Kernaufbau und Isotope: verstehen und üben

Was befindet sich im Atomkern?

Ein Atom besitzt einen sehr kleinen Kern und eine Elektronenhülle. Der Kern enthält positiv geladene Protonen und elektrisch neutrale Neutronen. Beide heißen zusammen Nukleonen. Elektronen tragen eine negative Elementarladung und gehören bei gewöhnlichen Atomen zur Hülle.

Fast die gesamte Masse des Atoms steckt im Kern. Seine räumliche Ausdehnung ist jedoch viel kleiner als die der Hülle. Zeichnungen, in denen man beide gleichzeitig gut erkennt, sind deshalb meist nicht maßstäblich.

Ein neutrales Atom hat gleich viele Elektronen wie Protonen. Der Kern selbst ist trotzdem positiv geladen: Neutralität entsteht erst durch die entgegengesetzte Ladung der Hülle.

Die Nuklidschreibweise lesen

AZX

X ist das Elementsymbol. Z steht links unten und zählt die Protonen: die Ordnungszahl oder Kernladungszahl. A steht links oben und zählt Protonen und Neutronen zusammen: die Massenzahl.

A = Z + N   und   N = A − Z

N ist die Neutronenzahl. Beispiel: 2311Na steht für Natrium-23. Es besitzt 11 Protonen und 23 − 11 = 12 Neutronen. Als neutrales Atom hat es zusätzlich 11 Elektronen.

Die Massenzahl ist eine ganze Teilchenzahl und hat keine Einheit. Sie ist nicht die genaue Masse des Atoms in Gramm oder in der atomaren Masseneinheit u. Ein Nuklid wird durch seine Protonen- und Neutronenzahl festgelegt; angeregte Kernzustände lassen sich bei Bedarf zusätzlich kennzeichnen.

Was haben Isotope gemeinsam?

Isotope gehören zum selben Element: Sie haben dieselbe Protonenzahl Z. Ihre Neutronenzahlen unterscheiden sich, daher auch ihre Massenzahlen A. Kohlenstoff-12, Kohlenstoff-13 und Kohlenstoff-14 besitzen jeweils sechs Protonen, aber sechs, sieben beziehungsweise acht Neutronen.

Ihre chemischen Eigenschaften sind ähnlich, weil neutrale Atome desselben Elements die gleiche Elektronenzahl besitzen. Unterschiede der Masse können trotzdem messbare Isotopeneffekte verursachen. Die Kerne können sich stark in ihrer Stabilität unterscheiden: Kohlenstoff-12 und -13 sind stabil, Kohlenstoff-14 ist radioaktiv.

Nicht jedes Isotop ist also radioaktiv. Auch die Regel „gleich viele Protonen und Neutronen bedeutet stabil“ gilt nicht allgemein. Die Stabilität hängt vom gesamten Kernzustand ab.

Isotop oder Ion: Was verändert sich?

Vergleiche zuerst die drei Kohlenstoff-Isotope. Wechsle danach zwischen neutralem Natrium und dem Natrium-Ion. Achte jeweils auf Kern und Elektronenzahl.

Ein Ion vollständig entschlüsseln

Gegeben ist 2713Al³⁺. Bestimme Protonen, Neutronen und Elektronen.

1. Protonen: Die untere linke Zahl ist Z = 13. Der Kern enthält 13 Protonen und gehört deshalb zu Aluminium.

N = A − Z = 27 − 13 = 14

2. Neutronen: Die obere Zahl zählt alle Nukleonen. Ziehe davon die Protonenzahl ab.

3. Elektronen: 3+ bedeutet drei positive Elementarladungen Überschuss. Das Ion besitzt drei Elektronen weniger als das neutrale Atom:

Elektronenzahl = 13 − 3 = 10

Probe: 13 positive und 10 negative Elementarladungen ergeben zusammen 3+. Die Ladung verändert weder A noch Z. Bei einem einfach negativen Ion wäre stattdessen ein Elektron hinzugekommen.

Warum steht im Periodensystem oft eine Kommazahl?

Die angegebene relative Atommasse beschreibt in vielen Fällen einen gewichteten Mittelwert über die Isotope einer natürlichen Probe. Sie zählt nicht die Neutronen eines einzelnen Atoms. Die genaue Isotopenzusammensetzung kann je nach Probe variieren.

Ein bewusst vereinfachtes Rechenbeispiel: Eine Mischung enthalte 75 % Atome mit 35 u und 25 % mit 37 u. Dann ergibt sich:

m̄ = 0,75 · 35 u + 0,25 · 37 u = 35,5 u

Kein einzelnes Atom in diesem Beispiel hat deshalb „35,5 Nukleonen“. Für genaue Rechnungen verwendet man gemessene Isotopenmassen und Häufigkeiten; Massenzahlen sind nur eine grobe Massennäherung.

Warum hält ein Kern zusammen?

Protonen stoßen sich elektrisch ab. Die kurzreichweitige Kernwechselwirkung zwischen Nukleonen kann dennoch gebundene Kerne ermöglichen. Neutronen tragen zur Kernbindung bei, ohne zusätzliche elektrische Abstoßung zu verursachen.

Bei schweren stabilen Kernen findet man typischerweise mehr Neutronen als Protonen. Beliebig viele Neutronen machen einen Kern aber nicht automatisch stabil. Welche Kombinationen existieren und wie sie zerfallen, zeigt eine Nuklidkarte. Die Bindungsenergie behandeln wir später auf einer eigenen Seite.

Vier typische Fehler vermeiden

A als Neutronenzahl lesen: A zählt Protonen und Neutronen gemeinsam.

Isotope und Ionen gleichsetzen: Isotope unterscheiden sich in den Neutronen; Ionen in der Elektronenzahl gegenüber dem neutralen Atom.

Bei einem positiven Ion Elektronen addieren: Positiv bedeutet Elektronenmangel.

Eine Dezimalzahl im Periodensystem als Massenzahl übernehmen: Für ein einzelnes Nuklid braucht man seine ganze Massenzahl.

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Erst vorhersagen oder selbst rechnen, dann die Lösung öffnen.

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