Aufbau von Kernen und atomare Masse

Das Atom

Ein Atom besteht aus einem positiv geladenen Kern, bestehend aus Protonen und Neutronen, und einer negativ geladenen Elektronenhülle, bestehend aus Elektronen. Im Folgenden wird der Kern etwas genauer betrachtet.

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Der Atomkern

Ein Atomkern hat eine bestimmte Anzahl an Protonen und Neutronen. Sie bilden zusammen die Nukleonenzahl und bestimmen die Eigenschaften des Kerns. Um den Kern eindeutig darzustellen, wird die folgende Schreibweise verwendet:

Oft wird auch die verkürzte Schreibweise Element-A verwendet, da die Anzahl der Protonen bei einem bestimmten chemischen Element immer gleich bleibt und sich lediglich die Anzahl der Neutronen ändern. Zwei gleiche chemische Elemente mit unterschiedlicher Nukleonenzahl, also unterschiedlich vielen Neutronen, werden Isotope genannt. Solche Kerne, mit einer bestimmten Zusammensetzung, werden auch Nuklide genannt.

Die Nuklidkarte

Um einen Überblick über alle vorkommenden Nukliden zu erhalten, gibt es die Nuklidkarte.

Zerfallstypen: 1. $$\beta^+$$​​ 2. $$\beta^-$$​​ 3. $$\alpha$$​​ 4. Fission 5. Proton 6. Neutron 7. stabil 8. unbekannt

In der Nuklidkarte finden sich viele wichtige Angaben zu den einzelnen Nukliden. In den einzelnen Kästchen ist das Elementsymbol abgebildet und die Nukleonenzahl. Auf der Waagrechten finden sich alle vorkommenden Isotope zu einem chemischen Element. Zudem zeigt die Karte, welche Nuklide stabil sind oder durch welchen Zerfallstyp radioaktive Nuklide zerfallen. Auch die Halbwertszeit oder die atomare Masse sind darauf zu finden.

Atomare Masse

In der Atomphysik wird die atomare Masse u verwendet.

​$$1\ u = 1{,}660\ 539 \cdot 10^{-27} \ kg$$​​

Die Masse von Protonen und Neutronen im ungebundenen Zustand ist:

​$$m_P = 1{,}007\ 276\ u \ \mathrm{und} \ m_N = 1{,}008\ 665\ u$$​​

Beispiel

Betrachten wir Cobalt. Cobalt hat das Elementsymbol Co und die Ordnungszahl 27. Die Nukleonenzahl kann je nach Anzahl der Neutronen variieren. Somit erhalten wir unterschiedliche Isotope für Cobalt: $$_{27}^{58}Co \ \mathrm{oder} \ _{27}^{60}Co$$​​

Um nun die Masse des Nuklids Cobalt-60 zu bestimmen, findet sich im Internet oder der Nuklidkarte die Atommasse: $$m_{Co} = 59{,}933\ 817\ u$$​

Anhand der obigen Angaben können wir nun die Masse eines Cobalt-60-Nuklids bestimmen: $$m_{Co} = (59{,}933\ 817 \cdot 1{,}660\ 539 \cdot 10^{-27}) \ kg = 9{,}952 \cdot 10^{-26} \ kg$$​​

Die Masse eines Nuklids ist also enorm klein.

Eigenschaften von Neutronen

Freie Neutronen sind nicht stabil und zerfallen mit einer Halbwertszeit von 10 Minuten in ein Elektron und ein Proton. Da Neutronen keine Ladung besitzen, zeigen sie auch keine elektromagnetische Wechselwirkung. Die Wahrscheinlichkeit, dass ein Neutron mit Atomkernen zusammenstösst oder auch die Wahrscheinlichkeit einer Kernreaktion ist ziemlich gering. Jedoch hängen beide Wahrscheinlichkeiten von der Geschwindigkeit der Neutronen ab, welche beeinflussbar ist.