Atomkern -aufbau und Nachweismethoden

Wenn man den Aufbau eines Atoms grob einteilt, wird ein Atom aufgebaut aus einem Atomkern, der aus elektrisch neutralen Neutronen und positiv geladenen Protonen (= Nukleonen oder Kernteilchen) besteht und der Atomhülle, die aus den negativ geladenen Elektronen besteht. In diesem Kapitel werden die wesentlichen Eigenschaften von Atomen benannt so wie deren Nachweismethoden erwähnt.

Aufbau der Atomkerne – Anzahl der Protonen im Atomkern

Ein Atomkern wird aus den sogenannten Nukleonen aufgebaut. Diese ist die Summer aller Protonen und Neutronen im Atomkern. Um die Größe der positiven Ladung eines Atomkerns (= Zahl der Protonen im Kern) zu bestimmen gibt es mehrere Möglichkeiten:

• Ist das Element bekannt, kann die positive Ladung des Atomkerns (das auch der Zahl der Protonen entspricht) im Periodensystem bestimmt werden. Dabei ist die Ordnungszahl des Elementes gleich der Anzahl der positiv geladenen Protonen im Atomkern.

• Die Größe der positiven Ladung (und damit die Anzahl der positiv geladenen Protonen) können aber auch aus den Röntgenspektren der betreffenden Atome mit Hilfe des Moseleyschen Gesetzes bestimmt werden.
• Die Größe der positiven Ladung kann aber auch aus der Streuung von Alpha-Teilchen an Atomkernen bestimmt werden

Aufbau der Atomkerne – Masse und Anzahl der Neutronen

• Die Masse eines Atoms kann wiederum mit Hilfe des Periodensystems bestimmt werden. Die Masse kann aber auch (wenn z.B. das Element unbekannt ist) mit den Methoden der Massenspektroskopie bestimmt werden.

• Die Kenntnis der Ladung und der Masse von Atomkernen ermöglicht es uns nun, die Zahl der Neutronen im Kern zu bestimmen. Ein Atomkern ist aus Z Protonen (Z = Ordnungszahl) und A – Z Protonen (A = Massenzahl eines Atomkerns) aufgebaut.

Aufbau der Atomkerne – Dichte und Durchmesser

Der Durchmesser von Atomkernen ist nicht exakt zu bestimmen, dies liegt auch daran, dass Atomkerne keine starre Anordnung bilden. Für “leichte” Atomkerne kann man eine kugelförmige Gestalt annehmen. Für Atome mit höherem Atomgewicht  deuten Messungen auf eine ellipsenförmige Gestalt hin. Dies erschwert so die Bestimmung des Atomkern-Durchmessers, da man für die äußere Begrenzung des Atomkerns den Abfall der Kernkräfte untersucht. Um Kernradien zu bestimmen, gibt es einige Möglichkeiten:

• Kernradien können durch Messung der Winkelverteilung der an einem Atomkern gestreuten Alpha-Teilchen bestimmen (mit Hilfe der sogenannten Rutherfordschen Streuformel).

• Kernradien können aber auch durch die Streuung schneller Neutronen am Kern bestimmt werden.

Aus diesen Untersuchungen lässt sich herleiten, dass die Kernradien (näherungsweise) proportional zur dritten Wurzel aus der Massenanzahl sind. Hieraus leitet sich die in der Schule häufig verwendete Formel zu Bestimmung des Kernradius eines Atomkerns ab.

• Der Kernradius ist näherungsweise 1,3 · 10 ^ (-13) ·A^(1/3) cm, wobei A die Massenzahl des entsprechenden Atomkerns ist. Aus diesen Ergebnissen lässt sich auch schließen, dass die Kerndichte in erster Näherung konstant ist

Mit Hilfe der bisherigen Ergebnisse kann die Dichte eines Atomkerns mit 2 · 10 ^14 g/cm³ angegeben werden. Wie bereits in der allgemeinen Chemie erwähnt, ist die Dichte eines Atomkerns unvorstellbar groß.

Aufbau der Atomkerne – Massendefekt und Kernbindungsenergie

Betrachten wir die Summen der Massen von Protonen und Neutronen, die einen bestimmten Atomkern aufbauen und vergleichen diese mit dem Atomgewicht des Kerns, so fällt auf, dass die Masse des Kerns immer kleiner ist, also die Summe der Massen der Nukleonen. Dies steht im Widerspruch zu dem Massenerhaltungsgesetz. Dieses Phänomen wird als Massendefekt bezeichnet. Der Massendefekt lässt sich mit Hilfe der Äquivalenz von Masse und Energie erklären und bestimmen: E = m · c²

Der Massendefekt lässt sich dadurch erklären, dass bei der Bildung eines Atomkerns aus Protonen und Neutronen Bindungsenergie frei wird. Trägt man nun berechnete Massendefekte gegen deren Massenzahl auf, so erhält man eine Gerade. Daraus lässt sich schließen, dass im Mittel die Bindungsenergie von Proton oder Neutron gleich groß ist und in erster Näherung 8 MeV beträgt.

Aufbau der Atomkerne – Magnetisches Moment

Bei einem Atomkern handelt es sich um ein elektrisch geladenes System (durch die Protonen). Durch den Drehimpuls des Systems ergibt sich ein magnetisches Moment. Das magnetische Moment ist dabei mit der Bahnbewegung und des Spins der Nukleonen verknüpft.

Zur Messung von magnetischen Momenten eines Atomkerns misst man die Änderung der Orientierung der Kernmomente, die in einem äußeren konstanten Magnetfeld bewirkt wird (dies ist allerdings nicht mehr “Schulstoff”)

• Atommodelle (Chemie)

• Einführung in die Quantenphysik

• Abfrageprogramm: Grundlage der Naturwissenschaften

Atomkern -aufbau und Nachweismethoden – Testfragen/-aufgaben

1. Was versteht man unter einem Atomkern und welche Teilchen befinden sich darin?

Ein Atomkern ist der zentrale Teil eines Atoms und besteht aus Protonen und Neutronen.

2. Nach welchen Prinzipien sind Protonen und Neutronen im Kern angeordnet?

Im Atomkern sind die Protonen und Neutronen tatsächlich nicht nach einem spezifischen Muster angeordnet. Ihre Positionen sind das Ergebnis von Quantenmechanik und die Starke Wechselwirkung.

3. Wie hält der Atomkern zusammen?

Der Atomkern hält aufgrund der starken Kernkraft zusammen, die stark genug ist, um die abstoßende elektrostatische Kraft zwischen den Protonen zu überwinden.

4. Was ist die Massenzahl eines Atoms?

Die Massenzahl eines Atoms ist die Summe der Protonen und Neutronen im Kern.

5. Welche drei Arten von radioaktiven Zerfällen gibt es?

Die drei Arten von radioaktivem Zerfall sind Alpha (α), Beta (β) und Gamma (γ) Zerfall.

6. Welcher Nachweismethode wird häufig zur Untersuchung des Atomkerns angewendet?

Die Streuexperimente, insbesondere die Rutherford-Streuung, sind eine häufig genutzte Methode zur Untersuchung des Atomkerns.

7. Was passiert beim Alpha-Zerfall?

Beim Alpha-Zerfall sendet der Atomkern einen Alpha-Teilchen, bestehend aus zwei Protonen und zwei Neutronen, aus.

8. Worin besteht der Unterschied zwischen dem Beta-minus und Beta-plus Zerfall?

Bei Beta-minus Zerfall wird ein Elektron und ein Antineutrino ausgesendet, während beim Beta-plus Zerfall ein Positron und ein Neutrino abgegeben werden.

9. Was wird durch Gamma-Zerfall freigesetzt?

Im Gamma-Zerfall werden hochenergetische Photonen, die als Gammastrahlung bekannt sind, freigesetzt.

10. Warum sind Atomkerne trotz der elektrostatischen Abstoßung der Protonen stabil?

Atomkerne sind stabil, weil die starke Kernkraft, die zwischen den Nukleonen wirkt, viel stärker ist als die elektrostatische Abstoßung der Protonen.