1.3 Zusammensetzung des Atomkerns
Elementarteilchen
Ein Atomkern enthält als Elementarteilchen positiv geladene Protonen und Neutronen ohne Ladung, welche in ihrer Gesamtheit als Nukleonen (= Kernteilchen) bezeichnet werden. Sie wiegen jeweils 1u und ergeben in ihrer Gewichtssumme 99,9% der Atommasse eines Elementatoms. Das Symbol p+ steht für ein Proton, der Begriff Neutron kann durch ein n ersetzt werden.
Stabilität des Atomkerns
Die Stabilität des Atomkerns wird durch zwei Faktoren beeinflusst:
- Zwischen positiv geladenen Protonen herrschen gegenseitige Abstoßungseffekte (gleiche Ladungen), welche allerdings durch die Neutronen gemindert werden.
- Gleichzeitig existieren starke Anziehungskräfte zwischen aneinander liegenden Protonen, diese werden als Kernkraft bezeichnet.
Die Kernkraft ist in der Regel höher als die Abstoßungskräfte zwischen den Protonen.
Die Zerfallswahrscheinlichkeit eines Atomkerns nimmt mit der Anzahl an Neutronen zu. Ab einer Kerngröße mit der Massenzahl von 208 überwiegen die Abstoßungskräfte, der Atomkern wird instabil und zerfällt. Die beim Kernzerfall abgegebene Teilchenstrahlung (alpha, beta, gamma) ist radioaktiv.
| α-Strahlung | beschleunigte Helium-Kerne +, wird durch Metallfolie oder Papier absorbiert |
| β-Strahlung | beschleunigte Elektronen – oder Positronen +, geht durch 100x dickere Folien |
| γ-Strahlung | extrem kurzwellige elektromagnetische Strahlung, durchdringt cm dicke Bleiplatten |
© Belinda Flemming: Aufbau der Atomkerne der Elemente Wasserstoff, Helium und Lithium im Vergleich, CC BY-SA
Die Atomkerne eines Elementes enthalten jeweils eine charakteristische Anzahl an Protonen. Anhand der Protonenanzahl ist also jedes Element eindeutig zu identifizieren.
Die Anzahl der Neutronen für verschiedene Atomarten eines Elementes (= Isotope) kann variieren.
© Belinda Flemming: Aufbau des Atomkerns von Lithium, CC BY-SA
Aufbau eines Atomkerns, Beispiel: Li
Das Elementatom von Lithium hat die Massenzahl 7, weshalb der Atomkern 7 Nukleonen enthält. Davon sind 3 Elementarteilchen Protonen, zurückzuführen auf die Ordnungszahl 3 von Lithium im Periodensystem. Zieht man nun die Ordnungszahl von der Massezahl ab, so erhält man die Anzahl von 4 Neutronen im Atomkern. Ein Lithium-Atom ist 7 u schwer.
Isotope
Von einem Element können verschieden Atomarten existieren. Diese Atome haben die gleiche Anzahl an Protonen, charakteristisch für das Element. Der Unterschied der Atomarten des Elementes liegt in der Anzahl der Neutronen, wodurch es auch zu unterschiedlichen Atommassen der Atome kommt. Solche Atomarten eines Elementes werden als Isotope bezeichnet. Sie besitzen alle die gleichen chemischen Eigenschaften, charakteristisch für das Element selbst.
Definition: Isotope sind Atomarten eines Elementes mit der gleichen Anzahl an Protonen, die sich aber durch die Anzahl der Neutronen unterscheiden und damit auch in der Atommasse.
© Belinda Flemming: Isotope des Elementes Wasserstoff, CC BY-SA
In der Abbildung sind die drei Isotope des Wasserstoffs dargestellt. Alle drei Atomarten besitzen 1 Proton, charakteristisch für das Element Wasserstoff. Das am häufigsten vorkommende normale Wasserstoff-Isotop besteht nur aus 1 Proton und wiegt daher 1u. Das Isotop Deuterium besitzt neben dem 1 Proton noch 1 Neutron und ist daher 2 u schwer. Der Atomkern des Isotops Tritium enthält zusätzlich 2 Neutronen und wiegt in der Summe 3 u.
Die relative Atommasse
In den meisten Ausgaben von Periodensystemen sind bei den Atommassen der Elemente keine ganzzahligen Werte angegeben. Das liegt daran, dass es von vielen Elementen mehr als nur eine Atomart, also mehrere Isotope mit unterschiedlichen Atommassen gibt.
Um der relativen Atommasse eines Elementes nahe zu kommen, berechnet man die Summe aus den Produkten der relativen Atommassen der Isotope des Elementes und deren relativer Häufigkeit. Als Kontrollwert dient die Massenzahl links oberhalb des Elementsymbols im Periodensystem.
© Belinda Flemming: Berechnung der relativen Atommasse ausgewählter Elemente, CC BY-SA