Die einfachste Möglichkeit, ein Atom zu unterteilen, ist in Kern und Hülle. Der Kern ist dabei der Bestandteil, in dem die Masse des Atoms und die positive Ladung vorhanden sind. In diesem Artikel lernst du alles über seinen Aufbau, seine Bedeutung und seine Entdeckung.
- Der Atomkern besteht aus Protonen und Neutronen
- Er macht fast die gesamte Masse der Atome aus
- Der Kern wurde mithilfe des Rutherfordschen Streuversuchs entdeckt
- Der Atomkern definiert, um welches Element und welches Isotop es sich handelt
- Die starke Wechselwirkung sorgt für die Stabilität des Kerns
- Instabile Kerne sind radioaktiv
Kern und Hülle
Atome bestehen aus einem Kern und einer Hülle. Dabei ist die Hülle zwar etwa 20.000 bis 150.000 mal größer als der Kern, aber der Kern beinhaltet 99,9% der Masse. Dementsprechend hat der Kern eine extrem hohe Dichte. Diese ist bei allen Atomkernen beinahe gleich und beträgt 
. Materie dieser Dichte wird Kernmaterie genannt und kommt im makroskopischen Bereich nicht vor, da vollständige Atome durch ihre Hülle eine weitaus geringere Dichte haben.
Der Kern besteht aus Protonen und Neutronen, deren Masse jeweils etwa 1 Unit beträgt. Die Hülle hingegen ist größtenteils leer und nur einzelne Elektronen mit einer sehr geringen Masse von jeweils 0,0005 Units bewegen sich in ihr um den Kern. Die Kernteilchen sind nicht nur deutlich schwerer als die Elektronen, sondern auch etwa 1.800 mal Größer.
Die Unit oder auch u ist die Masseneinheit im Atomaren Bereich. Sie wird verwendet, um die Massen von Atomen, Molekülen und subatomaren Teilchen anzugeben.
Zur Umrechnung gilt 
.
Jedes Proton hat eine positive Ladung von 1 e und jedes Elektron eine ebenso große negative Ladung. Neutronen sind ungeladen. Im ungeladenen Zustand ist daher die Anzahl von Protonen und Elektronen gleich, während die Zahl der Neutronen variieren kann.
Die Elementarladung e ist die Ladung von Protonen und Elektronen. Sie ist die kleinste natürlich vorkommende Ladungsmenge. Sie beträgt 
.
Die Atome werden durch die Anzahl an Protonen einem Element zugeordnet. Durch variieren der Anzahlen von Elektronen und Neutronen kann es verschiedene Ionen und Isotope geben.
Ein Ion ist ein Atom, dessen Ladung nicht null beträgt. Das kommt durch eine unterschiedliche Anzahl von Protonen und Elektronen zustande. Ein Atom, dass weniger Elektronen als Protonen hat ist positiv geladen. Diese Ionen heißen Kationen. Ein Atom, dass mehr Elektronen als Protonen hat ist negativ geladen. Diese Ionen nennt man Anionen.
Isotope sind verschiedene Versionen desselben Atoms. Bei gleicher Protonenzahl kann die Anzahl der Neutronen im Kern variieren. Es gibt daher verschieden schwere Isotope eines Elements. Die Isotope werden durch ihre Masse bestimmt. Das Kohlenstoffatom mit 6 Protonen kann sowohl 6 als auch 7 Neutronen haben. Dadurch entstehen die Isotope 
und 
.
Verschiedene Atome: Wasserstoff und sein schweres Isotop Deuterium sowie Helium als Kation und als Isotop mit 3 Neutronen
Um die Größenverhältnisse im Atom etwas deutlicher zu machen als in den Abbildungen nutzen wir folgendes Experiment. Angenommen, der Atomkern eines Wasserstoffatoms sei so groß, wie der Ball deiner Lieblingssportart, wie groß wäre dann die Atomhülle?
Das Verhältnis zwischen Durchmesser von Kern und Hülle liegt bei Wasserstoff bei etwa 1:40.000.
Wir stellen die Lösungen für folgende Bälle zur Verfügung, wenn du möchtest, kannst du aber natürlich auch einen anderen verwenden.
| Sportart | Fußball | Handball | Tennis | Tischtennis |
| Balldurchmesser | 22 cm | 18 cm | 6,5 cm | 4 cm |
Wir zeigen dir das Vorgehen anhand des Fußballs.Bevor du etwas berechnest, solltest du zunächst den Durchmesser des Fußballs in Meter umrechnen, das wird das Umrechnen des Ergebnisses erheblich erleichtern.
Da die Hülle um den Faktor 40.000 größer ist, als der Kern musst du mit diesem multiplizieren, um die Größe deiner neuen Hülle zu erhalten:
Bei einem Atomkern der Größe eines Fußballs wäre die Atomhülle also fast 9 km groß. Die Größen für die anderen Bälle sind folgende:
| Sportart | Fußball | Handball | Tennis | Tischtennis |
| Hüllendurchmesser | 8.800 m | 7.200 m | 2.600 m | 1600 m |
Du erkennst also, der Kern, welcher beinahe die gesamte Masse des Atoms beinhaltet ist nach räumlicher Größe nur ein winziger Bestandteil des Atoms.
Der Aufbau des Kerns
Der Atomkern besteht aus Protonen und Neutronen. Zusammen werden diese Kernbestandteile auch Nukleonen genannt. Sie werden durch die starke Wechselwirkung, auch starke Kernkraft genannt, zusammengehalten.
Die starke Wechselwirkung ist eine der vier fundamentalen Kräfte. Sie wirkt auf sehr kurze Distanzen, wie sie nur im Atomkern zu finden sind. Ohne sie gäbe es keine Atome. Die Protonen, die sich im Kern sehr nah beieinander befinden, sind alle positiv geladen. Die elektromagnetischen Kräfte, die dadurch wirken, würden normalerweise dafür sorgen, dass die Protonen sich voneinander entfernen. Der Atomkern wäre dann nicht stabil. Die starke Wechselwirkung wirkt dem entgegen.
Durch die kurze Reichweite der starken Wechselwirkung wird die maximale Größe eines Atomkerns begrenzt. Wird der Kern zu groß, überwiegt die Abstoßung durch die Coulombkraft zwischen den Protonen. Diese ist zwar bei kurzen Entfernungen schwächer, wirkt durch ihre große Reichweite aber stärker, wenn die Distanz zu groß wird. Der Atomkern ist dann instabil.
Die starke Wechselwirkung innerhalb der Nukleonen
Die Kernkraft, oder starke Wechselwirkung, ist als solche bekannt, weil sie anfangs als bindende Kraft für den Atomkern entdeckt wurde. Ihre Wurzeln befinden sich aber noch tiefer im Atom versteckt: In den Bestandteilen der Nukleonen, den Quarks.
Sowohl Protonen als auch Neutronen sind keine Elementarteilchen, sondern weiter teilbar. Sie bestehen aus sogenannten Quarks. Genauer gesagt aus Up-Quarks und Down-Quarks. Zusätzlich zur Ladung, wie wir sie im Elektromagnetismus kennen, haben Quarks eine weitere Art der Ladung. Das ist die sogenannte Farbladung. Sie tritt in den Farben Rot, Grün und Blau auf und ist verantwortlich für die starke Wechselwirkung. Diese wirkt nämlich nur auf Teilchen mit einer Farbladung.
Dabei solltest du allerdings wissen, dass es hier nicht um Farben im herkömmlichen Sinne geht. Die Quarks haben alle keine Farben, die wir erkennen könnten. Es handelt sich hier um eine Lösung, um die neuen Zustände benennen zu können.
Die Bestandteile der Nukleonen: Up- und Down-Quarks
Die Nukleonen bestehen aus jeweils drei Quarks: Eins von jeder Farbe. Dabei gibt es im Proton zwei Up- und ein Down-Quark und im Neutron ist es genau anders herum. Die starke Wechselwirkung hält also nicht nur den Kern selbst zusammen, sondern auch seine Bestandteile.
Wenn du noch mehr über die Bestandteile der Nukleonen und auch andere Quarks herausfinden willst lies gerne unseren Artikel zum Thema!
Die Kennzahlen
Ein Atomkern kann durch verschiedene Zahlen definiert werden. Das sind die sogenannten Kennzahlen.
- Die erste Kennzahl ist die Kernladungszahl . Sie gibt die Anzahl der Protonen im Kern an. Damit entspricht sie auch der Ladung des Kerns, wenn wir die Elementarladung als Einheit betrachten. Die Kernladungszahl entspricht immer der Ordnungszahl des Atoms, da auch diese durch die Anzahl der Protonen definiert wird.
- Die Anzahl der Neutronen bezeichnen wir als . Durch sie kann keine direkte Aussage über das Atom getroffen werden. Gemeinsam mit der Kernladungszahl kann mit ihr bestimmt werden, um welches Isotop es sich handelt. Addierst du zur Kernladungszahl die Anzahl der Neutronen erhältst du die Bezeichnung des Isotops.
- Durch die Addition der beiden erhältst du die Massenzahl . Die Massenzahl gibt annähernd die Masse des Atoms in Units an. Sie lässt sich durch Addition der Kernladungszahl und der Neutronenzahl berechnen. Dazu sind folgende Näherungen notwendig: Protonen und Neutronen wiegen jeweils 1 Unit und die Masse der Elektronen kann vernachlässigt werden. In Periodensystemen und Formelsammlungen wirst du meist genaue Massenangaben finden.
Um genau zu wissen, worum es sich handelt, müssen also mehrere Informationen über den Atomkern bekannt sein. Zum einen gibt es die Protonenzahl oder Kernladungszahl. Durch sie wird das Element bestimmt. Sie kann daher durch das Elementsymbol zu Papier gebracht werden:
C
Bisher wissen wir bei diesem Atom jedoch nur, dass es sich um Kohlenstoff handelt. Des Weiteren sind noch die Neutronenzahl und die Massezahl wichtig, um das Isotop bestimmen zu können. Trotzdem ist es nicht notwendig beide anzugeben. Kennen wir die Protonenanzahl und die Masse, können wir schließlich durch Subtraktion die Neutronenanzahl bestimmen. Es wird daher im Normalfall nur die Massenzahl angegeben. Dafür nutzt du am besten folgende Schreibweise:
Durch die Massenzahl 12 des C-Atoms können wir nun auf die Anzahl der Neutronen schließen. Da Kohlenstoff die Ordnungszahl 6 hat, gibt es sechs Protonen, die auch 6 u wiegen. Bei einer Gesamtmasse von 12 u muss es also noch sechs Neutronen im Kern geben.
Isotope bestimmst du also folgendermaßen:
Kohlenstoff hat die Kernladungszahl 6.
Diese musst du mit der Neutronenzahl addieren, um die Massenzahl und damit die Bezeichnung des Isotops zu ermitteln. Natürlich auftreten können Kohlenstoffatome mit 6, 7 oder 8 Neutronen. Damit ergeben sich die folgenden Isotope:
Die Entdeckung des Atomkerns
Der Atomkern wurde 1909 von Ernest Rutherford und seinen Mitarbeitern entdeckt. Der Versuchsaufbau, mit dem dies gelang, ist als Rutherfordscher Streuversuch bekannt. Bei diesem schossen die Wissenschaftler mit α-Teilchen auf eine Goldfolie. Die α-Teilchen sind Helium-4-Atomkerne, die beim radioaktiven Alphazerfall entstehen. Rund um die Folie herum wurde ein Schirm aufgestellt, der die α-Teilchen detektieren sollte.
Aufbau des Rutherfordschen Streuversuchs
In der Zeit, in der der Versuch erstmals durchgeführt wurde, galt das Rosinenkuchenmodell als korrektes Atommodell. In diesem Modell befinden sich die Elektronen in einer gleichmäßigen, masselosen positiven Ladung. Da das α-Teilchen viel zu schwer ist, um von den Elektronen aufgehalten zu werden, gab es unter diesen Voraussetzungen zwei Möglichkeiten, wie der Versuch ausgehen könnte:
- Wenn die positive Ladung passierbar ist, fliegen die α-Teilchen durch die Folie hindurch und werden nicht von ihr beeinflusst.
- Wenn die positive Ladung nicht passierbar ist, werden die α-Teilchen restlos reflektiert und können es nicht durch die Folie schaffen.
Als die Wissenschaftler den Versuch jedoch durchführten, erhielten sie folgendes Ergebnis: Ein beträchtlicher Anteil der α-Teilchen passierte die Goldfolie und traf entsprechend ihrer vorherigen Flugbahn auf dem Schirm auf. Ein Teil der Teilchen wurde hingegen in den verschiedensten Winkeln zwischen 0° und 180° abgelenkt. Überall auf dem Schirm trafen sie vereinzelt auf.
Ergebnis des Rutherfordschen Streuversuchs
Aus dem ersten Teil der Ergebnisse ließ sich bestätigen, dass große Teile der Atome durchlässig für kleine Teilchen sind. Die Reflektionen hingegen ließen sich mit dem bisherigen Atommodell nicht vereinbaren. Die Elektronen allein hätten die α-Teilchen nicht ablenken können. Rutherford schloss daraus, dass sich die Masse des Atoms größtenteils in einem kleinen Kern konzentrieren musste. Bei Gold ist dieser Kern deutlich schwerer als bei Helium. Dadurch wurden die α-Teilchen reflektiert. Die geringe Größe des Kerns wurde vermutet, weil die meisten α-Teilchen die Folie passieren konnten, ohne abgelenkt zu werden.
Das Atommodell, das aus diesem Versuch hervorging ist das Atommodell nach Rutherford. Zu diesem kannst du gern unseren Artikel lesen, um noch mehr Infos zu bekommen.
Radioaktivität und Umwandlung von Kernen
Theoretisch kann durch die Veränderung der Protonenzahl im Kern jedes Element in jedes andere Element umgewandelt werden. Die wohl bekannteste Form solcher Umwandlungen ist der radioaktive Zerfall. Darunter versteht man die spontane Umwandlung eines Atomkerns in einen anderen. Dies passiert, wenn Atomkerne aus verschiedenen Gründen instabil sind. Dabei gibt es verschiedene Zerfallsarten, bei denen jeweils Energie frei wird. Diese wird in Form von Teilchen oder hochenergetischer, elektromagnetischer Strahlung, der sogenannten Gammastrahlung abgegeben.
Beim Zerfall können Nukleonen sowohl abgegeben, als auch ineinander umgewandelt werden. Durch jede Variante verändert sich die Anzahl der Protonen im Kern. Dadurch entsteht ein neues Element. Oft sind auch diese neu entstandenen Kerne nicht stabil. Dann zerfallen auch diese wieder. Dadurch entstehen die sogenannten Zerfallsreihen. Diese geben an, welche Elemente in welcher Reihenfolge in welche anderen Elemente zerfallen.
Quelle: https://de.wikipedia.org/wiki/Uran-Actinium-Reihe
Eine weitere Möglichkeit, Kerne umzuwandeln, ist die Kernfusion. Diese findet im Universum im Inneren von Sternen statt. Die aktuelle Forschung bemüht sich, sie auch zur Energiegewinnung für uns Menschen nutzbar zu machen. Bei der Kernfusion werden Atomkerne unter sehr großem Druck und damit Hitze miteinander verschmolzen. Die einfachste Variante davon ist das zwei Wasserstoffkerne zu einem Heliumkern fusionieren. Diese einfache Fusion wird bei den meisten Forschungsprojekten verwendet, da sie am leichtesten umzusetzen ist. Unter den Extrembedingungen, die im Inneren von Sternen herrschen, finden aber auch weitere Fusionen statt, sodass auch schwere Elemente entstehen können.
Deuterium und Tritium fusionieren zu Helium und ein Neutron wird frei
Fertig! Jetzt kennst du dich bestens mit dem Atomkern und seinem Aufbau aus. Weiterführend kannst du auf StudySmarter etwas zum Atomaufbau und den Atommodellen oder zur ionisierenden Strahlung lesen. Prüfe auch gern dein Wissen noch mit unseren Karteikarten, damit du auf den Test zum Atomkern auch gut vorbereitet bist.
Atomkern - Das Wichtigste auf einen Blick
- Der Atomkern besteht aus Protonen und Neutronen.
- Protonen und Neutronen heißen zusammen Nukleonen.
- Der Atomkern ist sehr klein, macht aber fast die gesamte Masse der Atome aus.
- Der Atomkern und seine Bestandteile werden durch die starke Wechselwirkung zusammengehalten.
- Die Kennzahlen des Atomkerns sind die Kernladungszahl Z, die Neutronenzahl N und die Massenzahl A.
- Der Atomkern bestimmt um welches Element und um welches Isotop es sich handelt.
- Der Atomkern wurde durch den Rutherfordschen Streuversuch nachgewiesen.
- Radioaktive Atomkerne sind instabile Atomkerne, die sich in andere Kerne umwandeln und dabei Strahlung in Form von Teilchen oder Gammastrahlen abgeben.
Schüler*innen Geprüfte Erklärungen zu allen Themen in der Schule
Studierende Alles was du brauchst für ein erfolgreiches Studium
Auszubildende Lernmaterialien für bessere Noten in der Berufsschule
Magazine Die besten Lifehacks, Tipps und Infos
