Atomkern

Stell dir vor, du könntest ein Atom auf die Größe eines Fußballstadions aufblasen. Der Atomkern wäre dann nur so groß wie eine Erbse auf dem Anstoßpunkt — und trotzdem steckt in dieser Erbse fast die gesamte Masse des Stadions. In diesem Artikel lernst du, woraus der Atomkern besteht, warum er über das chemische Element entscheidet und was Isotope sind. Danach kannst du zu jedem Element im Periodensystem den Kernaufbau bestimmen.

Was ist der Atomkern?

Jedes Atom besteht aus zwei Bereichen: dem Atomkern in der Mitte und der Atomhülle (auch Elektronenhülle) drumherum. Der Atomkern ist der innerste, positiv geladene Teil des Atoms. In der Hülle bewegen sich die negativ geladenen Elektronen.

Zwei Zahlen machen den Kern so besonders:

• Winzig klein: Der Kerndurchmesser ist etwa 20.000- bis 150.000-mal kleiner als der Durchmesser des ganzen Atoms.
• Extrem schwer: Trotzdem steckt im Kern mehr als \(99{,}9\,\%\) der Masse des Atoms. Die Hülle mit ihren Elektronen ist dagegen fast masselos.

Das Atom ist also vor allem — leerer Raum. Fast die ganze Materie um dich herum konzentriert sich in winzigen, superdichten Kernen.

Merke: Der Atomkern ist winzig klein, positiv geladen und trägt fast die gesamte Masse des Atoms.

Woraus besteht der Atomkern?

Der Atomkern ist aus zwei Teilchensorten aufgebaut, die man zusammen Nukleonen (Kernteilchen) nennt:

Teilchen	Ladung	Masse (ungefähr)	Ort
Proton \(p^+\)	positiv (\(+1\))	\(1\,\text{u}\)	Kern
Neutron \(n\)	neutral (\(0\))	\(1\,\text{u}\)	Kern
Elektron \(e^-\)	negativ (\(-1\))	ca. \(\frac{1}{2000}\,\text{u}\)	Hülle

Die Einheit \(\text{u}\) ist die atomare Masseneinheit — praktisch, weil Proton und Neutron jeweils fast genau \(1\,\text{u}\) wiegen. An der Tabelle siehst du sofort, warum die Masse im Kern sitzt: Ein einzelnes Proton ist rund 2000-mal schwerer als ein Elektron.

Es gibt eine einzige Ausnahme ohne Neutron: Der Kern des normalen Wasserstoffatoms besteht nur aus einem einzigen Proton.

Tipp: Eselsbrücke für die Ladungen: Proton = plus, Neutron = neutral, Elektron = das Übrige, also minus.

Kernladungszahl und Massenzahl

Um einen Atomkern genau zu beschreiben, brauchst du zwei Zahlen:

• Die Kernladungszahl \(Z\) gibt die Anzahl der Protonen im Kern an. Sie heißt auch Ordnungszahl, denn nach ihr sind die Elemente im Periodensystem durchnummeriert.
• Die Massenzahl \(A\) gibt die Gesamtzahl der Nukleonen an, also Protonen plus Neutronen:

Dabei ist \(N\) die Neutronenzahl. Wenn du \(A\) und \(Z\) kennst, rechnest du die Neutronenzahl einfach aus: \(N = A - Z\).

In der Chemie schreibt man das kompakt als Nuklidschreibweise: Die Massenzahl steht oben links, die Ordnungszahl unten links am Elementsymbol, zum Beispiel \(^{23}_{11}\text{Na}\).

Beispiel: Wie ist der Kern von \(^{23}_{11}\text{Na}\) (Natrium) aufgebaut?

1. Unten steht die Ordnungszahl: \(Z = 11\), also 11 Protonen.
2. Oben steht die Massenzahl: \(A = 23\), also insgesamt 23 Nukleonen.
3. Neutronenzahl: \(N = A - Z = 23 - 11 = 12\), also 12 Neutronen.

Der Natriumkern besteht demnach aus 11 Protonen und 12 Neutronen. Ein neutrales Natriumatom hat außerdem 11 Elektronen in der Hülle — genauso viele wie Protonen, damit sich die Ladungen ausgleichen.

Merke: \(Z\) zählt die Protonen, \(A\) zählt alle Nukleonen. Neutronen = \(A - Z\).

Der Kern bestimmt das Element

Warum ist die Protonenzahl so wichtig? Weil sie festlegt, welches Element vorliegt. Jedes Atom mit genau 6 Protonen ist Kohlenstoff, jedes mit 8 Protonen Sauerstoff, jedes mit 79 Protonen Gold — ohne Ausnahme.

Die positive Kernladung zieht die negativen Elektronen an. Ein neutrales Atom hat deshalb genauso viele Elektronen in der Hülle wie Protonen im Kern. Und weil die Elektronenhülle das chemische Verhalten eines Atoms bestimmt (etwa welche Verbindungen es eingeht), legt der Kern über seine Protonenzahl indirekt auch die chemischen Eigenschaften fest.

Beispiel: Ein Atom hat 17 Protonen. Ein Blick ins Periodensystem: Ordnungszahl 17 ist Chlor. Das neutrale Atom hat also 17 Elektronen, und es zeigt die typischen chemischen Eigenschaften von Chlor — egal, wie viele Neutronen im Kern stecken.

Isotope — gleiches Element, verschiedene Kerne

Die Neutronenzahl darf beim selben Element unterschiedlich sein. Atome mit gleicher Protonenzahl, aber verschiedener Neutronenzahl nennt man Isotope desselben Elements.

Beispiel: Die drei Wasserstoff-Isotope:

Isotop	Protonen	Neutronen	Massenzahl \(A\)
\(^{1}_{1}\text{H}\) (Wasserstoff)	1	0	1
\(^{2}_{1}\text{H}\) (Deuterium)	1	1	2
\(^{3}_{1}\text{H}\) (Tritium)	1	2	3

Alle drei sind Wasserstoff, denn alle haben genau 1 Proton. Sie unterscheiden sich nur in der Masse. Chemisch verhalten sich Isotope fast identisch, weil die Elektronenhülle bei allen gleich aufgebaut ist.

Ein bekanntes weiteres Beispiel ist Kohlenstoff: \(^{12}\text{C}\) (6 Protonen, 6 Neutronen) ist das häufigste Isotop, das seltene \(^{14}\text{C}\) (6 Protonen, 8 Neutronen) nutzt man zur Altersbestimmung archäologischer Funde.

Merke: Isotope = gleiche Protonenzahl, verschiedene Neutronenzahl. Die Protonenzahl macht das Element, die Neutronenzahl macht nur die Masse.

Was hält den Kern zusammen?

Hier steckt ein Rätsel: Protonen sind alle positiv geladen, und gleiche Ladungen stoßen sich ab (elektrische Abstoßung, auch Coulombkraft genannt). Warum fliegt der Kern nicht auseinander?

Die Antwort ist die Kernkraft (auch starke Kernkraft): eine sehr starke Anziehungskraft, die zwischen allen Nukleonen wirkt — zwischen Protonen und Neutronen gleichermaßen. Sie ist deutlich stärker als die elektrische Abstoßung, hat aber nur eine extrem kurze Reichweite von etwa einem Nukleonendurchmesser. Nur direkte Nachbarn im Kern ziehen sich an.

Die Neutronen spielen dabei eine wichtige Rolle: Sie bringen zusätzliche anziehende Kernkraft mit, ohne die elektrische Abstoßung zu vergrößern — sie wirken wie „Kitt" zwischen den Protonen. Große Kerne brauchen deshalb mehr Neutronen als Protonen. Bei sehr großen Kernen reicht selbst das nicht mehr: Ab der Ordnungszahl 83 gibt es keine stabilen Kerne mehr. Solche instabilen Kerne wandeln sich von selbst um und senden dabei Strahlung aus — dieses Verhalten nennt man Radioaktivität.

Woher wissen wir das? Der Rutherford-Versuch

Dass Atome überhaupt einen Kern haben, entdeckte Ernest Rutherford im Jahr 1911. Sein Team beschoss eine hauchdünne Goldfolie mit winzigen, positiv geladenen Teilchen (Alpha-Teilchen) und beobachtete, wohin sie flogen:

• Fast alle Teilchen flogen ungehindert durch die Folie hindurch.
• Sehr wenige wurden stark abgelenkt oder prallten sogar zurück.

Rutherfords Schlussfolgerung: Das Atom ist größtenteils leer — sonst wären nicht fast alle Teilchen durchgeflogen. Aber es muss ein winziges, schweres, positiv geladenes Zentrum geben, an dem die wenigen Teilchen abprallten: den Atomkern. So entstand das Kern-Hülle-Modell des Atoms, mit dem wir bis heute im Chemieunterricht arbeiten.

Zusammenfassung

• Das Atom besteht aus einem winzigen, positiv geladenen Atomkern und der Atomhülle mit den Elektronen; der Kern trägt über \(99{,}9\,\%\) der Atommasse.
• Der Kern enthält Protonen (positiv, \(1\,\text{u}\)) und Neutronen (neutral, \(1\,\text{u}\)) — zusammen heißen sie Nukleonen.
• Kernladungszahl \(Z\) = Protonenzahl = Ordnungszahl im Periodensystem; Massenzahl \(A = Z + N\); Neutronenzahl \(N = A - Z\).
• Die Protonenzahl bestimmt das Element und (über die Elektronen) seine chemischen Eigenschaften.
• Isotope sind Atome desselben Elements mit unterschiedlicher Neutronenzahl, z. B. \(^{1}\text{H}\), \(^{2}\text{H}\) und \(^{3}\text{H}\).
• Die Kernkraft hält die Nukleonen trotz der elektrischen Abstoßung der Protonen zusammen; instabile Kerne sind radioaktiv.
• Rutherford wies 1911 mit dem Goldfolien-Versuch nach, dass Atome einen winzigen, massiven Kern besitzen.

Interaktiv üben

Deine Lernziele

• Ich kann beschreiben, wo der Atomkern sitzt und welche Ladung er trägt.
• Ich kann Protonen, Neutronen und Elektronen nach Ladung, Masse und Ort unterscheiden.
• Ich kann aus Massenzahl und Ordnungszahl die Neutronenzahl eines Kerns berechnen.
• Ich kann erklären, was Isotope sind, und Beispiele nennen.
• Ich kann erklären, warum der Kern trotz der Abstoßung der Protonen zusammenhält.
• Ich kann den Rutherford-Versuch und seine Schlussfolgerung wiedergeben.

Kern und Hülle

Erbse im Fußballstadion: So winzig ist der Atomkern im Vergleich zum ganzen Atom — und trotzdem steckt fast die gesamte Masse in ihm. Hier wiederholst du kurz, wie das Atom grundsätzlich aufgebaut ist.

Definition

Atomkern und Atomhülle

Jedes Atom besteht aus zwei Bereichen: dem Atomkern im Zentrum und der Atomhülle außen. Der Kern ist positiv geladen und trägt über \(99{,}9\,\%\) der Atommasse, ist aber 20.000- bis 150.000-mal kleiner als das ganze Atom. In der Hülle bewegen sich die negativ geladenen Elektronen.

Beispiel

Ein Atom hat einen Durchmesser von etwa \(10^{-10}\,\text{m}\), sein Kern nur etwa \(10^{-15}\,\text{m}\) bis \(10^{-14}\,\text{m}\). Vergrößert man das Atom auf Stadiongröße (ca. 200 m), wird der Kern gerade einmal so groß wie eine Erbse — alles andere ist leerer Raum mit ein paar Elektronen darin.

Merke

Der Atomkern ist winzig, positiv geladen und trägt fast die gesamte Masse des Atoms.

Protonen und Neutronen

Der Kern selbst ist kein einheitlicher Klumpen, sondern besteht aus zwei Teilchensorten. Zusammen mit den Elektronen der Hülle sind das die drei Bausteine, aus denen alle Stoffe um dich herum aufgebaut sind.

Definition

Nukleonen

Nukleonen sind die Kernteilchen: Protonen (Ladung \(+1\), Masse ca. \(1\,\text{u}\)) und Neutronen (Ladung \(0\), Masse ca. \(1\,\text{u}\)). Die Elektronen der Hülle sind negativ geladen und mit ca. \(\frac{1}{2000}\,\text{u}\) fast masselos.

Beispiel

Ein Heliumkern besteht aus 2 Protonen und 2 Neutronen. Seine Masse beträgt also etwa \(2 \cdot 1\,\text{u} + 2 \cdot 1\,\text{u} = 4\,\text{u}\). Die 2 Elektronen der Hülle tragen zusammen nur etwa \(\frac{2}{2000}\,\text{u} = 0{,}001\,\text{u}\) bei — praktisch nichts.

Merke

Eselsbrücke: Proton = plus, Neutron = neutral — und das Elektron ist das Übrige, also minus.

Kernladungszahl und Massenzahl

Mit nur zwei Zahlen kannst du jeden Atomkern vollständig beschreiben — und beide findest du direkt am Elementsymbol in der Nuklidschreibweise, z. B. \(^{23}_{11}\text{Na}\).

Definition

Kernladungszahl und Massenzahl

Die Kernladungszahl \(Z\) (= Ordnungszahl) zählt die Protonen im Kern. Die Massenzahl \(A\) zählt alle Nukleonen: \(A = Z + N\). Die Neutronenzahl ergibt sich daraus als \(N = A - Z\). Schreibweise: Massenzahl oben links, Ordnungszahl unten links am Elementsymbol.

Beispiel

Wie ist der Kern von \(^{27}_{13}\text{Al}\) (Aluminium) aufgebaut? Schritt 1: \(Z = 13\) → 13 Protonen. Schritt 2: \(A = 27\) → insgesamt 27 Nukleonen. Schritt 3: \(N = A - Z = 27 - 13 = 14\) → 14 Neutronen. Das neutrale Aluminiumatom hat außerdem 13 Elektronen — genauso viele wie Protonen.

Merke

Oben steht die Masse, unten das Element: \(A\) zählt alle Nukleonen, \(Z\) nur die Protonen. Neutronen = \(A - Z\).

Isotope

Die Protonenzahl eines Elements ist festgelegt — aber bei den Neutronen hat die Natur Spielraum. So entstehen verschiedene „Versionen" desselben Elements.

Definition

Isotope

Isotope sind Atome desselben Elements mit gleicher Protonenzahl, aber unterschiedlicher Neutronenzahl. Sie haben verschiedene Massenzahlen, verhalten sich chemisch aber fast identisch, weil ihre Elektronenhülle gleich aufgebaut ist.

Beispiel

Wasserstoff hat drei Isotope, alle mit genau 1 Proton: \(^{1}\text{H}\) (0 Neutronen), \(^{2}\text{H}\) Deuterium (1 Neutron), \(^{3}\text{H}\) Tritium (2 Neutronen). Rechnung für Tritium: \(N = A - Z = 3 - 1 = 2\). Alle drei sind Wasserstoff — nur die Masse unterscheidet sich.

Gut zu wissen

Das Kohlenstoff-Isotop \(^{14}\text{C}\) ist instabil und zerfällt langsam. Archäologen nutzen das: Aus dem restlichen \(^{14}\text{C}\)-Anteil in einem Fund lässt sich berechnen, wie alt er ist — die berühmte Radiokarbonmethode.

Kernkraft und Rutherford

Positive Ladungen stoßen sich ab — warum zerplatzt der Kern dann nicht? Und woher wissen wir überhaupt, dass es ihn gibt? Zwei Fragen, zwei berühmte Antworten.

Definition

Kernkraft

Die Kernkraft ist eine sehr starke Anziehungskraft zwischen allen Nukleonen. Sie ist stärker als die elektrische Abstoßung (Coulombkraft) der Protonen, wirkt aber nur über extrem kurze Distanz — etwa einen Nukleonendurchmesser.

Beispiel

Vergleiche zwei stabile Kerne: \(^{16}_{8}\text{O}\) hat 8 Protonen und \(16 - 8 = 8\) Neutronen — Verhältnis 1:1. Der schwere Kern \(^{208}_{82}\text{Pb}\) (Blei) hat 82 Protonen und \(208 - 82 = 126\) Neutronen — deutlich mehr Neutronen als Protonen. Der Neutronenüberschuss liefert zusätzliche Kernkraft und hält den großen Kern trotz der starken Protonen-Abstoßung stabil.

Merke

Neutronen wirken wie Kitt: Sie bringen anziehende Kernkraft mit, ohne die elektrische Abstoßung zu vergrößern. Deshalb brauchen große Kerne einen Neutronenüberschuss.

Gut zu wissen

1911 beschoss Ernest Rutherfords Team eine hauchdünne Goldfolie mit Alpha-Teilchen. Fast alle flogen ungehindert durch, ganz wenige prallten zurück. Schlussfolgerung: Das Atom ist fast leer, besitzt aber ein winziges, schweres, positiv geladenes Zentrum — den Atomkern. Ab Ordnungszahl 83 gibt es übrigens keine stabilen Kerne mehr: Solche Kerne wandeln sich von selbst um und senden Strahlung aus — sie sind radioaktiv.

Alles auf einen Blick

Zeit für den Überblick: Erst die Landkarte des Themas, dann die wichtigsten Regeln als Lernkarten zum Wiederholen.

Abschluss-Check

Jetzt kombinierst du alles: Kennzahlen, Isotope, Kräfte. Neue Situationen, aber nur Stoff, den du schon kennst — du schaffst das!