Kern-/Teilchenphysik

Kernphysik - Grundlagen

Kennzahlen von Kernen

  • Wie sind Atomkerne aufgebaut?
  • Welche Kraft hält Atomkerne zusammen?
  • Warum können Atomkerne zerfallen?
  • Was sind Isotope?

Kennzahlen von Kernen

Kernladungszahl und Massezahl

Der Kern eines Atoms besteht aus den positiv geladenen Protonen und den ungeladenen Neutronen. Die Masse von Proton und Neutron ist ungefähr gleich. Ihre Masse ist jeweils etwa 1800-mal so groß wie die eines Elektrons der Hülle.

Teilchen
Masse
Ladung
Durchmesser
Proton
1,6727·10-27 kg ≈ u
+1,6022·10-19As = +e
ca. 1·10-15 m
Neutron
1,6750·10-27 kg ≈ u
---
ca. 1·10-15 m
Elektron
9,109·10-31 kg
-1,6022·10-19As = -e
< 1·10-18 m

u: Atomare Masseneinheit (-unit); u = 1,6605·10-27 kg

Kernladungszahl Z:

  • Die Zahl der Protonen in einem Kern bestimmt die Kernladungszahl Z.
  • Beim neutralen Atom stimmt die Elektronenzahl in der Hülle mit der Kernladungszahl überein.
  • Die Struktur der Atomhülle (wesentlich bestimmt durch die Elektronenzahl) bestimmt das chemische Verhalten eines Atoms.
  • Weiß man die Kernladungszahl eines Atoms, so liegt damit auch der Name des Elements fest und umgekehrt.
  • Die Kernladungszahl eines Elements kann in einer Periodentafel nachgeschlagen werden. Ein Periodentafel findest du z.B. bei Wikipedia unter der Adresse: http://de.wikipedia.org/wiki/Periodensystem

Massezahl A:

  • Die Summe aus Protonenzahl Z und Neutronenzahl N ergibt die Massezahl A.

\[ A = Z + N \]

  • Will man die Masse eines Atoms ungefähr bestimmen, so muss man nur die Massezahl A mit der atomaren Masseneinheit u multiplizieren:

\[ m_{atom} \approx A \cdot u \]

Isotope:
Kerne mit gleicher Protonenzahl Z aber verschiedener Massezahl A (und damit verschiedener Neutronenzahl N) bezeichnet man als Isotope. Aufgrund der gleichartigen Hüllenstruktur (beim neutralen Atom gilt: Protonenzahl = Elektronenzahl) sind Isotope chemisch nicht zu unterscheiden.

Elementschreibweise:
Ein Element X mit der Kernladungszahl Z und der Massezahl A wird weltweit einheitlich in folgender Form geschrieben:

Elementsymbol:

\[ \mathrm{^{A\!}_{Z\!}X} \]

Die N-Z-Karte (Nuklidkarte)

1 Aufbau einiger leichter stabiler Atome, ihre Elementschreibweise und ihre Anordnung der Nuklidkarte

In der nebenstehenden Animation werden dir der Aufbau einiger leichter stabiler Atome, ihre Elementschreibweise und ihre Anordnung einer N-Z-Karte dargestellt. In ihr können die verschiedensten Atome übersichtlich angeordnet werden. Ausführliche Karten, in denen nicht nur stabile Kerne dargestellt sind (Nuklidkarten) findest du im Internet oder bei Leifi.

Man sieht, dass bei Atomen mit nicht zu großer Massezahl A die Zahl der Neutronen N und der Protonen Z etwa gleich groß ist. Man erkennt dies auch daran, dass sich die Atome in der Karte längs der Winkelhalbierenden im N-Z-System anordnen.

Die zum Schluss eingeblendete Karte zeigt alle stabilen Atome im N-Z-System als schwarze Punkte. Die Linie der stabilen Kern weicht bei größerem Z von der Winkelhalbierenden ab, die Neutronenzahl überwiegt die Protonenzahl (vgl. hierzu auch die entsprechende Musteraufgabe).

Hinweis: Die Kernladungszahl Z wird häufig auch als Ordnungszahl bezeichnet. Der Name Ordnungszahl wird verständlich, wenn man weiß dass die Chemiker die verschiedenen Elemente nach ihrer Protonenzahl anordnen.

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