Nukleon – einfach erklärt

Begriff und Bedeutung

Nukleonen sind die beiden Teilchenarten, aus denen Atomkerne bestehen: Protonen und Neutronen. Die Anzahl der Nukleonen in einem Atomkern heißt Massenzahl. Sie dient zusammen mit der Ordnungszahl zur genauen Bezeichnung eines Nuklids, also einer bestimmten Atomart. Die Ordnungszahl gibt die Anzahl der Protonen im Kern an. Beispiele für solche Bezeichnungen sind Sauerstoff-16 und Eisen-56.

Proton und Neutron als Zustände

Die starke Wechselwirkung, die an Atomkernen beobachtet wird, macht experimentell keinen Unterschied zwischen Proton und Neutron. Deshalb entwickelte Heisenberg das Konzept, beide Teilchenarten formal als zwei Zustände derselben Teilchenart, des Nukleons, zu betrachten. Die Zustände unterscheiden sich durch eine Quantenzahl, die formal ähnlich wie die Spinquantenzahl für Spin 1/2 erscheint und Isospin heißt. In dieser Betrachtungsweise gelten Proton und Neutron als unterschiedliche Ladungszustände desselben Nukleons.

Definition im Standardmodell

Im Standardmodell des Jahres 2018 sind Nukleonen diejenigen Baryonen, die ausschließlich aus den leichten Up- und Down-Quarks zusammengesetzt sind und den Isospin 1/2 besitzen. Neben Proton und Neutron in ihren Grundzuständen gehören dazu auch angeregte Zustände mit derselben Quarkzusammensetzung. Diese sehr kurzlebigen Teilchen heißen Nukleonenresonanzen. Werden sie als eigene Teilchenarten gezählt und die Ladungszustände nicht unterschieden, gab es laut Particle Data Group mindestens 16 und möglicherweise bis zu 29 Nukleonen (Stand 2015).

Masse und theoretische Berechnung

Die drei Valenzquarks eines Nukleons machen nur etwa 5 Prozent seiner Masse aus. Nach 2018 veröffentlichten Rechnungen der Quantenchromodynamik (QCD), der Theorie der starken Wechselwirkung, tragen die konstituierenden Quarks und die virtuellen Seequarks zusammen rund 9 Prozent zur Masse bei. Rund ein Drittel entsteht durch die Bewegungsenergie der Quarks, unter anderem aufgrund der Unschärferelation, weil die Quarks auf engem Raum eingeschlossen sind. Weitere Beiträge stammen von den Gluonen: etwa 37 Prozent aus einem Feldstärkebeitrag und etwa 23 Prozent aus einem anomalen Gluonenbetrag.

Eine Forschungsgruppe am Forschungszentrum Jülich, die Budapest-Marseille-Wuppertal-Kollaboration, berechnete 2008 die Massen von Proton und Neutron mit der QCD-Gittereichtheorie theoretisch auf 1 bis 2 Prozent genau. Die fehlerkontrollierten Simulationen waren das Ergebnis von mehr als zwei Jahrzehnten Forschung an Supercomputern, an der Gitterformulierung der QCD und an den dafür benötigten Algorithmen.