Warum besteht der Atomkern aus verschiedenen Bausteinen?

In Bild 2 und Bild 4 wird der Größenunterschied zwischen dem kleinen, massereichen Atomkern und der viel größeren, fast masselosen Atomhülle veranschaulicht.

Atome sind so klein, dass wir einzelne Atome weder mit dem bloßen Auge noch mit einfachen Mikroskopen sehen kann. Mithilfe besonderer Elektronenmikroskope kann man Atome zwar sichtbar machen, jedoch nicht Kern und Hülle unterscheiden. Die innere Struktur von Atomen, der Atombau, muss mit speziellen physikalischen Experimenten untersucht werden.

Einige Atomkerne „platzen“ tatsächlich auseinander, nämlich diejenigen, die nicht stabil sind. Die stabilen Kerne  dagegen bleiben – soweit der bisherige Wissensstand – unendlich lange erhalten. Ob ein Atomkern stabil ist oder nicht, hängt von der Anzahl seiner Kernbausteine und deren Wechselwirkung untereinander ab.

Atomkerne bestehen aus positiv geladenen Protonen und elektrisch neutralen Neutronen. Es wirken dort zwei gegensätzliche Kräfte. Die elektromagnetische Wechselwirkung treibt den Kern auseinander, die starke Wechselwirkung hält ihn zusammen. Die elektromagnetische Wechselwirkung wirkt nur zwischen geladenen Teilchen, im Kern also zwischen den Protonen. Deren gleichartige Ladungen stoßen sich ab. Die elektromagnetische Wechselwirkung hat eine relativ große Reichweite, ist aber verhältnismäßig schwach. Die starke Wechselwirkung dagegen zieht die Kernteilchen untereinander an. Sie ist sehr stark, ihre Reichweite aber gering. Wenn in der Bilanz die anziehende Kraft die abstoßende Kraft überwiegt, ist ein Kern stabil, andernfalls zerfällt er und sendet dabei radioaktive Strahlung aus.

Einen großen Einfluss auf die Stabilität hat die Größe des Atomkerns. Überschreitet er einen gewissen Radius, erfährt ein Proton wegen der kurzen Reichweite nur noch die anziehende starke Kraft der direkt benachbarten Kernteilchen. Dagegen wirkt weiterhin die abstoßende Kraft aller Protonen. Das Kräfteverhältnis verschiebt sich somit mit wachsendem Durchmesser zu Gunsten einer abstoßenden Wirkung. Deswegen konnten bisher nur unter den Elementen von Wasserstoff bis Blei stabile Isotope nachgewiesen werden. Isotope sind Varianten eines Elements mit gleicher Anzahl von Protonen aber unterschiedlicher Anzahl von Neutronen. Einige Isotope dieser Elemente sind stabil, andere nicht. Bei allen bisher bekannten Elementen mit einem größeren Kern als Blei sind sämtliche Isotope instabil, zerfallen also über kurz oder lang. Ein Maß für die Stabilität eines Atoms ist seine Halbwertzeit. Beispielsweise hat das häufigste und langlebigste Uranisotop U-238 eine Halbwertzeit von rund 4,5 Milliarden Jahren. Das bedeutet, dass nach dieser Zeit die Hälfte des Urans zerfallen ist.

Der Zerfall eines Atoms kann auf verschiedenen Arten vor sich gehen. Dabei wird jedoch stets energiereiche Strahlung (ionisierende Strahlung) frei - in Form von Teilchen und/oder als Gammastrahlung. Einige Elemente, die schwerer sind als Blei, entledigen sich der „überschüssigen“ Kernteilchen beispielsweise durch Abgabe von Alpha-Teilchen. Diese bestehen aus je zwei Protonen und Neutronen. Noch schwerere Elemente - wie etwa Uran - zerfallen in Bruchstücke beliebiger Größe. Diesen Prozess könnte man auch als „platzen“ bezeichnen. Neben der Größe hat auch das Verhältnis von Protonen zu Neutronen Einfluss auf die Stabilität des Kerns. Stört ein einzelnes Proton die Stabilität, wandelt es sich in ein Neutron um, ist ein Neutron überzählig, wird es zum Proton. Die Endprodukte der Zerfallsprozesse sind stets stabile Isotope der Elemente von Wasserstoff bis Blei.

Physiker arbeiten an einer Formel, die es ermöglicht, vorherzusagen, welches Isotop stabil ist und welches nicht. Dabei müssen sie berücksichtigen, dass auch Protonen und Neutronen eine innere Struktur besitzen. Sie bestehen jeweils aus drei so genannten Quarks. Die starke Wechselwirkung wirkt anziehend zwischen den Quarks. Ihre Wirkung reicht jedoch geringfügig darüber hinaus, sodass auch Kernteilchen sich untereinander noch anziehen. Die innere Struktur der Kernteilchen führt zu einem komplizierten Kräfteverhältnis im Atomkern. Berechnungen haben ergeben, dass es bei den Elementen mit der Massenzahl (Anzahl der Protonen) von 114 bis 118 eine „Insel der Stabilität“ geben könnte. Dies konnte experimentell allerdings noch nicht bestätigt werden. Das schwerste bisher sicher nachgewiesene Element ist das Roentgenium mit der Massenzahl 111. Es hat eine Halbwertzeit von nur wenigen Tausendstel Sekunden. Nachgewiesen wurde es erstmals 1994 in einem Teilchenbeschleuniger der Gesellschaft für Schwerionenforschung.

Die Frage wurde beantwortet von Dr. Ingo Peter von der Gesellschaft für Schwerionenforschung in Darmstadt.

Wie sind deine Protonen, Neutronen sowie Elektronen im Atom überhaupt angeordnet? Deine Protonen und Neutronen befinden sich im Atomkern, also dem sogenannten Nucleus. Hingegen befinden sich deine Elektronen in der Atomhülle und kreisen um den Atomkern. Der Atomkern ist zwar um ein vielfaches kleiner als die Atomhülle, beherbergt aber mehr als 99,9 % der Masse des gesamten Atoms.

Ein Nuklid , also ein Atom, hat eine Ordnungszahl und eine Massenzahl. Die atomare Masseneinheit ist als einem zwölftel der Masse des Kohlenstoffnuklids mit der Massenzahl 12 und der Ordnungszahl 6 (12C) definiert. Der Zahlenwert von

Merke Atomare Masseneinheit

Das Kohlenstoffisotop 12C hat 6 Protonen und 6 Neutronen. Definitionsgemäß entspricht die atomaren Masseneinheit einem zwölftel der Masse des 12C. 

Dein Wissen zu Nukliden kannst du nochmal in unserem Video auffrischen.

Du setzt die Atommassen aller anderen Atome in Relation zu einem zwölftel der Masse des 12C. In diesem Fall sprichst du auch von relativen Atommassen

Deine Neutronen im Atomkern besitzen keine Ladung, sind also neutral. Jedoch kann ein Element eine verschiedene Anzahl an Neutronen aufweisen. Elemente mit gleicher Kernladungszahl, also Anzahl an Protonen, aber unterschiedlicher Neutronenanzahl nennst du Isotope.

Welche Eigenschaften haben die Bausteine des Atomkerns?

Welche Rolle spielen die einzelnen Bausteine des Atomkerns und welche Eigenschaften haben sie?

Warum fällt Atomkern nicht auseinander?

Welche Atombausteine sind in einem Atomkern zu finden?