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Die in einem Kern vorhandenen Protonen müssten sich eigentlich
wegen ihrer positiven Ladungen gegenseitig abstoßen und dadurch
den Kern zum Zerplatzen bringen. Da aber stabile Atomkerne mit zum
Teil recht vielen Protonen existieren, kann daraus geschlossen werden,
dass es andere Kräfte gibt, die die Kernteilchen aneinander binden.
Diese anziehenden Kernkräfte sind stärker als die
im Kern wirkenden abstoßenden elektrischen Kräfte.
In der Atomhülle befinden sich negativ geladene Elektronen. Elektronen
und Protonen müssten sich aufgrund ihrer unterschiedlichen elektrischen
Ladungen anziehen, die Hüllenelektronen also auf den Kern fallen.
Da das aber nicht eintritt, ist anzunehmen, dass auch hier andere
Kräfte wirksam sind. |
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Um ein Elektron aus der Atomhülle abzutrennen, benötigt
man Energie. Dabei zeigt sich, dass für die einzelnen Elektronen
einer Hülle unterschiedlich viel Energie aufgewendet werden muss.
Die Elektronen sind also unterschiedlich fest an den Kern gebunden
bzw. sie besitzen gegenüber dem Atomkern unterschiedliche Energie.
Diese Energiewerte der Elektronen unterscheiden sich aber nicht kontinuierlich,
sondern stufenartig voneinander (Energiestufen). Um diese Tatsache
im Modell zu veranschaulichen, weist man den einzelnen Elektronen
bestimmte Bahnen bzw. Schalen zu, die um den Kern angeordnet
sind (K-, L-, M-, N-, O-, P- und Q-Schale, am Kern beginnend). |
| Elektronen mit geringerer Energie und damit festerer Bindung an
den Kern werden auf kernnahen Bahnen oder Schalen gezeichnet, Elektronen
mit größerer Energie und damit weniger fester Bindung an
den Kern auf kernferneren Bahnen oder Schalen. Diese Bahnen oder Schalen
existieren nicht wirklich. Sie sind lediglich Hilfsvorstellungen zur
Veranschaulichung der unterschiedlichen Energiestufen. |
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Das Größenverhältnis von Atomhülle zu
Atomkern ist bemerkenswert. Der Durchmesser der Hülle beträgt
etwa 10-10 m, der Durchmesser des Kerns etwa
10-15 bis etwa 10-14 m. Bei einem
Radium-Atom (A = 226) beträgt der Durchmesser des Kerns demzufolge
rund 4,3×10-15 m. Der Kern ist also etwa 23 000-mal
kleiner als die Hülle. Zur Veranschaulichung dieses Verhältnisses
kann man das Atom in Gedanken auf das 1012fache vergrößern.
Die Hülle hätte dann einen Durchmesser von 100 m, der Kern
wäre aber nur 4 mm groß. |
| Proton und Neutron haben fast die gleiche Masse.
Die Masse des Elektrons beträgt aber nur 1/1836 der Masse
des Protons. Das ist ein so geringer Betrag, dass man ihn bei Betrachtung
der Atommassen vernachlässigen kann. Praktisch ist die gesamte
Masse eines Atoms in seinem Kern vereinigt, die Materie besteht also
überwiegend aus fast leerem Raum. Selbst bei festen Körpern
ist nur ein verschwindend kleiner Volumenanteil von Materie erfüllt. |
| Wenn man die Atome eines großen Ozeandampfers in Gedanken
so zusammenpresste, dass sich die Elektronen dicht an den Atomkernen
befänden, erhielte man nur eine winzige Menge an Materie in der
Größe eines Stecknadelkopfes. Die Masse des Ozeandampfers
würde aber erhalten bleiben und man könnte einen solchen
Stecknadelkopf natürlich nicht heben. |
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Die Massen von Proton und Neutron liegen im Bereich von 1027
kg. Da das Rechnen mit so kleinen Werten ungünstig ist, gibt
man zur Beschreibung der Masse eines Atomkerns lediglich an, wie viel
Protonen und Neutronen er enthält. Das ist seine Massenzahl.
Neben der Masse ist die elektrische Ladung die zweite
wichtige Eigenschaft des Atomkerns. Jedes Proton besitzt die kleinste
bisher nachgewiesene positive Ladungsmenge, die deshalb auch Elementarladung
genannt wird. Die Anzahl der Protonen ist also gleich der Anzahl der
Elementarladungen. Das wird durch die Kernladungszahl beschrieben.
Sie entspricht der Ordnungszahl der chemischen Elemente.
Zur Kennzeichnung des Kernaufbaus wird die Massenzahl (Anzahl der
Protonen und Neutronen) oben links, die Kernladungszahl (Anzahl der
Protonen) unten links neben das chemische Symbol gesetzt.
Eine Atomart, die durch Protonenzahl und Neutronenzahl charakterisiert
ist, wird als Nuklid bezeichnet. Die Atome eines Elements können
bei gleicher Protonenzahl eine unterschiedliche Neutronenzahl besitzen.
Solche Atome mit gleicher Kernladungszahl (Ordnungszahl), aber mit
unterschiedlicher Massenzahl bezeichnet man als Isotope. Sie
unterscheiden sich nicht in ihren chemischen, wohl aber in ihren kernphysikalischen
Eigenschaften.
Da es von jedem der 112 Elemente zahlreiche Isotope gibt, existieren
insgesamt mehr als 2500 Nuklide. Davon sind 249 stabil, alle anderen
zerfallen spontan, d. h., sie sind radioaktiv. Man nennt sie deshalb
Radionuklide.
Proton, Neutron und Elektron gehören zu den Elementarteilchen,
von denen man heute über 300 kennt. Es sind kleinste Teilchen,
aus denen sich die Materie aufbaut oder die beim radioaktiven Zerfall
entstehen, bei der kosmischen Strahlung auftreten bzw. durch Kernreaktionen
künstlich erzeugt werden können. Elementarteilchen stellen
keine unwandelbaren Gebilde dar, sondern können auf verschiedene
Weise umgewandelt, erzeugt und vernichtet werden. |
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Im natürlichen Wasserstoff treten drei Isotope
auf. Der Kern des Wasserstoffatoms besteht aus einem Proton
(p). Schwerer Wasserstoff oder Deuterium (D) besteht
aus einem Proton und einem Neutron. Überschwerer Wasserstoff
oder Tritium (T) besteht aus einem Proton und zwei Neutronen.
Tritium wird in den oberen Schichten der Atmosphäre durch die
kosmische Strahlung ständig neu gebildet und entsteht auch in
Kernkraftwerken. Es ist radioaktiv. |
| Da die Kernladungszahl für jedes Element festliegt,
die Massenzahl aber verschieden sein kann, wird bei abgekürzter
Schreibweise lediglich die Masse rechts neben den Namen oder das Symbol
des betreffenden Elements geschrieben, z. B.: H-3, He-4, C-12, U-235,
U-238. |
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