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Nuklide – Isotope – Kernkräfte

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Physik-Team
Nuklide – Isotope – Kernkräfte
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Grundlagen zum Thema Nuklide – Isotope – Kernkräfte

Inhalt

Der Aufbau des Atomkerns

Das Kernmodell

In einem einfachen Modell können wir uns den Atomkern als eine Kugel vorstellen, die wiederum aus kleineren Kugeln zusammengesetzt ist. Bei diesen handelt es sich um positive Teilchen, die Protonen, und neutrale Teilchen, die Neutronen. Die Anzahl an Protonen nennt man Kernladungszahl $\text{Z}$ und die Anzahl der Neutronen wird mit $\text{N}$ angegeben.

Kernmodell Physik

Während ein Element $\text{X}$ durch seine Kernladungszahl klar definiert ist, kann sich die Anzahl der Neutronen im Kern für ein Element unterscheiden. Man nennt die Kernladungszahl auch Ordnungszahl, weil die Elemente im Periodensystem nach dem Wert von $\text{Z}$ sortiert werden. Statt der Neutronenzahl wird im Periodensystem und der Symbolschreibweise zusätzlich zur Kernladungszahl die Massenzahl $\text{A}$ angegeben. Sie entspricht der Summe aus Anzahl der Protonen und Neutronen, also:

$\text{A} = \text{Z} + \text{N}$

Man nennt sie Massenzahl, weil sie in etwa der Masse des Kerns in atomaren Masseeinheiten ($\text{u}$) entspricht.

Nuklide

Eine Atomsorte mit gegebenen Werten $\text{A}$ und $\text{Z}$ nennt man ein Nuklid. Per Definition wird es in der Symbolschreibweise wie folgt geschrieben:

$_{Z}^{A}\text{X}$

In dem folgenden Beispiel sehen wir einen Kern mit sechs Protonen und sechs Neutronen gezeichnet. Ein Blick ins Periodensystem der Elemente zeigt uns, dass es sich dabei um das Element Kohlenstoff handelt.

Kohlenstoff Nuklid, Kernmodell

Isotope

Betrachten wir jetzt einen Kern mit sechs Protonen, aber acht Neutronen.

Kohlenstoffisotope

Da die Kernladungszahl gleich geblieben ist, handelt es sich immer noch um ein Kohlenstoffatom. Wegen der acht Neutronen ist aber die Massenzahl jetzt $\text{A} = 6 + 8 = 14$. Man nennt solche Atomarten Isotope. Die genaue Definition lautet folgendermaßen: Atome, deren Kerne identische Kernladungszahlen, aber unterschiedliche Massenzahlen haben, heißen Isotope eines Elements.

Das Kohlenstoffisotop, das wir aufgezeichnet haben, nennt man auch Kohlenstoff-14. Vielleicht hast du diesen Namen schon einmal im Zusammenhang mit der Radiokarbonmethode gehört. Es handelt sich nämlich um ein instabiles Isotop. Das bedeutet, dass sich der $_{6}^{14}\text{C}$-Kern nach einer gewissen Zeit in den Kern eines anderen Elements umwandelt. In diesem Fall wird ein Neutron zu einem Proton. Dabei wird außerdem Strahlung freigesetzt, ein Elektron und ein Elektron-Antineutrino. Der entstehende Kern hat also die Kernladungszahl 7 und die Massenzahl 14. Das ist ein stabiles Stickstoffisotop:

$_{6}^{14}\text{C} \rightarrow _{7}^{14} \text{N} + \text{e}^{-} + \overline{\nu}$

Kohlenstoffisotope und Zerfall zu Stickstoff

Aber was sorgt eigentlich dafür, dass Protonen und Neutronen in einem Kern zusammenhalten?

Kernkräfte

Protonen und Neutronen werden von den sogenannten Bindungskräften im Atomkern zusammengehalten. Man nennt diese Kräfte deswegen auch Kernkräfte. Wir schauen uns einmal an, welche Kräfte insgesamt in einem Atomkern wirken.

Da der Kern unter anderem aus geladenen Teilchen besteht, wirkt natürlich die Coulombkraft. Sie wirkt abstoßend zwischen den Protonen und hat eine große Reichweite. Sie trägt also nicht dazu bei, den Kern zusammenzuhalten, sondern destabilisiert ihn eher. Das ist auch ein Grund dafür, dass schwere Kerne mit besonders vielen Protonen häufig instabil sind.

Zwischen allen Teilchen im Kern, also sowohl zwischen Protonen und Neutronen, als auch zwischen gleichen Teilchen, wirkt die starke Wechselwirkung. Sie wird manchmal auch starke Kernkraft genannt. Sie wirkt anziehend und hat eine extrem kurze Reichweite, die in etwa der Größenordnung des Kerndurchmessers entspricht. Auf diese kurzen Distanzen ist sie allerdings viel stärker als die Coulombkraft. Diese Eigenschaft der starken Kernkraft sorgt dafür, dass die Kerne zusammenhalten.

Es gibt außerdem noch zwei weitere Kräfte, die im Kern wirken. Zum einen gibt es die schwache Wechselwirkung, oder schwache Kernkraft. Sie sorgt zum Beispiel dafür, dass sich Neutronen in Protonen umwandeln können, spielt also bei Zerfällen eine große Rolle. Zur Bindung des Kerns liefert sie allerdings keinen Beitrag.

Außerdem wirkt natürlich auch zwischen kleinsten Teilchen die Gravitation. Sie ist allerdings im Vergleich zur starken Wechselwirkung etwa $10^{-41}$-mal kleiner und kann deswegen vernachlässigt werden.

Kernmodell-Kernkräfte

Das Video Nuklide - Isotope - Kernkräfte kurz zusammengefasst

In diesem Video stellen wir uns der Frage, was Kernkräfte sind und wie man sie einfach erklärt. Außerdem lernen wir, welche Funktion die Kernkraft beim Aufbau der Atomkerne spielt und lernen die Symbolschreibweise kennen. Du findest außerdem interaktive Übungen zu Kernkräften in der Physik, mit denen du dein Wissen vertiefen kannst.

Transkript Nuklide – Isotope – Kernkräfte

Hallo, ein einfaches und weit verbreitetes Modell für den Aufbau der Atomkerne beschreibt sie als eine Zusammenballung von positiv geladenen Teilchen, den Protonen, und neutralen Teilchen, den Neutronen. Doch warum sollte es möglich sein, dass sich die Teilchen überhaupt zusammenballen. Müssten sich die positiv geladenen Protonen nicht sogar abstoßen?

Videoübersicht

Das verhindern die Kernkräfte. Um diese geht es im zweiten Teil dieses Videos. Im ersten Teil beschäftigen wir uns mit der Klassifizierung von Atomkernen in Nuklide und Isotope. Du erfährst, wann ein Atomkern zu einem chemischen Element gehört. Außerdem lernst du die Symbolschreibweise zur Klassifizierung von Atomkernen kennen.

Isotope im Atomkernmodell

Schauen wir uns unser Atomkernmodell genauer an. Die Anzahl an Protonen wird als Kernladungszahl Z bezeichnet In diesem Fall ist Z=6. Alle Atomkerne, die zu einem chemischen Element gehören, haben die gleiche Kernladungszahl Z. Sie werden als Isotope bezeichnet.

Kernladungszahlen im Periodensystem

Im Periodensystem der chemischen Elemente werden die Elemente nach der Kernladungszahl geordnet. Sie wird daher auch als Ordnungszahl bezeichnet. In unserem Beispiel haben wir die Kernladungszahl 6. Im Periodensystem finden wir für die Ordnungszahl 6 den Kohlenstoff C.

Die Nuklide

Es handelt sich also um ein Kohlenstoffisotop. Für die Anzahl an Neutronen verwenden wir das Symbol N. In unserem Fall ist N gleich 6. Durch die Neutronenzahl N und Protonenzahl Z wird ein Atomsorte definiert. Man bezeichent sie als Nuklid. Zur Bezeichnung der Nuklide gibt es eine Symbolschreibweise.

Der erste Teil dieser Symbolschreibweise ist das Symbol für das zugehörige Element. In unserem Beispiel ist das C. Zusätzlich zum chemischen Symbol schreibt man in die linke untere Ecke die Kernladungszahl Z und in die linke oberen Ecke die so genannte Massenzahl A.

Die Massezahl

Die Massenzahl ist definiert als Summe der Protonenzahl und der Neutronenzahl also A=Z+N. Der Name Massenzahl stammt daher, dass sie in etwa der Masse des Atomkerns in atomaren Masse-Einheiten u entspricht. Protonen und Neutronen haben zwar unterschiedliche Massen, dieser Unterschied ist aber klein im Vergleich zur Gesamtmasse der Atomkerne.

In unserem Beispiel ist A= 6+6=12. Wir haben also in der Symbolschreibweise C 12-6. Angenommen der Atomkern in unserem Beispiel hätte zwei weitere Neutronen. Dann wäre N=8 und A=14. Da die Protonenzahl gleich geblieben ist, haben wir wieder den Kern eines Kohlenstoffatoms. In der Symbolschreibweise erhalten wir also C-14-6.

Die Isotope eines Elements

Unterschiedliche Isotope, eines Elements, sind durch ihre Massenzahl eindeutig beschrieben. Man sagt: “Kohlenstoff-12 und Kohlenstoff-14 sind Isotope des Kohlenstoff.” Kohlenstoff-12 ist das am häufigsten in der Natur vorkommende Kohlenstoff-Isotop. Kohlenstoff-14 ist viel seltener und sogar instabil.

Innerhalb unseres Atomkernmodells heißt das, dass sich nach einer gewissen Zeit ein Neutron in ein Proton umwandelt. Die Kernladungszahl Z erhöht sich dann von 6 auf 7. Die Massenzahl bleibt gleich. Für Z=7 finden wir im Periodensystem den Stickstoff.

Das Stickstoff-Isotop

Wir erhalten also in der Symbolschreibweise N-14-7. Dieses Stickstoff-Isotop ist das häufigste in der Natur vorkommende. Und es ist wiederum stabil. Aber was hält nun die Kerne eigentlich zusammen? Es wirkt ja die Coulombkraft und eigentlich sollten sich die positiv geladenen Protonen doch abstoßen.

Dafür sind die Kernkräfte verantwortlich. Es gibt die schwache und die starke Kernkraft. Auf so kleinem Abständen wie im Atomkern sind sie viel stärker als die Coulombkraft. Die Kernkräfte wirken zwischen allen Elementarteilchen im Kern unabhängig von ihrer Ladung. In Summe halten die Kräfte den Atomkern deshalb zusammen.

Die Gravitation

Die vierte Kraft, die im Atomkern wirkt, ist die Gravitation. Diese ist aber noch um ein vielfaches schwächer als die Coulombkraft und kann deshalb vernachlässigt werden. Fassen wir also zusammen:

Die Anzahl an Protonen in einem Atomkern wird als Kernladungszahl Z bezeichnet. Die Summe aus Neutronenzahl und Kernladungszahl wird als Massenzahl A bezeichnet. A=Z + N. Ein Nuklid ist eine Atomkernsorte, die durch eine feste Protonenzahl und eine feste Neutronenzahl definiert wird.

Zusammenfassung zur Kernkraft

Isotop ist die Bezeichnung für Atomkerne eines Elements unabhängig von der Neutronenzahl. Die Symbolschreibweise setzt sich aus dem Symbol des zugehörigen chemischen Elements, der Massenzahl und der Kernladungszahl zusammen. Im Atomkern wirken die vier Grundkräfte der Physik. Diese sind geordnet nach der Stärke ihrer Wirkung im Atomkern beginnend mit schwächsten Kraft: die Gravitation, die Coulombkraft, die schwache Kernkraft und die starke Kernkraft. In ihrer Summe halten die Kräfte den Kern zusammen.

6 Kommentare

6 Kommentare
  1. @K Kamaladiwala,
    danke für den Hinweis, die Antworten wurden nun eindeutiger formuliert und mit einem Beispiel verdeutlicht.

    Von Karsten S., vor fast 4 Jahren
  2. Ich habe es noch mehrmals gelesen... es ist doch nicht falsch erklärt, aber wenn man es daraus lernen soll, ist es doch sehr missverständlich. (Ich beziehe mich auf Lösung 2 und 6)

    Von K Kamaladiwala, vor fast 4 Jahren
  3. In den Arbeitsblättern ist aber der Begriff Nuklid fehlerhaft erläutert.

    Von K Kamaladiwala, vor fast 4 Jahren
  4. @Amelie01, es ist so, jeder Kombination von Kernladungszahl Z und Neutronenzahl N bildet ein Nuklid. Isotope sind eine Gruppe von Nukliden, deren Kernladungszahl Z identisch ist, die sich aber in ihrer Neutronenzahl N unterscheiden. Beispiel: Uran - 235 (Z=92, N= 143) ist ein Nuklid, genauso wie Uran - 238 (Z=92, N=146), beide sind Isotope des Uran. Das p in Isotope, gibt an, dass die Protonenzahl gleich bleibt.

    Also gilt in 1:03, jeder Kern mit Z=6 und einem beliebigen N ist, jeder für sich, ein Nuklid. Alle möglichen Kerne, mit Z=6 und unterschiedlichem N, sind dann zusammen die Isotope des Kohlenstoffs.

    Von Karsten S., vor fast 4 Jahren
  5. ist das nicht dann ein Nuklid und kein Isotop ?

    Von Amelie01, vor fast 4 Jahren
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Nuklide – Isotope – Kernkräfte Übung

Du möchtest dein gelerntes Wissen anwenden? Mit den Aufgaben zum Video Nuklide – Isotope – Kernkräfte kannst du es wiederholen und üben.
  • Erkläre, wodurch ein Nuklid eindeutig definiert ist.

    Tipps

    Negative Ladung entsteht durch Elektronenüberschuss.

    Nuklide beinhalten die Nukleonen.

    Lösung

    Ein „Nuklid" ist ein Atom, bei dem die Anzahl der Protonen und Neutronen im Kern klar definiert ist. So ist Wasserstoff (1 Proton, 0 Neutronen) ein Nuklid und ebenso Deuterium (Schwerer Wasserstoff: 1 Proton, 1 Neutron) und Tritium (Überschwerer Wasserstoff: 1 Proton, 2 Neutronen).

    Gemeinsam bilden diese drei Nuklide, die „Isotope“ des Wasserstoffs.

    Die Anzahl der Elektronen eines Atoms beeinflusst lediglich seine Ladung. Enthält ein Atom mehr Elektronen als Protonen, so ist es „negativ geladen". Sind es weniger Elektronen als Protonen, so bezeichnet man es als „positiv geladen".

    Die Atommasse ist zusammengesetzt aus dem Gewicht der Protonen und Neutronen. Elektronen spielen hier so gut wie keine Rolle und werden vernachlässigt. Kennt man die Atommasse, weiß man zwar, wie viele Protonen und Neutronen in der Summe vorliegen, aber nicht die einzelnen Anteile.

  • Definiere den Begriff Isotop.

    Tipps

    Nuklide sind auch Isotope.

    Jedes Element hat verschiedene Isotope.

    Lösung

    Isotope bezeichnen alle Atomkerne, die zu einem chemischen Element gehören. Sie haben also die gleiche Ordnungszahl und somit auch die identische Anzahl an Protonen im Kern (Kernladungszahl). Aus den instabilen Isotopen eines Elementes kann sich ein stabiles Isotop eines anderen Elementes bilden. So sind in der Natur die stabilen Isotope stets am häufigsten vertreten.

  • Ordne die Kräfte im Atomkern.

    Tipps

    Zur Kernspaltung wird sehr viel Energie benötigt.

    In der Natur halten Atomkerne fest zusammen.

    Atomkerne sind sehr leicht.

    Lösung

    Die schwächste Kraft auf den Atomkern ist die Gravitation, diese resultiert aus dem sehr geringen Gewicht der Nukleonen, sie kann hier sogar vernachlässigt werden.

    Auch die Coulomb-Kraft, die aus der Ladung der Protonen resultiert, hat nur eine sehr geringe Auswirkung.

    Gäbe es also nur diese beiden Kräfte, bliebe in unserer Betrachtung nur die Coulomb-Kraft übrig, da alle Protonen positiv, also gleich geladen sind, würden diese sich abstoßen und der Kern so zerteilt werden. In der Realität teilen sich Atomkerne jedoch nicht von selbst. Daher müssen noch weitere Kräfte im Kern wirken, die diesen zusammenhalten.

    Wir sprechen hier von den beiden Kernkräften, die „schwache" und die „starke Kernkraft", die sich stark im Kern auswirken. Als Summer dieser Kräfte hält der Atomkern fest zusammen.

  • Zeige die Isotope des Heliums.

    Tipps

    Nuklide sind Isotope.

    Die Kernladungszahl ist die Ordnungszahl.

    Lösung

    In der Symbolschreibweise gibt die Ordnungszahl $Z$ stets die Anzahl der Protonen an, nach der die Elemente geordnet sind. Alle Atome, die dieselbe Anzahl an Protonen haben, werden unabhängig von der Zahl der Neutronen oder Elektronen als „Isotope" bezeichnet. Ein Element hat also immer eine festgelegte Anzahl an Protonen, für das Beispiel Helium sind dies zwei. Dabei können aber mehrere Isotope auftreten, also Heliumatome mit 2 Protonen, aber 2, 3 oder 4 Neutronen.

  • Definiere den Atomkern.

    Tipps

    Man geht von der Existenz von Nukliden aus.

    Was befindet sich in der Atomhülle?

    Wie setzt sich die Massezahl eines Atoms zusammen ?

    Lösung

    Der Atomkern besteht aus zwei unterschiedlichen Atombausteinen: den Neutronen und den Protonen. Die sogenannten „Nukleonen" bestimmen, zu welchem Element ein Atom gehört und ob es sich um ein Isotop oder ein Nuklid handelt. Elektronen finden wir im Atomkern überhaupt keine, diese sind nämlich in der Atomhülle anzutreffen.

  • Erkläre den Unterschied von Nukliden und Isotopen.

    Tipps

    Leichte Elemente kommen in der Natur oft als Nuklide vor.

    Schwere Elemente kommen in der Natur oft als Isotope vor.

    Die Anzahl der Neutronen im Atomkern steigt mit zunehmender Ordnungszahl exponentiell.

    Lösung

    Ein „Nuklid" ist ein Atom, bei dem die Anzahl der Protonen und Neutronen im Kern klar definiert ist. So ist Wasserstoff (1 Proton, 0 Neutronen) ein Nuklid und ebenso Deuterium (Schwerer Wasserstoff: 1 Proton, 1 Neutron) und Tritium (Überschwerer Wasserstoff: 1 Proton, 2 Neutronen).

    Gemeinsam bilden diese drei Nuklide, die „Isotope“ des Wasserstoffs.

    Leichte Elemente kommen in der Natur oft als stabile Nuklide vor. Für schwere Elemente, also diese, welche viele Protonen im Kern enthalten, steigt die Anzahl der vorhandenen Neutronen exponentiell an. Isotope sind in der Regel nur für schwerere Elemente stabil, nicht aber für leichte. Liegt nun ein Isotop eines leichten Elements vor, so kann ein Neutron zu einem Proton umgewandelt werden. Damit wird auch die Ordnungszahl verändert und wir erhalten ein anderes Element.

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