Im Bereich Chemie auf Lernort-mint wurden die einzelnen Atommodelle erläutert, die zum Verständnis notwendigen Modelle sind das Bohrsche Atommodell und das Orbitalmodell. Im Folgenden soll nun kurz auf den Aufbau der Atomkerne eingegangen werden. Unter anderem beantwortet sich auch die Frage, wie die Atomkerne zusammengehalten werden, da man der Meinung ist: Protonen und Protonen stoßen sich aufgrund der gleichen (positiven) Ladung ab und positiv geladene Protonen und neutrale Neutronen könnten wenig wechselwirken.
Im Prinzip gilt für den Aufbau des Atomkerns aller Elemente (Ausnahme: Wasserstoff, der nur ein einzelnes Proton im Atomkern) enthält, dass sich in den Atomkernen mehrere Nukleonen (zu dt. Kernteilchen), also Protonen und Neutronen, befinden. Der Zusammenhalt zwischen den Protonen (positiv geladen) und den Neutronen (ungeladen) wird fast ausschließlich durch die elektrostatische bzw. magnetische Wechselwirkung erreicht (vielleicht wird nun jemand einwenden, dass zwischen Protonen und Neutronen auch “Gravitationskräfte herrschen. Dies ist auch vollkommen richtig, die Gravitation kann aber vernachlässigt werden, denn sie ca. 40 Größenordnungen schwächer ist, also die elektromagnetische Wechselwirkung. Für das weitere Verständnis des Aufbaus der Atomkerne benötigt man noch weiteres Wissen:
Wie vielen bekannt ist, sind Protonen und Neutronen aus Quarks zusammengesetzt, inzwischen sind sechs verschiedene Typen von Quarks bekannt:
Nun kann man sich die Zusammensetzung der Nukleonen betrachten:
Da im oberen Teil der Aufbau eines Protons (p = (uud)) und eines Neutrons (n = (ddu)) kann nun ganz einfach die Protonenladung bzw. Neutronenladung anhand der Quarkzusammensetzung berechnet werden:
Die drei Quarks (in den Nukleonen) werden durch die sog. “Starke Wechselwirkung” zusammengehalten, ein Neutron ist zwar bezüglich seiner Wechselwirkung
nach außen hin neutral. Das Nukleon intern weist aber eine asymmetrische Ladungsverteilung auf (2/3, -1/3, -1/3), was auch für den Nachbarn (egal ob Proton oder Neutron) gilt und deshalb ziehen sich direkt benachbarte (auch nach außen hin neutrale) Nukleonen an.
Zusammengefasst: Die Kernkraft (Kraft, die Nukleonen zusammenhält) ist also ein Teil der sog. “Starken Wechselwirkung”, die größer ist als die gegenseitige elektrische Abstoßung der gleichgeladenen Protonen.
Die Kernkraft wirkt aber nur jeweils zwischen direkt benachbarte Nukleonen, daher erklärt sich auch die endliche Stabilität von Kernen. Ein stabiler Kern verfügt deshalb stets über ein bestimmtes Zahlenverhältnis von Protonen zu Neutronen. Stimmt dieses Zahlenverhältnis nicht, so wird der Kern instabil und das betreffende Atom zerfällt nach einer gewissen Zeit, was als Phänomen der Radioaktivität beobachtet wird. Alle Atomkerne die eine höhere Nukleonenzahl (Protonen und Neutronen zusammen) als 210 haben, gelten als instabil.
Wie oben bereits erwähnt, führt die Wechselwirkung zweier benachbarter Nukleonen zu den Kernkräften, die den Atomkern zusammenhalten. Dies gilt aber nur bis zu einem bestimmten Verhältnis von Protonen zu Neutronen. Den Verlauf der Stabilität kann man sich folgendermaßen erklären:
Die Hauptbestandteile eines Atomkerns sind Protonen und Neutronen.
Ein Proton hat eine positive elektrische Ladung, genauer gesagt eine +1 elementare Ladung.
Das Teilchen im Atomkern, das keine Ladung hat, ist das Neutron.
Es gibt sechs Arten von Quarks: Up, Down, Charm, Strange, Top und Bottom.
Quarks sind elementare Teilchen, aus denen Protonen und Neutronen bestehen. Sie sind damit Bestandteile des Atomkerns.
In jedem Proton und jedem Neutron gibt es drei Quarks.
In einem Proton befinden sich zwei Up-Quarks und ein Down-Quark.
In einem Neutron befinden sich ein Up-Quark und zwei Down-Quarks.
Die Anzahl der Protonen im Kern eines Atoms bestimmt seine Ordnungszahl, welche wiederum das Element definiert, zu dem das Atom gehört.
Die Protonen und Neutronen im Atomkern werden durch die starke Wechselwirkung oder auch starke Kernkraft zusammengehalten.