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Atomkern

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Ø 3.8 / 24 Bewertungen

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Jakob Köbner
Atomkern
lernst du in der 9. Klasse - 10. Klasse - 11. Klasse - 13. Klasse

Beschreibung Atomkern

In diesem Video wird der Atomkern näher unter die Lupe genommen. Nach einer kleinen Wiederholung zum Aufbau eines Atomkerns, schauen wir uns den Rutherfordschen Streuversuch an. Danach wenden wir uns der Frage zu, warum der Kern eigentlich nicht auseinanderfliegt. Schließlich besteht er ja aus ungeladenen Neutronen und positiv geladenen Protonen. Müssten sich diese nicht gegenseitig abstoßen? Die Antwort auf diese Frage und noch vieles mehr erhältst du in diesem Video.

Transkript Atomkern

Hallo und herzlich willkommen zu "Physik mit Kalle". Wir machen weiter mit der Atomphysik und wollen uns heute nach dem Bohrschen Atommodell den Atomkern mal genauer ansehen. Wir brauchen zu diesem Thema zwar nicht viel Vorwissen, falls ihr Probleme habt könnte es aber hilfreich sein, euch die Videos über das Periodensystem mit der Einführung in die Atomphysik anzusehen, sowie das Video über das Bohr'sche Atommodell. Wir wollen uns heute einmal genauer ansehen wie der Atomkern entdeckt wurde, wie ein Atomkern aufgebaut ist und was den Atomkern überhaupt zusammenhält. Wir wollen noch einmal wiederholen, was wir bis jetzt alles über den Atomkern wissen. Der Atomkern wurde im Rutherford´schen Streuversuch entdeckt. Den wollen wir uns noch ein mal genau ansehen. Seine Bestandteile sind die sogenannten Nucleonen, das heißt Kernbauteile. Das sind die Protonen , die positiv geladen sind und die neutralen Neutronen. Wir haben außerdem schon gehört, dass der Atomkern sehr klein und schwer ist. Wie klein und schwer genau wollen wir uns auch gleich noch einmal ansehen. 1909 führte Ernest Rutherford in Manchester seinen berühmten Streuversuch durch. Der Versuchsaufbau ist eigentlich ganz einfach, wie ihr im Bild links seht. Man nimmt einen Bleiblock, bohrt ein Loch hinein und  schiebt in das Loch Radium. Dadurch hat man sich eine Strahlenkanone gebaut, denn Radium ist ein radioaktives Element, ein sogenannter Alphastrahler. Man wusste damals noch nicht, was diese Alphateilchen sind, heute weiß man, dass es Heliumkerne sind. Man wusste nur, dass sie positiv geladen und relativ schwer sind. In der Schusslinie unserer Strahlenkanone spannen wir nun eine relativ dünne Goldfolie auf um zu sehen was passiert, wenn unsere Alphateilchen durch die Folie hindurch rauschen. Rundherum spannte Rutherford zuletzt einen Zinksulfitschirm, der die auftreffenden Teilchen registrieren sollte, sodass man später auswerten konnte wie viele Teilchen wohin abgelenkt worden waren, falls überhaupt. Aus den Ergebnissen dieses Versuchs hoffte Rutherford neue Erkenntnisse über den Atomaufbau zu gewinnen. Und er hatte Recht. Wenn ihr den letzten Film über das Bohr´sche Atommodell gesehen habt, erinnert ihr euch vielleicht, dass zu dieser Zeit das Thompson´sche Atommodell verbreitet war. Das heißt man ging davon aus ,dass das Atom, ähnlich wie ein Wassertropfen, durchgehend positiv geladen ist, in ihm aber kleine Punkte, die Elektronen schwimmen, die die gesamte negative Ladung tragen. Rutherford erwartete von dem Versuch, dass die relativ schweren und positiv geladenen Alphateilchen die Goldfolie einfach durchschlagen würden und das alle Teilchen höchstens ein wenig abgelenkt würden. Als seine Versuchsergebnisse ausgewertet wurden, stellte jedoch fest, dass ein Großteil des Strahls völlig unabgelenkt durch die Folie hindurch geschlagen war, dass jedoch einige, wenige Alphateilchen stark abgelenkt wurden. Ein Bruchteil wurden sogar direkt zurück geworfen. Er soll damals zu diesem überraschenden Versuchsergebnis gesagt haben "Das ist ja ungefähr so wahrscheinlich, wie wenn man mit einer Granate auf ein Stück Papier schießt und das Ding auf einen zurück prallt."  Als er sich von seinem Schock erholt hatte, kam er zu dem Schluss, dass das wohl bedeuten muss, dass die Masse und positive Ladung des Goldatoms auf einem relativ kleinen Fleck zusammen sitzt. Mit dieser Erkenntnis entwickelte er sein Rutherford´sches Atommodell und sagte als Erster richtig die Größenverhältnisse zwischen Atomkern und Atom voraus. Wollen wir uns doch einmal anhand des Bildes und ein paar Beispielen vor Augen führen, was das bedeutet.Links seht ihr ein Bild eines Heliumatoms. In der Mitte ist der Atomkern und die gelbe Wolke außen herum ist der Ort, an dem sich die beiden Elektronen in der Atomhülle herumtreiben. Im Bild seht ihr den Maßstab übrigens in Angstrom angegeben. Ein Angstrom ist eine Einheit, die extra für die Atomphysik eingeführt wurde. Ein Angstrom ist ein Zehntel Nanometer lang und ungefähr der Durchmesser eines kleinen Atoms. Wie ihr vielleicht noch wisst, wiegt ein Proton fast 2000 mal so viel, wie ein Elektron. Das Elektron ist also sehr leicht. Also kann man sagen , das Atom besteht zum größten Teil aus Nichts. Wie groß dieses Nichts der Elektronenhülle ist, hilft euch vielleicht dieses Beispiel zu verstehen :     Stellt euch vor, euer Atom ist ein Fußballstadion, dann ist der Atomkern nur so groß wie eine Erbse am Anstoßpunkt, oder bei wirklich großen Atomen, sogar nur wie ein Reiskorn am Anstoßpunkt. Nur so ließen sich Rutherfords Versuchsergebnisse befriedigend erklären. Der Atomkern musste unglaublich schwer und vielfach positiv geladen sein, damit die schweren Alphateilchen so stark daran abprallen konnten. Wie schwer so ein Atomkern wirklich ist, hilft euch vieleicht folgendes Beispiel zu verstehen : Stellt euch vor ihr könntet diesen normalen Würfel mit Atomkernen füllen und die Atomhülle weglassen. Wenn ihr das schaffen würdet, wäre dieser Würfel schwerer als alle Menschen zusammen. Zuletzt wollen wir uns jetzt noch der Frage widmen, was den Atomkern eigentlich zusammen hält und das ist gar keine dumme Frage, sie hat die Physiker eine Weile lang beschäftigt. Wie wir jetzt schon mehrfach gehört haben sind Protonen positiv geladen. Ihr erinnert euch vielleicht, dass sich gleichnamige Ladungen aber abstoßen. Wenn ich also 2 Protonen nebeneinander setzte, müssten sie doch eigentlich so schnell wie möglich  in entgegengesetzte Richtungen abhauen. Wollen wir  uns das Ganze doch einmal am Beispiel des Heliumkerns ansehen, den ich euch hier mit meinem unglaublichen handwerklichen Geschick aufgemalt habe.  Der Heliumkern besteht aus 2 Protonen und 2 Neutronen. Wie wir bereits wissen, sind die Protonen positiv geladen und die Neutronen sind elektrisch neutral. Warum also hält das ganze Ding zusammen? Eigentlich sollten sich die Protonen doch so schnell wie möglich davon machen. Des Rätsels Lösung ist eine neue, unbekannte Kraft, die man die starke Wechselwirkung, starke Kraft,  oder auch die Kernkraft nennt. Diese Kraft wirkt allerdings nur auf sehr kurze Entfernungen. Auf eine weite Entfernung stoßen sich 2 Protonen also ab, wenn ihr sie aber nahe genug aneinander drückt, springt euch plötzlich eine 2. Kraft zur Seite, die die beiden auch zusammen zieht. Die starke Wechselwirkung wirkt übrigens zwischen allen Kernbauteilen, also zwischen Neutronen und Neutronen,  Neutronen und Protonen und  Protonen und Protonen. Wenn man sich das so überlegt, könnte man meinen, dass ein Atomkern also umso stabiler ist, je mehr Neutronen in ihm sind.  Das ist aber nicht richtig. Zu viele Neutronen führen auch zu einem instabilen Kern. Warum das so ist, lässt sich allerdings ohne die Quantenphysik nicht erklären. Weswegen ihr, wenn es euch interessiert, in den Oberstufenvideos zur Atom- und Kernphysik nachschauen müsst. Merkt euch am Besten einfach Folgendes : Ein gutes Verhältnis von Protonen zu Neutronen, das heißt im Normalfall ungefähr gleich viel, bei schweren Atomen haben die Neutronen eine geringe Überzahl, führt zu einem stabilen Kern. Hat eine der beiden Arten ein deutliches Übergewicht, erhält man einen instabilen Kern, der versucht durch Zerfall zu einem stabileren Kern zu werden. Diesen Vorgang nennt man Radioaktivität Darüber werden wir im nächsten Video noch mehr hören.Fassen wir noch einmal zusammen was wir heute gelernt haben :Der Atomkern wurde 1909 von Ernest Rutherford in seinem Rutherford´schen Streuversuch entdeckt.Der Atomkern besteht aus Protonen und Neutronen, den Kernbauteilen, die man auch Nukleonen nennt, und trägt auf winzigem Raum fast die gesamte Masse und die positive Ladung des Atoms.Der Atomkern wird trotz der Coulombschen Abstoßung zwischen den Protonen von der starken Wechselwirkung zusammen gehalten. Außerdem haben wir gelernt, dass bei schlechter Balance zwischen Protonen- und Neutronenzahl, ein instabiler Kern entsteht. Also ein radioaktiver Kern. Mehr dazu aber gibt es im nächsten Video.  So, das war es schon wieder für heute. Vielen Dank fürs Zuhören, ich hoffe ich konnte euch helfen. Vielleicht bis zum nächsten Mal. Euer Kalle     

8 Kommentare

8 Kommentare
  1. Vielen Dank!
    Ich konnte dadurch schneller meine Hausaufgaben Lösen

    Von Bianca 2, vor mehr als 5 Jahren
  2. Danke hatte gerade einen Riesen AHA-Effekt!! Super erklärt!

    Von Septembertag, vor fast 6 Jahren
  3. Dankeschön :) hoffentlih hilft mir das bei meinem test morgen:)

    Von Adrienne Molnar, vor mehr als 6 Jahren
  4. Vielen Dank für das gut erklärte Video ! :) Es war nur etwas schwierig den Erklärungen zu folgen, weil sie ein bisschen zu schnell gesprochen haben, aber an sisch war es hilfsreich.

    Von Deleted User 185772, vor fast 7 Jahren
  5. Dadurch bessere Vorstellung

    Von Dw 69, vor mehr als 7 Jahren
Mehr Kommentare

Atomkern Übung

Du möchtest dein gelerntes Wissen anwenden? Mit den Aufgaben zum Video Atomkern kannst du es wiederholen und üben.
  • Benenne die passenden Atomteile.

    Tipps

    Beim Atomkern befinden sich die schwersten Teilchen.

    Lösung

    Ein Atom besteht aus Protonen, Neutronen und Elektronen. Es wird in zwei Teile unterteilt: den sogenannte Atomkern, wo sich die Neutronen und Protonen (auch Nukleonen benannt) befinden, und die sogenannte Atomhülle, wo sich die Elektronen befinden. Der Atomkern ist der positiv geladene innere Teil eines Atoms und die Atomhülle sein negativ geladener äußerer Teil. 1911 hat Ernest Rutherford die Unterteilung eines Atoms in Atomkern und Atomhülle vorgeschlagen. Er zeigte mithilfe des Streuexperiments, dass Atome aus einem winzigen, kompakten Kern bestehen und von einer Hülle umgeben sein müssen.

  • Bestimme die Interaktion zwischen Teilchen im Atomkern.

    Tipps

    Eine Kraft zieht die Teilchen an.

    Die andere Kraft stößt eigene Teilchen ab.

    Lösung

    Das Zusammenhalten eines Atomkernes lässt sich erklären durch die Wechselwirkung, die sogenannte Kernkraft. In unserem Beispiel besteht ein Heliumkern aus zwei Neutronen (weiße Kugel) und zwei Protonen (rote Kugel). Neutronen sind elektrisch neutral und auf sie wirkt keine abstoßende Kraft. Da die Protonen positiv geladene Teilchen sind, stoßen sie sich ab als Wirkung der Coulomb’schen-Interaktion. Gäbe es keine stärker wirkende Kraft im Atomkern, sollten die Protonen sich voneinander entfernen. Diese stärker wirkende Kraft, die Kernkraft (oder die Wechselwirkung), hält alle Teilchen im Atomkern zusammen. Sie wirkt allerdings nur auf sehr kurze Entfernungen. Auf eine weite Entfernung stoßen sich 2 Protonen also ab. Drückt man sie aber nahe genug aneinander, wirkt plötzlich eine zweite Kraft, die die beiden auch zusammen zieht. Die starke Wechselwirkung wirkt übrigens zwischen allen Kernbauteilen, also zwischen den Neutronen selbst, zwischen den Neutronen und den Protonen und auch zwischen den Protonen selbst.

  • Erläutere den Rutherford’schen Streuversuch.

    Tipps

    Alle Wörter kommen jeweils nur einmal vor.

    Lösung

    Rutherford wollte mit seinem Streuversuch das Thomson'sche Atommodell bestätigen.

    1911 gebrauchte er für den Streuversuch einen Bleiblock, bohrte ein Loch hinein und schob in das Loch Radium. Dadurch hat er eine Strahlenkanone gebaut, denn Radium ist ein radioaktives Element, ein sogenannter Alphastrahler. Woraus die Alphateilchen bestanden, war Rutherford nicht bekannt. Man wusste damals nur, dass sie positiv geladen und relativ schwer sind. Heute ist bekannt, dass sie aus Heliumkernen bestehen.

    Die durch die Kanone austretenden Strahlen wurden durch ein elektrisches Feld geleitet. In der Schusslinie seiner Strahlenkanone spannte er eine relativ dünne Goldfolie. Die Alphateilchen wurden senkrecht auf diese Folie gerichtet. Das Ziel war die Beobachtung des Durchfließens der Teilchen durch die Folie. Dafür spannte Rutherford rundherum einen Zinksulfitschirm, der die auftreffenden Teilchen registrieren sollte. Damit konnte er später auswerten, wie viele Teilchen wohin abgelenkt worden waren. Aus den Ergebnissen dieses Versuchs gewann Rutherford neue Erkenntnisse über den Atomaufbau.

    Damit stellte er fest, dass das Thomson'sche Modell inkomplett war und hat aus diesem Grund ein neues Atommodell vorgeschlagen.

  • Beschreibe die bei dem Streuversuch beobachteten Phänomene und die Interpretation Rutherfords dafür.

    Tipps

    Alle Wörter kommen jeweils nur einmal vor.

    Lösung

    Bei seinem Streuversuch beobachtete Rutherford Phänomene, die nicht erklärbar mit dem Thomson’schen Atommodell waren. Also musste er sie neu interpretieren.

    Er beobachtete, dass fast alle Alphateilchen die Goldfolie ungehindert passieren konnten und nur bei ca. einem von 100.000 von ihnen die Richtung geändert wurde. Einige von ihnen wurden zurück gestreut.

    Laut dem Thomson’schen Atommodell sollten alle Alphateilchen (ohne Ausnahme) durch die Goldfolie ungehindert geflossen sein. Rutherford interpretierte die Phänomene wie folgt: Die extrem seltene Ablenkung der Alphateilchen lässt sich dadurch verstehen, dass sich in den Atomen nur ein sehr kleines Massezentrum befindet, das positiv geladen ist, der sogenannte Atomkern. Da die meisten Teilchen die Goldfolie ungehindert passieren, muss zwischen den Kernen ein großer Freiraum bestehen.

    Dieser große Freiraum bedeutet, dass zwischen den Kernen der Goldatome nur das Vakuum entsteht. Anders gesagt, es gibt keine Materie (kein Atom) zwischen den Kernen der Goldatome. Dieser Freiraum ist total leer. Aber nicht verwechseln mit dem Freiraum der Versuchskammer. Der Freiraum in der Versuchskammer ist eigentlich mit Luft ausgefüllt.

    Dieses Ergebnis führte zu dem Rutherford’schen Atommodell.

  • Gib die Eigenschaften und Besonderheiten des Atomkerns an.

    Tipps

    In welchem Fall wirkt die Coulombsche Kraft als eine anziehende oder abstoßende Kraft?

    Lösung

    Ein Atomkern hält sich durch die Wechselwirkung (Kernkraft) zwischen allen inneren Teilchen zusammen. Er bleibt stabil durch ein gutes Verhältnis von Protonen zu Neutronen und konzentriert in sich fast die gesamte Atommasse.

  • Berechne das Volumenverhältnis von Atomkern zu Atomhülle.

    Tipps

    Bestimme die Radien des Atomkerns und der Atomhülle.

    Betrachte den Atomkern und die Atomhülle als Kugeln, um ihre Volumen durch die Formel $\frac{4}{3}πr^{ 3 }$ zu berechnen.

    Vereinfache das Volumenverhältnis von Atomkern zu Atomhülle, um ein Radienverhältnis zu bekommen.

    Berechne das Ergebnis in Prozent.

    Lösung

    Betrachten wir sowohl den Atomkern als auch die Atomhülle als unabhängige Kugel. Um das Volumenverhältnis von Atomkern zu Atomhülle zu berechnen, müssen wir als Erstes die Radien beider Kugeln bestimmen.

    Der Radius des Atomkerns ist ungefähr genauso groß wie der Durchmesser eines Neutrons (oder Protons) plus seinem Abstand bis zum Atomkernzentrum. Das heißt: $r_{ k }\approx 1,5fm+3,5fm\approx 5fm$ . Der Radius der Atomhülle ist die Hälfte des Atomhüllen-Durchmessers, also: $r_{ h }\approx 50.000fm$ .

    Vereinfachen wir das Volumenverhältnis von Atomkern zu Atomhülle als folgendes:

    $\frac { V_{ k } }{ V_{ h } } =\frac { 4/3πr_{ k }^{ 3 } }{ 4/3πr_{ h }^{ 3 } } =\frac { r_{ k }^{ 3 } }{ r_{ h }^{ 3 } } =\frac { 125 }{ 125\cdot { 10 }^{ -12 } } ={ 10 }^{ -12 }$.

    Im Prozentsatz: ${ { 10 }^{ -12 } }\cdot 100={ 10 }^{ -10 }$% .

    Das bedeutet, dass der Atomkern ${ 10 }^{ -12 }$ mal kleiner als die Atomhülle eines Heliumatoms ist und dass der Atomkern nur ${ 10 }^{ -10 }$% des gesamten Volumens eines Heliumatoms entspricht.

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