Übung » HAM-Nat Chemie

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Atomkern

 

1.     Einleitung

2.     Zusammensetzung des Atomkerns

3.     Kennzahlen 

4.     Kontrollfragen

 

1. Einleitung

Man stelle sich ein großes Fußballstadion vor und dazu einen Grashalm, der in der Mitte des Spielfeldes liegt. Dabei ist das Stadion die Atomhülle und der winzige Halm der Atomkern. Um diesen unglaublichen Größenunterschied in Zahlen darzustellen: Mit einer Länge von 10-14 m misst der Atomkern ein Hunderttausendstel des Durchmessers der Atomhülle. Seine Masse nimmt jedoch über 99,9 % der Gesamtmasse des Atoms ein! Folglich weist dieser auch eine unvorstellbar hohe Dichte auf. (Eine Streichholzschachtel, die mit einem Material solcher Dichte gefüllt wäre, hätte ein Gewicht von 2,5 Mrd. Tonnen).

2. Zusammensetzung des Atomkerns

Der Atomkern (Nucleus) ist aus Protonen und Neutronen zusammengesetzt, daher nennen wir sie auch Nukleonen. Bedenkt man die Tatsache, dass sich gleichartige elektrische Ladungen abstoßen, scheint es verwunderlich, dass die positiv geladenen Protonen auf so einen kleinen Raum verdichtet sind. Möglich macht es die starke Kernkraft – eine der vier fundamentalen Kräfte. Protonen und Neutronen gehören zur Teilchenfamilie der Hadronen, sie bestehen beide aus je 3 Quarks. Quarks tragen eine Ladung, nicht die elektrische Ladung, an die wir in unserer Alltagswelt denken, sondern eine sogenannte Farbladung. Die Farbe ist hier nur eine reine Analogie, um unterschiedliche Zustände der Quarks bildlich zu beschreiben. Es muss pro Hadron je ein Quark „rot“, „blau“ und „grün“ geladen sein. Zu unserer weiteren Verwirrung wechseln die Quarks ihre Farbladung permanent. Das passiert, indem Gluonen zwischen ihnen hin und her wandern. Dieser Prozess des Umherschweifens zwischen den Quarks scheint das zu sein, was sprichwörtlich „die Welt im Innersten zusammenhält“. Das Gluon bezeichnet man auch als das Wechselwirkungsteilchen der starken Kraft.

3. Kennzahlen 

Für die Beschreibung des Kerns sind zwei Kennzahlen von großer Bedeutung: Einerseits die Massenzahl, die die Gesamtmenge an Protonen und Neutronen im Atom beschreibt sowie andererseits die Kernladungszahl, die Auskunft über die Anzahl der Protonen gibt. Atome, die die gleiche Anzahl an Protonen enthalten, aber sich in der Zahl der Neutronen unterscheiden, werden Isotope genannt. Ein Beispiel dafür ist das Deuterium (2H), welches ein Neutron mehr enthält als das Wasserstoff Protium Isotop (1H).

  • Die Kernladungszahl gibt die Ladung des Atomkerns an und daher die Anzahl der Protonen.

  • Die Massenzahl gibt die Anzahl der Nukleonen - also Protonen und Neutronen - im Kern an. Sie ist repräsentativ für die Masse des gesamten Atoms, da fast die gesamte Masse im Kern konzentriert ist.

Nachfolgend soll anhand des Sauerstoffatoms die Schreibweise der Massen- und Kernladungszahl nähergebracht werden.

Abb. 1: SI-Schreibweise der Massen- und Ordnungszahl

 

In der Medizin spielen die Kenntnisse über den Atomkern zum Beispiel bei der Magnetresonanztomografie (MRT), einer Technik zur Darstellung und Struktur von Gewebe und Organen, eine wichtige Rolle.


Kontrollfragen:


1

Welcher Aussagen zu einem  C-13 Atom (Kohlenstoff; Massenzahl = 13, Kernladungszahl = 6) sind richtig?

  1. Das C-13 Atom ist  genauso wie ein C-12 Atom ein Isotop des Kohlenstoffs.
  2. Es enthält 6 Elektronen in seiner Atomhülle.
  3. Es enthält 7 Protonen im Atomkern.
  4. Es enthält 7 Neutronen im Atomkern.
  5. Es unterscheidet sich nur in seiner Massenzahl und Neutronenzahl vom C-12 Atom.

Die Kernladungszahl entspricht der Protonenzahl und bei einem Atom auch der Elektronenzahl, da Atome ungeladen sind. Wenn man von der Massenzahl die Protonenzahl subtrahiert erhält man die Anzahl an Neutronen. Isotope unterscheiden sich in ihren Massenzahlen, genauer gesagt in ihrer Anzahl an Neutronen.

2

Stoffe gleicher Protonen-, aber unterschiedlicher Neutronenzahl nennt man:

Ein Element ist durch die Kernladungszahl definiert. Deswegen haben Isotope eines Elements immer die gleiche Anzahl an Protonen. Da sie sich aber in ihrer Neutronenzahl unterscheiden, ist deren Massenzahl auch unterschiedlich. In der Regel haben Elemente ein bis wenige stabilie Isotope, während seine übrigen Isotope radioaktiv sind.

3

Worin unterscheiden sich die Isotope 1H, 2H und 3H voneinander ?

  1. In ihrer Protonenzahl.
  2. In ihrer Neutronenzahl.
  3. In ihrer Massenzahl.
  4. In ihrer Elektronenzahl.
  5. In ihrer Kernladungszahl.

Protium (1H), Deuterium(2H) und Tritium(3H) sind Isotope des Wasserstoffes. Protium hat nur ein Proton, allerdings kein Neutron im Kern. Deuterium besitzt ein Proton und ein Neutron, und Tritium enthält ein Proton und zwei Neutronen.

4

Über Isotope des selben Elements kann man sagen, dass…

  1. Alle die gleichen Atommassen haben.
  2. Alle die gleichen Kernladungszahlen haben.
  3. Alle an der gleichen Stelle im Periodensystem stehen.
  4. Alle eine unterschiedliche Anzahl an Neutronen in der Atomhülle aufweisen.
  5. Alle die gleiche Anzahl an Elektronen in der Atomhülle aufweisen.
5

Ein fiktives Atom hat die Kernladungszahl 12 sowie die Massenzahl 24. Welche Aussage hierzu ist richtig ?

  1. Das Atom enthält 12 Neutronen in seinem Atomkern.
  2. Das Atom enthält 24 Protonen in seinem Atomkern.
  3. Das Atom enthält 12 Elektronen in seiner Elektronenhülle.
  4. Das Atom enthält 12 Protonen in seinem Atomkern.
  5. Der Atomkern enthält gleich viele Protonen, wie Neutronen.

Man Subtrahiert die Protonenzahl (=Kernladungszahl) von der Massenzahl und enthält somit 12 Neutronen. Die Anzahl der Neutronen entspricht also der Anzahl an Protonen. Da ein Atom ungeladen ist, hat es auch 12 Elektronen.

6

 Welche Aussagen zum Stickstoffatom 14N (7 Protonen) sind richtig ?

  1. Seine Massenzahl beträgt 14.
  2. Es enthält 7 Neutronen.
  3. Es enthält 7 Elektronen.
  4. Seine Ordnungszahl sowie Kernladungszahl beträgt 7.
  5. Seine Ordnungszahl sowie Kernladungszahl beträgt 14.

Die Massenzahl ist die Anzahl an Nukleonen (also Protonen und Neutronen). Ordnungszahl=Kernlafdungszahl=Anzahl an Protonen und beträgt 7. Ein Atom ist immer elektrisch neutral, und dann gilt Elektronenzahl=Protonenzahl=7. Wenn man von der Massenzahl die Protonenzahl subtrahiert (14-7) so ergibt sich die Anzahl an Neutronen (7).