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Grundwissen

Aufbau von Atomkernen

Das Wichtigste auf einen Blick

  • Atomkerne bestehen aus Nukleonen. Dies sind entweder die elektrisch positiven Protonen und elektrische neutralen Neutronen.
  • Die Kernladungs- oder Ordnungszahl \(Z\) gibt die Zahl der Protonen in einem Atomkern an und bestimmt, um welches Element es sich handelt.
  • Jedes Element hat seine feste Kernladungszahl \(Z\), kann aber mehrere Isotope mit unterschiedlicher Neutronenzahlen \(N\) besitzen.
  • Die Nukleonen- oder Massenzahl \(A=Z+N\) gibt die (ungefähre) Masse eines Atomkerns bzw. des ganzen Atoms in der Maßeinheit \(\rm{u}\) an.
  • Zur eindeutigen Identifikation von Atomkernen nutzt man die Schreibweise\[_Z^A X \overset{\wedge}{=} \ _{\rm{Orndnungszahl}}^{\rm{Massenzahl}} \text{Elementsymbol also z.B } _6^{14} \rm{C}\]
Aufgaben Aufgaben

Aufbau von Atomkernen aus Protonen und Neutronen

Abb. 1 Protonen und Neutronen bezeichnet man als Nukleonen

Zu Beginn des 20. Jahrhunderts erkannten die Physiker beim Beschuss von Atomen mit energiereichen TeilchenPhilipp LENARD (1862 - 1947): Beschuss mit schnellen Elektronen; Ernest RUTHERFORD (1871 - 1937): Beschuss mit energiereichen \(\alpha\)-Teilchen), dass Atome keine homogenen Massekugeln sind, sondern eine Struktur aus einem positiv geladenen Atomkern und einer negativ geladenen Atomhülle besitzen. 1919 entdeckte RUTHERFORD, dass im Atomkern des Stickstoffs Atomkerne des Wasserstoffs vorhanden sind. Er nahm daraufhin an, dass alle Atomkerne aus Wasserstoffkernen aufgebaut sind und schlug für diese den Namen Proton vor.

RUTHERFORD vermutete bereits 1920, dass sich in Atomkernen neben den Protonen noch eine weitere Sorte von Teilchen befindet, die elektrisch neutral ist und deren Masse sehr nahe bei der Protonenmasse liegt. 1921 führte William Draper HARKINS (1873 - 1951) für dieses hypothetische Teilchen den Namen Neutron ein. Erst im Jahre 1932 konnte James CHADWICK (1891 - 1974) die Neutronen experimentell nachweisen. Damit war man sich sicher, dass Atomkerne aus zwei Sorten von Kernbausteinen bestehen, nämlich  Protonen und Neutronen.

Protonen und Neutronen als die Bausteine von Atomkernen bezeichnet man zusammenfassend als Nukleonen.

Masse, Ladung und Durchmesser von Proton und Neutron

Die Masse von Proton und Neutron ist ungefähr gleich, aber jeweils etwa \(1800\) Mal so groß wie die eines Elektrons der Hülle.

Tab. 1 Masse, Ladung und Durchmesser von Proton und Neutron im Vergleich zum Elektron
Teilchen Masse Ladung Durchmesser
Proton \({1{,}6727\cdot10^{-27}\,\rm{kg}}\approx {1\cdot \rm{u}}\) \({+1{,}6022\cdot 10^{-19}\,\rm{As}}=+e\) \(\text{ca. }1\cdot10^{-15}\,\rm{m}\)
Neutron \({1{,}6750\cdot10^{-27}\,\rm{kg}}\approx {1\cdot \rm{u}}\) ungeladen \(\text{ca. }1\cdot10^{-15}\,\rm{m}\)
Elektron \(9{,}109\cdot 10^{-31}\,\rm{kg}\approx {0{,}00005\cdot \rm{u}}\) \({-1{,}6022\cdot 10^{-19}\,\rm{As}}=-e\) \(< 1\cdot 10^{-18}\,\rm{m}\)

Für die Angabe von Kernmassen wird anstelle von Angaben in \(\rm{kg}\) oft die atomare Masseneinheit \(\rm{u}\) genutzt. \(1\,\rm{u}\) ist dabei ein Zwölftel der Masse eines C-12 Atoms und es gilt\[1\,\rm{u}=1{,}660539 \cdot {10^{ - 27}}\,\rm{kg}\]

Die Protonenzahl \(Z\) bestimmt das Element

Die Anzahl der Protonen in einem Atomkern bezeichnet man mit \(Z\) und nennt diese Zahl Kernladungszahl oder Ordnungszahl.

Die Kernladungszahl \(Z\) bestimmt

  • wie viele Protonen sich im Atomkern befinden
  • wie die Ladung des Atomkerns ist: \(q_{\rm{Atomkern}}=Z \cdot e\)
  • wie viele Elektronen sich in der Atomhülle des neutralen Atoms befinden
  • um welches chemische Element es sich bei dem betreffenden Atom handelt
  • die Ordnungszahl im Periodensystem der Elemente

Ein einzelnes Proton im Atomkern (\(Z=1\)) zeichnet ein Wasserstoffatom aus, zwei Protonen (\(Z=2\)) kennzeichnen Helium und Sauerstoff besitzt acht Protonen, also gilt hier \(Z=8\).

Weißt du die Kernladungszahl eines Atoms, so kannst du den Namen des Elements im Periodensystem nachschlagen und umgekehrt.

Bei fester Protonenzahl \(Z\) bestimmt die Neutronenzahl \(N\) das Isotop

Die Anzahl der Neutronen in einem Atomkern bezeichnet man mit \(N\) und nennt diese Zahl Neutronenzahl.

Joachim Herz Stiftung
Abb. 2 Atomkerne der Wasserstoffisotope und von Helium

Die Anzahl der Neutronen im Atomkern eines Elementes kann 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 Isotope des Wasserstoffs haben sogar eigene Namen: Ein Deuteriumkern besteht aus einem Proton und einem Neutron, ein Tritiumkern aus einem Proton und zwei Neutronen.

Für die Bindung der Elektronen an einen Atomkern sind die Protonen maßgeblich, daher ist die Elektronenhülle von Isotopen nahezu identisch. Da chemische Reaktionen im Wesentlichen von der Atomhülle  bestimmt werden, kann man verschiedene Isotope eines Elements mit einfachen chemischen Mitteln nicht unterscheiden.

Die Kombination aus Protonenzahl \(Z\) und Neutronenzahl \(N\) bestimmt das Nuklid

Jeder Atomkern besteht also aus einer bestimmten Anzahl von Protonen und einer bestimmten Anzahl von Neutronen. Die dadurch möglichen verschiedenen Arten von Atomen bezeichnet man als Nuklide. Ein Nuklid ist also eine Art (Sorte) von Atomen, charakterisiert durch die beiden Zahlen \(Z\) und \(N\), die angeben, aus wie vielen Protonen (\(Z\)) und wie vielen Neutronen (\(N\)) ihre Atomkerne bestehen. Es kommt also auf die Kombination von Protonen und Neutronen und nicht auf die Gesamtzahl der Nukleonen an, zu welchem Nuklid ein Atom gehört.

Die Massenzahl \(A=Z+N\) bestimmt ungefähr die Kernmasse \(m_{\rm{K}}\) bzw. die Atommasse \(m_{\rm{A}}\)

Die Summe aus Protonen- und Neutronenzahl in einem Atomkern bezeichnet man mit \(A\) und nennt diese Zahl Nukleonenzahl oder Massenzahl. Es gilt also\[A=Z+N\]Die Massenzahl \(A\) bestimmt ungefähr die Kernmasse \(m_{\rm{K}}\) und die Atommasse \(m_{\rm{A}}\). Es gilt\[{m_{\rm{K}}} \approx {m_{\rm{A}}} \approx A \cdot 1\,\rm{u}\quad {\rm{mit}} \quad 1\,\rm{u} = 1{,}660\,539 \cdot 10^{-27}\,\rm{kg}\]

Hinweis

Genauere Untersuchungen liefern aufgrund der Bindungsenergien der Nukleonen andere Kernmassen und aufgrund der zwar sehr geringen, aber dennoch messbaren Masse der Elektronen und deren Bindungsenergieen auch andere Atommassen.

Schreibweise zur eindeutigen Identifikation von Atomkernen

Zur einfachen und eindeutigen Beschreibung des Atomkerns eines Elements \(\rm{X}\) mit seiner Ordnungszahl \(Z\) und seiner Massenzahl \(A\) wird die folgende Darstellung genutzt:\[_Z^A{\rm{X }} \buildrel \wedge \over = \;_{{\rm{Ordnungszahl}}}^{{\rm{Massenzahl}}}{\rm{Elementsymbol}},\;{\text{also z.B}}.\;_{\rm{6}}^{{\rm{14}}}{\rm{C}}\]

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

Aus der Differenz von Massenzahl \(A\) und Ordnungszahl \(Z\) ergibt sich die Neutronenzahl \(N\): \(N=A-Z\)

Beispiel

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

Kurzschreibweisen

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

Aufgabe

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

Lösungsvorschläge

Lösung

Beim Atom mit der Bezeichnung \(\rm{}^{35}_{17}{Cl}\) 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.