Modell des Atomkerns 07:32 min

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Transkript Modell des Atomkerns

Hallo. Lass uns heute etwas untersuchen, das so klein und winzig ist, dass noch nie ein Mensch es bisher gesehen hat. Den Atomkern. Der ist so klein, dass wir ihn selbst mit modernster Technik nicht sichtbar machen können. Wir wissen aber durch Experimente, dass es ihn gibt. Um also irgendwie über ihn sprechen zu können, brauchen wir deshalb ein Modell des Atomkerns und das schauen wir uns heute an. Dazu wiederholen wir zunächst das Atommodell von Rutherford. Danach beschäftigen wir uns mit Nukleonen. Anschließend erkläre ich dir die Kernladungszahl und zum Abschluss werde ich dir noch einige Beispielkerne zeigen. Als Erstes beginnen wir mit dem Atommodell von Sir Ernest Rutherford. Dieser wollte eigentlich mit seinen Experimenten das thomsonsche Atommodell bestätigen, also dass Atome, feste, miteinander verbundene Atomrümpfe besitzen, doch er machte völlig andere Beobachtungen. In seinem berühmten Streuversuch stellte er fest, dass Atome aus einer massearmen Elektronenhülle und einem winzig kleinen, kompakten Kern bestehen müssen. Dieser Atomkern müsste nach seinen Forschungen positiv geladen sein und selbst wiederum aus kleineren Teilchen bestehen. Diese nannte er Protonen. In einer Hülle um den Kern befinden sich die Elektronen, die normalerweise in gleicher Anzahl vorhanden sind, wie die Protonen. Somit ist das Atom nach außen hin elektrisch neutral. Rutherford stellte außerdem fest, dass der Kern um ein vielfaches schwerer sein müsste, als die Elektronenhülle und fast die ganze Masse des Atoms in sich trägt. Er war sich auch sicher, dass nicht nur Protonen im Kern enthalten sind, konnte das aber selber noch nicht nachweisen. Deshalb sprechen wir jetzt über Nukleonen. Das lateinische Wort nucleus bedeutet so viel wie Kern. Daraus leitet sich das Wort Nukleon ab, womit die Kernbausteine gemeint sind. Und wie sich 1913 herausstellte, gibt es neben den Protonen auch noch die Neutronen. Diese sind elektrisch neutral, tragen also keine Ladung. Jetzt war also klar, dass der Atomkern aus zwei Arten von Nukleonen besteht: positiven Protonen und neutralen Neutronen. Dabei haben Protonen und Neutronen eine ähnliche Masse. Die Masse der Protonen, mp, beträgt 1,67310-27 Kilogramm. Die der Neutronen, mn, 1,67510-27 Kilogramm. Ein Elektron wiegt dagegen bedeutend weniger. Es hat gerade mal eine Masse von 9,1*10-31 Kilogramm. Das Masseverhältnis zwischen Elektron und Proton ist somit ungefähr 1:1.800. Du kannst dir das vorstellen, wie ein Päckchen Mehl zu einem normalen Fünfpersonen-PKW. Also, wir wissen jetzt woraus der Kern besteht. Als Nächstes wollen wir uns anschauen, wie genau seine Ladung zustandekommt. Ein Atom kann durch seine Kernladungszahl beschrieben werden. Das Formelzeichen ist das große Z. Die Elemente unterscheiden sich in ihrer Kernladungszahl und sind nach diesen im Periodensystem der chemischen Elemente geordnet. Deshalb entspricht die Kernladungszahl der Ordnungszahl. Z bezeichnet die Anzahl der positiven Ladungen im Atomkern. Damit sind also alle Protonen gemeint. Bei einem neutralen Atom ist es außerdem so, dass die Anzahl der Protonen gleich der Anzahl der Elektronen ist. Neben der Kernladungszahl gibt es also noch eine wichtige Kenngröße: Die Massezahl A. Diese ergibt sich aus der Summe aus Protonen- und Neutronenanzahl, also: A = Z + N. Das Verhältnis von Protonen zu Neutronen lässt sich nur über die Atommasse und die Kernladungszahl bestimmen. Während die Kernladungszahl linear anwächst, steigt die Neutronenzahl N immer mehr. Der Anteil der Nukleonen, die Neutronen sind, wird also mit steigender Kernladungszahl immer größer. Das zeige ich dir jetzt mal an einigen Beispielkernen. Zuerst einen Heliumkern. Sein Elementesymbol ist He und es hat die Kernladungszahl 2. Da Helium sehr leicht ist, hat es auch nur zwei Neutronen im Kern, sodass die Massezahl genau 4 ist. Ein ganz anderes Beispiel ist Uran. Es hat das Elementesymbol U und hat einen sehr schweren Kern. Es hat schon allein 92 Protonen, wozu aber noch ungefähr 146 Neutronen dazukommen. Seine Massezahl beträgt somit durchschnittlich 238. Fassen wir einmal zusammen: Das Modell des Atoms, auf das wir unsere Erkenntnisse stützen, wurde 1911 von Ernest Rutherford entwickelt. Die Nukleonen bilden dabei die Kernbausteine, womit positive Protonen und nicht-geladene, also neutrale, Neutronen gemeint sind. Die Kernladungszahl Z gibt die Anzahl der Protonen an und entspricht der Ordnungszahl im PSE. Bei einem neutralen Atom sind die Anzahl der Protonen und die Anzahl der Elektronen gleich. Außerdem weißt du, dass es sehr unterschiedliche Kerne gibt. Helium hat zum Beispiel nur zwei Protonen, Uran dagegen 92 Protonen im Kern. Für alle Kerne lässt sich allerdings die Massezahl A als Summe aus Z und N bestimmen. Damit hast du jetzt die Grundlagen für die Kernphysik kennengelernt und kannst dich noch spannenderen Fragen zuwenden. Viel Spaß dabei. Tschüss.

3 Kommentare
  1. Default

    Ab Nukleonen fehlt leider der Ton.

    Von Z006raa, vor etwa 4 Jahren
  2. Karsten

    @Serkan
    Im Periodensystem der Elemente PSE kannst du die Massenzahlen und die Ordnungszahlen ablesen. Die Ordnungszahl gibt an wie viele Protonen und Elektronen das Atom besitzt. Wenn man von der Massenzahl die Ordnungszahl abzieht hat man die Anzahl der Neutronen.

    Von Karsten Schedemann, vor etwa 4 Jahren
  3. Default

    Hallo ich versteh nicht wie du drauf gekommen bist das ein Urankern 92 Protonen hat und 146 Nukleonen? Gibt es dafür ne Formel um zu bestimmen wie viel von was vorhanden ist, oder kann man das ausm Tafelwerk irgendwie ablesen?

    Von Serkan 21, vor etwa 4 Jahren

Modell des Atomkerns Übung

Du möchtest dein gelerntes Wissen anwenden? Mit den Aufgaben zum Video Modell des Atomkerns kannst du es wiederholen und üben.

  • Gib den Streuversuch von Rutherford an.

    Tipps

    Der Versuch lässt Schlüsse über den Atomaufbau zu.

    Lösung

    Hier siehst du den Streuversuch von Rutherford. Dabei beschoss er eine Goldfolie mit radioaktiver $\alpha$-Strahlung. Er erwartete dabei, dass diese aus Heliumkernen bestehende Strahlung von der dichten Goldfolie reflektiert wird. Da er das Thomson'sche Atommodell bestätigen wollte.

    Die $\alpha$-Teilchen durchdrangen aber zum größten Teil die Folie. Die Teilchen wurden dabei unterschiedlich abgelenkt und konnten auf dem umgebenden Ring, dem Detektor, nachgewiesen werden.

    Damit wiederlegte er das Thomson'sche Atommodell und formulierte in der Folge ein eigenes Atommodell. Das Atommodell von Rutherford.

  • Bestimme die Massenverhältnisse.

    Tipps

    Im Kern des Atoms ist fast die gesamte Masse vereinigt.

    Auf atomarer Ebene sind die Massen sehr klein.

    Elektron und Proton stehen im selben Verhältnins, wie das Paket Mehl zu einem Auto.

    Lösung

    Sowohl das Auto als auch das Paket Mehl sind Dinge, die wir mit dem bloßen Auge erkennen können. Sie sind nicht so klein wie die die Bauteile eines Atoms, die wir nicht einmal unter dem Mikroskop erkennen können. Dass ein Auto mit etwa 1800 kg schwerer ist als ein Paket Mehl von 1 kg, konntest du wohl auch erraten. Schauen wir nun auf die Ebene der Atombausteine. Wir wissen, dass fast die gesamte Masse des Atoms im Kern vereinigt ist. Also müssen die Nukleonen, Neutronen und Protonen schwerer sein als die Elektronen, die in der Hülle zu finden sind. Tatsächlich ist das Verhältnis von einem Elektron zu einem Proton in etwa so wie das eines Päckchen Mehls zu einem Auto. Das Neutron ist noch ein bisschen schwerer als das Proton.

  • Zeige welche Bestandteile zum Atomkern und welche zur Hülle gehören.

    Tipps

    Beachte die Kernladungszahl.

    Wir unterscheiden nach der Ladung.

    Lösung

    Der Atomkern besteht aus Nukleonen, den Kernbausteinen. Nach dem Versuch von Rutherford sind diese Nukleonen zumindest teilweise positiv geladen. Er nannte sie Protonen. Rutherford vermutete, dass es noch weitere Teilchen im Kern geben müsse. Diese sollten keine Ladung aufweisen. Sie wurden wenig später nachgewiesen und als Neutronen bezeichnet. Diese Teilchen besitzen weit über 99% der gesamten Masse des Atoms, nehmen aber als fast punktförmige Masse nur einen Raum von weniger als 1% ein.

    Da das gesamte Atom nach Außen hin elektrisch neutral ist, muss sich in der Atomhülle eine negative Ladung befinden, die vom Betrag her ebenso groß ist wie die Ladung im Kern. Diese Teilchen besitzen weniger als 1% der Masse des Atoms, nehmen jedoch mehr als 99% des Volumens ein. Sie werden Elektronen genannt.

  • Arbeite heraus, was geschieht, wenn mehr Elektronen als Protonen vorliegen.

    Tipps

    Positive und negative Ladungen heben sich auf.

    Protonen - Elektronen = Ladung

    Lösung

    In einem nach außen ungeladenen Atom ist die Anzahl der Protonen im Kern gleich der Anzahl der Elektronen in der Hülle. Die positiven und negativen Ladungen heben sich dann insgesamt auf. Wird nun weitere Ladung hinzugefügt oder abgegeben, so ändert sich auch der elektrische Zustand des gesamten Atoms.

    Wichtig ist zu wissen, dass immer nur ganzzahlige Ladung aufgenommen oder abgegeben werden kann. Genauer heißt das, es kann kein halbes Elektron abgegeben oder aufgenommen werden. Oder: Ein Elektron ist die kleinste Einheit der Ladung. Genauso wie ein Cent die kleinste Einheit in deinem Geldbeutel ist: Du kannst einen Cent bezahlen, einen halben Cent aber nicht.

    Da Elektronen negative Ladung tragen, wird bei Hinzufügen weiterer Elektronen zu einem anfangs elektrisch neutralen Atom ein Überschuss an negativer Ladung entstehen. Damit wird die Gesamtladung des Atoms negativ.

  • Beschreibe den Aufbau des Streuversuches.

    Tipps

    Das Ergebnis aus seinem Versuch hielt Rutherford zunächst für sehr unwahrscheinlich.

    Blei isoliert Strahlung.

    Die Strahlung wurde ganz unterschiedlich abgelenkt.

    Lösung

    Der „Streuversuch von Rutherford" ist ein Experiment des neuseeländischen Experimentalphysikers Sir Ernest Rutherford zum Aufbau des Atoms.

    Dazu platzierte er einen radioaktiven Stoff in einem in einen Bleiblock gebohrten Loch. Dadurch kann die Strahlung nur in Richtung der Bohrung, jedoch nicht nach allen Seiten entweichen. Den so erzeugten Strahl richtete Rutherford auf eine von einem Detektorring umgebene Goldfolie. Er beobachtete, dass die α- Strahlung ganz unterschiedlich durch die Goldfolie tritt oder von ihr reflektiert wird. Daraus schloss er, dass Atome einen massereichen Kern, aber eine fast leere Hülle haben müssten, da die auftreffenden α-Teilchen je nach Auftreffwinkel auf den Atomkerrn in eine andere Richtung angelenkt wurden.

    Du kannst dir das in etwa so vorstellen, als würde man beim Billard anspielen. Je nachdem im welchem Winkel genau man die bunten Objektkugeln (Atomkerne der Goldfolie) trifft, wird auch die weiße Spielkugel (α-Teilchen) abgelenkt.

    Rutherford war von diesem Ergebnis des Experimentes so überrascht, dass er gesagt haben soll: „Dies ist so unwahrscheinlich, als ob man mit einer Pistole auf einen Wattebausch schießt, und die Kugel zurückprallt.“ Mit seinem Experiment hat er den Grundstein der heute genutzten Atommodelle gesetzt.

  • Ermittle die Anzahl der Neutronen.

    Tipps

    Der Kern besteht aus Neutronen und Protonen.

    Im Kern ist die gesamte Masse vereinigt.

    Die Anzahl der Neutronen steigt exponential.

    Lösung

    Der Ausschnitt des Periodensystems zeigt das Element Blei (Pb).

    Wir können die Zahl 82 in der linken, oberen Ecke ablesen. Diese gibt die Anzahl der positiven Ladungen des Elements an, also die Anzahl der Protonen im Kern. Die Zahl 207.2, die du am unteren Rand der Grafik ablesen kannst, gibt die Masse des gesamten Blei-Atoms an. Da die Masse eines Atoms so gut wie vollständig im Atomkern vorliegt, müssen wir nun von der gesamten (gerundeten) Masse [207] die Masse der Protonen abziehen [82]. Als Ergebnis erhalten wir damit 125 Neutronen. Wir sehen, dass deutlich mehr Neutronen als Protonen im Kern des Blei-Atoms enthalten sind. Das liegt daran, dass die Anzahl der Protonen im Kern stets linear ansteigt, die der Neutronen aber exponentiell.