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Grundwissen

Aufbau von Atomkernen

Das Wichtigste auf einen Blick

  • Atomkerne bestehen aus elektrisch positiven Protonen und elektrische neutralen Neutronen. Protonen und Neutronen sind Nukleonen.
  • Ein chemisches Elemente hat eine feste Protonenzahl \(Z\), kann aber mehrere Isotope mit unterschiedlicher Neutronenzahl \(N\) besitzen.
  • Zur eindeutigen Identifikation von Kernen nutzt man die Schreibweise \[\rm{}^{Nukleonenzahl}_{Protonenzahl}{Elementsymbol}\quad \text{also z.B.}\quad \rm{}^{14}_{6}{C}\]
Aufgaben Aufgaben

Zu Beginn des 20. Jahrhunderts erkannte man beim Beschuss von Atomen mit energiereichen Teilchen (Lenard: Beschuss mit schnellen Elektronen; Rutherford: Beschuss mit energiereichen α-Teilchen), dass Atome keine homogenen Massekugeln sind, sondern eine Kern-Hülle-Struktur besitzen. Zu dieser Zeit waren zwei Elementarteilchen bekannt, das Proton als Kern des Wasserstoffatoms und das Elektron.

Kernaufbau aus Protonen und Neutronen

Protonen und Neutronen sind Nukleonen
Abb. 1 Protonen und Neutronen sind Nukleonen

Rutherford vermutete bereits 1920, dass neben dem Proton im Kern ein weiteres, elektrisch neutrales Teilchen vorliegt, dessen Masse sehr nahe bei der Protonenmasse liegt. 1921 führte W. D. Harkins für dieses hypothetische Teilchen den Namen "Neutron" ein. Erst im Jahre 1932 konnte Chadwick die Neutronen experimentell nachweisen. Mit dem experimentellen Nachweis des Neutrons war man sich sicher, dass der Atomkern aus zwei Sorten von Kernteilchen, sog. Nukleonen bestehen kann: Protonen und Neutronen.

Die Nukleonenzahl \(A\) ist also die Summe aus der Anzahl der Protonen und der Anzahl der Neutronen.

Die Protonenzahl \(Z\) bestimmt das Element

Die Anzahl der Protonen im Atomkern bestimmt, um welches chemische Element es sich bei dem betreffenden Atom handelt. Dabei entspricht die Anzahl der Protonen \(Z\) gerade der Ordnungszahl im Periodensystem der Elemente. Ein einzelnes Proton im Atomkern zeichnet ein Wasserstoffatom aus, zwei Protonen kennzeichnen Helium und Sauerstoff besitzt acht Protonen, also gilt hier \(Z=8\). Beim neutralen Atom stimmt jeweils die Elektronenzahl in der Atomhülle mit der Kernladungszahl überein. ein neutrales Sauerstoffatom besitzt entsprechend acht Elektronen in der Atomhülle.

Isotope haben unterschiedliche Neutronenzahl

Die Anzahl der Neutronen im Atomkern eines Elementes kann hingegen variieren. So hat zwar Wasserstoff typischerweise kein Neutron, es existieren aber auch sogenannte Isotope des Wasserstoffatoms mit einem bzw. zwei Neutronen im Atomkern. Diese beiden Isotop des Wasserstoffs haben sogar eigene Namen: Ein Deuteriumkern besteht aus einem Proton und einem Neutron, ein Tritiumkern aus einem Proton und zwei Neutronen.

Kerne der Wasserstoffisotope und von Helium
Abb. 2 Atomkerne der Wasserstoffisotope und von Helium

Für die Bindung der Elektronen an einen Atomkern sind die Protonen maßgeblich, daher ist die Elektronenhülle von Isotopen nahezu identisch. Dies hat zur Folge, dass man Isotope mit einfachen chemischen Mitteln nicht zu unterscheiden kann, da chemische Reaktionen im Wesentlichen von der Atomhülle  bestimmt werden.

Schreibweise zur eindeutigen Identifikation von Atomkernen

Zur einfachen und eindeutigen Beschreibung des Atomkerns eines Elements \(\rm{X}\) mit seiner Ordnungszahl \(Z\) und seiner Nukleonenzahl \(A\) wird die folgende Darstellung genutzt: \[\rm{}^{A}_{Z}{X}\]

Dabei ist \(\rm{X}\) das Elementsymbol, \(Z\) die Protonenzahl und \(A\) die Nukleonenzahl des Atomkerns.

Aus der Differenz von Nukleonenzahl \(A\) und Protonenzahl \(Z\) ergibt sich die Neutronenzahl \(N: \quad N=A-Z\)

Beispiel

\(\rm{}^{14}_{6}{C}\) besagt: Es handelt sich um Kohlenstoff mit der Kernladungszahl \(\rm Z=6\), der Nukleonenzahl \(\rm A=14\) und der Neutronenzahl \(\rm N=14-6=8\).

Kurzschreibweisen

Da die Information über die Ordnungszahl bereits im chemischen Symbol \(\rm{X}\) steckt, benutzt man gelegentlich auch die Schreibweisen \(\rm{}^{14}_{}{C}\) bzw. \(\text{C-14}\) um einen Atomkern zu beschreiben.

Quarks und weitere "Elementarteilchen"

Experimente mit großen Teilchenbeschleunigern zeigten, dass Protonen und Neutronen jeweils aus drei noch kleineren Teilchen aufgebaut sind - sogenannten Quarks. Dabei besteht ein Proton aus zwei Up-Quarks und einem Down-Quark, während ein Neutron aus zwei Down-Quarks und einem Up-Quark besteht.

Neben Up- und Down-Quark  gibt es im Standardmodell der Teilchenphysik noch eine Reihe weiterer Elementarteilchen. Die entsprechenden Klassifizierungen und Bezeichnungen basieren auf Ideen des  amerikanischen Physikers Murray GELL-MANN aus dem Jahre 1965, der mit seinem Modell Ordnung in den"Teilchenzoo" brachte.

Aufgabe

Markiere alle zutreffenden Aussagen über das Atom mit der Bezeichnung \(\rm{}^{17}_{35}{Cl}\).

Lösungsvorschläge

Lösung

Beim Atom mit der Bezeichnung \(\rm{}^{17}_{35}{Cl}\) handelt sich um ein Chlor-Atom mit \(A=35\) Nukleonen und \(Z=17\) Protonen.

Die Neutronenzahl \(N\) ergibt sich aus \(N=A-Z\Rightarrow N=35-17=18\). Das Atom besitzt also 18 Neutronen. 

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