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Atomkern: Aufbau, Kernzahlen und Isotope
Der Atomkern ist das winzige, positiv geladene Zentrum eines Atoms. Er enthält Protonen und – außer beim häufigsten Wasserstoffkern – Neutronen. Obwohl er viel kleiner als die Atomhülle ist, steckt in ihm fast die gesamte Masse des Atoms.
Hake ab, was du schon kannst — und komm am Ende hierher zurück!
Was steckt im Atomkern?
Ein Atom besteht vereinfacht aus Kern und Hülle. Im Kern sitzen die Protonen und Neutronen. Gemeinsam heißen sie Nukleonen, also Kernteilchen. Die Elektronen gehören zur Hülle.
| Teilchen | Ort | elektrische Ladung | Masse ungefähr |
|---|---|---|---|
| Proton | Kern | positiv | $1\,\mathrm u$ |
| Neutron | Kern | neutral | $1\,\mathrm u$ |
| Elektron | Hülle | negativ | $0{,}0005\,\mathrm u$ |
Die Einheit $\mathrm u$ heißt atomare Masseneinheit. Proton und Neutron sind ungefähr gleich schwer und jeweils etwa 1.800-mal schwerer als ein Elektron. Deshalb enthält der Kern trotz seiner geringen Größe ungefähr 99,9 % der Atommasse.
Die Protonen machen den Kern positiv. Bei einem neutralen Atom ist die Zahl der Elektronen genauso groß wie die Zahl der Protonen.
Gewöhnlicher Wasserstoff zeigt eine wichtige Ausnahme: Sein Kern besteht aus genau einem Proton und enthält kein Neutron. Ein Atomkern muss also nicht immer beide Nukleonenarten enthalten.
Drei Zahlen beschreiben einen Kern
Für Aufgaben zum Atomkern brauchst du drei Größen:
Kernladungszahl Z
$Z$ ist die Zahl der Protonen im Kern. Sie heißt auch Protonenzahl oder Ordnungszahl und bestimmt das chemische Element.
Neutronenzahl N
$N$ gibt an, wie viele Neutronen der Kern enthält.
Massenzahl A
$A$ ist die Gesamtzahl der Nukleonen, also die Summe aus Protonen und Neutronen. Sie ist bei einem einzelnen Kern immer ganzzahlig.
Damit gilt:
$$A=Z+N$$
Suchst du die Neutronenzahl, stellst du um:
$$N=A-Z$$
Ein Natriumkern hat $Z=11$ und $A=23$.
- $Z=11$ bedeutet: Der Kern enthält 11 Protonen.
- $A=23$ bedeutet: Insgesamt befinden sich 23 Nukleonen im Kern.
- Die übrigen Nukleonen sind Neutronen:
$$N=A-Z=23-11=12$$
Der Natriumkern enthält also 11 Protonen und 12 Neutronen. Die Probe passt: $11+12=23$.
Wähle in jeder Lücke die passende Form und prüfe anschließend deine Antworten.
Die Kernladungszahl $Z$ zählt die . Die Massenzahl $A$ zählt alle . Deshalb berechnest du die Neutronenzahl mit .
Wie liest du ein Nuklidsymbol?
Ein Nuklid ist eine Atomsorte mit einer genau festgelegten Protonen- und Neutronenzahl. Seine vollständige Schreibweise lautet:
$${}^{A}_{Z}X$$
Dabei ist $X$ das Elementsymbol, $A$ die Massenzahl und $Z$ die Kernladungszahl. Die Massenzahl steht links oben, die Kernladungszahl links unten.
Für Kohlenstoff-14 steht:
$${}^{14}_{6}\mathrm C$$
- Das Symbol $\mathrm C$ bezeichnet Kohlenstoff.
- Links unten steht $Z=6$: Der Kern hat 6 Protonen.
- Links oben steht $A=14$: Der Kern hat 14 Nukleonen.
- Daher gilt $N=14-6=8$.
Kohlenstoff-14 besitzt also 6 Protonen und 8 Neutronen.
Oft wird kürzer ${}^{14}\mathrm C$ oder C-14 geschrieben. Das Elementsymbol legt $Z$ bereits fest. Für eine Rechenaufgabe muss dir die Ordnungszahl dann aber bekannt oder angegeben sein.
Isotope: gleiches Element, andere Neutronenzahl
Isotope
Isotope sind Atome desselben Elements mit gleicher Protonenzahl $Z$, aber unterschiedlicher Neutronenzahl $N$. Deshalb unterscheiden sich auch ihre Massenzahlen $A$.
Wasserstoff liefert ein gut sichtbares Beispiel:
| Isotop | Protonen | Neutronen | Massenzahl |
|---|---|---|---|
| gewöhnlicher Wasserstoff | 1 | 0 | 1 |
| Deuterium | 1 | 1 | 2 |
| Tritium | 1 | 2 | 3 |
Alle drei sind Wasserstoff, weil alle $Z=1$ besitzen. Die wechselnde Neutronenzahl macht sie zu verschiedenen Isotopen.
Die Protonenzahl beantwortet: Welches Element? Die Neutronenzahl beantwortet zusammen mit $Z$: Welches Isotop dieses Elements?
Massenzahl oder mittlere Atommasse?
Hier passiert besonders häufig eine Verwechslung: Die Massenzahl eines einzelnen Kerns zählt Nukleonen und ist eine ganze Zahl. Ein Dezimalwert im Periodensystem ist dagegen meist ein gewichteter Mittelwert der Massen natürlich vorkommender Isotope.
Ein vereinfachtes Chlor-Gemisch bestehe zu 75 % aus Chlor-35 und zu 25 % aus Chlor-37. Der mittlere Massenwert ergibt sich aus:
$$0{,}75\cdot35\,\mathrm u+0{,}25\cdot37\,\mathrm u=35{,}5\,\mathrm u$$
$35{,}5\,\mathrm u$ ist ein Mittelwert über viele Atome. Es gibt keinen einzelnen Kern mit 35,5 Nukleonen.
Darum darfst du einen Dezimalwert aus dem Periodensystem nicht ungeprüft als $A$ in $N=A-Z$ einsetzen. Für die genaue Neutronenzahl brauchst du die ganzzahlige Massenzahl eines bestimmten Isotops.
Für eine grobe Massenabschätzung gilt $m\approx A\cdot1\,\mathrm u$. Das ist keine exakte Gleichheit: Bindungsenergie, Elektronenmasse und Bindungsenergien der Elektronen verursachen Abweichungen.
Warum hält der Kern zusammen?
Protonen sind gleichnamig positiv geladen und stoßen sich elektrisch ab. Trotzdem bleiben viele Kerne gebunden. Zwischen nahe beieinanderliegenden Nukleonen wirkt eine starke, anziehende Kernkraft. Ihre Reichweite ist sehr kurz und liegt in der Größenordnung von $10^{-15}\,\mathrm m$.
Bei großen Kernen entsteht ein Wettbewerb:
- Die Kernkraft zieht vor allem nahe Nukleonen an.
- Die elektrische Abstoßung wirkt zwischen den Protonen.
- Mit wachsender Protonenzahl kann die Abstoßung stärker ins Gewicht fallen.
Deshalb sind nicht beliebig große Kerne stabil. Ob ein bestimmtes Nuklid stabil ist, hängt auch von seiner Kombination aus Protonen und Neutronen ab.
Neutronen sind nicht einfach ein elektrischer „Klebstoff“. Der Zusammenhalt entsteht durch die kurzreichweitige Kernkraft zwischen Nukleonen, während Protonen sich zugleich elektrisch abstoßen.
Karteikasten
Überlege zuerst selbst und drehe die Karte anschließend zum Prüfen um.
Alles auf einen Blick
- Atomkern
- Bestandteile: Protonen und Neutronen
- Kernzahlen: $Z$, $N$ und $A=Z+N$
- Element: durch $Z$ festgelegt
- Nuklid: durch $Z$ und $N$ festgelegt
- Isotope: gleiches $Z$, verschiedenes $N$
- Masse: Massenzahl eines Kerns ist nicht der Isotopenmittelwert
- Zusammenhalt: Kernkraft gegen elektrische Abstoßung
Abschluss-Check
Prüfe dich zum Schluss mit drei Fragen: Kannst du $Z$, $N$ und $A$ sicher zuordnen? Kannst du ein Nuklidsymbol auslesen? Kannst du erklären, warum ein Dezimalwert aus dem Periodensystem keine Neutronenzahl eines einzelnen Kerns liefert? Wenn ja, hast du den Kern des Themas verstanden.