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Kernphysik: Atomkerne und Nuklide verstehen
Die Kernphysik untersucht den Aufbau und die Eigenschaften von Atomkernen. Ein Atomkern besteht aus Protonen und Neutronen. Mit den Zahlen $Z$, $N$ und $A$ kannst du seine Zusammensetzung eindeutig beschreiben.
Hake ab, was du schon kannst — und komm am Ende hierher zurück!
Was steckt im Atomkern?
Atome besitzen einen Kern und eine Hülle. Fast ihre gesamte Masse befindet sich im sehr kleinen Kern.
Nukleonen
Nukleonen sind die Bausteine des Atomkerns: positiv geladene Protonen und elektrisch neutrale Neutronen.
Drei Zahlen beschreiben die Zusammensetzung eines Kerns:
- $Z$ ist die Protonenzahl. Sie heißt auch Kernladungszahl oder Ordnungszahl und bestimmt das chemische Element.
- $N$ ist die Neutronenzahl.
- $A$ ist die Massenzahl oder Nukleonenzahl. Sie zählt alle Protonen und Neutronen.
Deshalb gilt:
$$A=Z+N$$
Suchst du die Neutronenzahl, stellst du die Beziehung um:
$$N=A-Z$$
Die Elementart hängt nur von $Z$ ab. Eine veränderte Neutronenzahl macht aus einem Kern nicht automatisch ein anderes Element.
Wie liest du die Nuklidschreibweise?
Ein Nuklid ist eine bestimmte Kernart mit festgelegter Protonen- und Neutronenzahl. Seine Kurzschreibweise lautet:
$${}^{A}_{Z}X$$
Dabei ist $X$ das Elementsymbol. Links oben steht die Massenzahl $A$, links unten die Protonenzahl $Z$.
Gegeben ist das Kohlenstoff-Nuklid
$${}^{14}_{6}\mathrm{C}$$
- Unten steht $Z=6$: Der Kern besitzt 6 Protonen.
- Oben steht $A=14$: Der Kern besitzt insgesamt 14 Nukleonen.
- Die Neutronenzahl ergibt sich aus $N=A-Z$.
- Also gilt $N=14-6=8$.
Der Kohlenstoffkern enthält somit 6 Protonen und 8 Neutronen.
Wähle in jeder Lücke die passende Form und prüfe anschließend deine Antworten.
In ${}^{14}_{6}\mathrm{C}$ gibt die Zahl 6 die an. Die Zahl 14 ist die . Der Kern besitzt Neutronen.
Woran erkennst du Isotope?
Isotope
Isotope sind Nuklide desselben Elements. Sie haben dieselbe Protonenzahl $Z$, aber unterschiedliche Neutronenzahlen $N$ und dadurch unterschiedliche Massenzahlen $A$.
Beispiele für Heliumisotope sind
$${}^{3}_{2}\mathrm{He},\quad {}^{4}_{2}\mathrm{He},\quad {}^{6}_{2}\mathrm{He},\quad {}^{8}_{2}\mathrm{He}$$
Alle besitzen $Z=2$ und gehören deshalb zum Element Helium. Ihre Massenzahlen unterscheiden sich.
In einer $N$-$Z$-Nuklidkarte wird jeder Kern nach seiner Neutronenzahl $N$ und Protonenzahl $Z$ eingeordnet. Isotope liegen dabei bei demselben Wert von $Z$. Leichte stabile Kerne besitzen ungefähr gleich viele Protonen und Neutronen; bei schweren stabilen Kernen ist $N$ deutlich größer als $Z$.
Wie schätzt du die Kernmasse ab?
Protonen und Neutronen haben ungefähr dieselbe Masse. Deshalb liefert die Massenzahl eine einfache Näherung:
$$m\approx A\cdot \mathrm{u}$$
Die atomare Masseneinheit ist
$$1\,\mathrm{u}=1{,}6605\times10^{-27}\,\mathrm{kg}$$
Ein Kohlenstoff-12-Atom hat definitionsgemäß die Masse $12\,\mathrm{u}$. Da Elektronen im Vergleich zum Kern sehr leicht sind, kann die Näherung auch für die Masse eines ganzen Atoms verwendet werden.
Für ${}^{4}_{2}\mathrm{He}$ ist $A=4$. Seine Masse wird daher grob mit
$$m\approx4\,\mathrm{u}$$
abgeschätzt. Die Zahl 4 beschreibt dabei die ungefähre Masse in atomaren Masseneinheiten, nicht die Anzahl der Protonen allein.
Die Näherung ist nicht exakt. Durch die Kernbindungsenergie entspricht die tatsächliche Kernmasse im Allgemeinen nicht einfach der Summe der Massen freier Nukleonen. Verwende $m\approx A\cdot\mathrm{u}$ nur für eine grobe Abschätzung, wenn keine Genauigkeit von besser als etwa $1\,\%$ verlangt wird.
Wie untersucht man einen winzigen Kern?
Ein Atomkern ist zu klein, um seine Struktur unmittelbar zu betrachten. In einem Streuexperiment beschießt man das Untersuchungsobjekt deshalb mit schnellen Teilchen.
Die Untersuchung folgt einer klaren Kette:
- Schnelle Teilchen treffen auf das Objekt.
- Das Objekt lenkt einen Teil der Teilchen ab.
- Forschende messen die räumliche Verteilung der gestreuten Teilchen.
- Aus dem Streumuster schließen sie auf die Struktur des Objekts.
Beim Rutherford-Versuch wurden Alphateilchen auf eine Goldfolie gerichtet. Die beobachtete Streuung führte zu dem Modell eines sehr kleinen, dichten Atomkerns in einem ansonsten größtenteils leeren Atom.
Ein Streuexperiment zeigt den Kern nicht wie ein Foto. Seine Struktur wird aus messbaren Ablenkungen erschlossen.
Karteikasten
Überlege zuerst selbst und drehe die Karte anschließend zum Prüfen um.
Alles auf einen Blick
- Kernphysik
- Kernaufbau: Protonen und Neutronen
- Kennzahlen: $Z$, $N$ und $A=Z+N$
- Nuklide: eindeutige Kernarten
- Isotope: gleiches $Z$, verschiedenes $N$
- Kernmasse: Näherung mit $A\cdot\mathrm{u}$
- Untersuchung: Streumuster liefert Strukturhinweise