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.