesondere Hadronen nicht einfach nur paarweise erzeugt werden können, wobei ihr Energieinhalt äquivalent ist zur Annihilationsenergie.

Wenn demgegenüber auf irgendeine Weise im Universum tatsächlich vor allem Protonen ohne eine äquivalente Menge von Antiprotonen entstanden wären, repräsentierten diese eben nicht einen ihrer Masse entsprechenden nutzbaren Energiegehalt, sondern womöglich das Gegenteil: daß u. U. nämlich in dem unbekannten Prozeß, bei dem lediglich die Summe der Ladung gleich Null geblieben, aber sonst nur "energetischer Müll" erzeugt worden wäre, sogar Energie - etwa in Form von Strahlung - freigesetzt worden sein könnte. Literatur/Quellen <1> Schulte, Gerd: "Kernmechanisches Verfahren", DE 44 47 426

<2> Sietmann, Richard: "Stetig oder sprunghaft?" Sendemanuskript, 11. 2. 1988 SFB-I, 21:10-22:30

<3> Feyerabend, Prof. Dr. Paul: "Eigenart und Wandlungen physikalischer Erkenntnis" Funkuniversität, 22. 9. 1963 RIAS I, 22:00-22:30

<4> Keller, Cornelius: "Atomkerne und magische Zahlen", Bild der Wissenschaft, 1/74, S. 44-51

<5> Bergmann-Schäfer: Lehrbuch "Experimental-Physik" IV/2, S. 1212, Abb. VIII.33

<6> Kwiat, P, Weinfurter und Zeilinger: "Wechselwirkungsfreie Quantenmessung", Spektrum der Wissenschaft 1/97, S. 42-49.

Zeichnungen

Die Fig. 1 zeigt perspektivisch das Zusammenkoppeln zweier Be-8-Kernringe zum O-16-Nuklid, die Fig. 2 schematisch die Nuklide nächst der "magischen" O-16-Kugelschale, die Fig. 3 symbolisch vereinfacht eine Übersichtstafel der wichtigsten Nuklide von H-1 bis Ca-40, während die Fig. 4 schematisch die Anordnung der Dipolmomente der einzelnen Nukleonen und die daraus resultierende Berechnung der Dipolmomente bekannter Kerne und die Meßergebnisse im Detail aufführt.


Anspruch[de]
  1. 1. Kernmechanisches Modell, welches basierend auf einfachen geometrischen Grundannahmen die direkte Ableitung wichtiger kern- und atomphysikalischer Parameter, insbesondere der magnetischen Dipolmomente und der gerichteten chemischen Bindungen gestattet, wobei die praktische Umsetzung vom einfachen Perlenmodell über eine aktive oder passive zwei- oder dreidimensionale elektromagnetische Simulation der Nukleonen-Momente bis zur exakten Computer-Simulation der Kerne, Atome und Moleküle und ihrer Bindungen reicht dadurch gekennzeichnet, daß jeweils zwei Protonen oder Neutronen verschiedener Kernringe dieses Modells bei paralleler Ausrichtung ihrer Spinachsen sich gegenseitig teilweise derart durchdringen, daß ihre Gesamtlänge etwa dem Anderthalbfachen und ihr Dipolmoment annähernd dem eines einzigen Nukleons entspricht, Fig. 1.
  2. 2. Kernmechanisches Modell nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Protonen und Neutronen innerhalb des Modells gleichberechtigt sind.
  3. 3. Kernmechanisches Modell nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß sich bis zu drei gleichartige Nukleonen mit parallelem Spin zusammenschließen können und daß deren Gesamt-Dipolmoment bei Neutronen dann absolut 1,913 + 0,3 MK und bei Protonen 2,793+0,5 MK und der resultierende Kernspin beidesmal jeweils 1/2 beträgt.






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