Atomkerns

Atomkern

Ein Atomkern besteht aus Protonen (positive geladene Teilchen) und Neutronen (ungeladene Teilchen) Die Protonen und die Neutronen Biden sich zusammen die Nukleonen. Da die Elektronen, die sich in der Atomhülle befinden im Gegensatz zu den Protonen und Neutronen eine viel kleiner Masse besitzen, sitz die Masse des Atoms nahe vollständig sich im Atomkern.

Die Entdeckung des Atomkern

ERNEST RUTHERFORD (1871-1937) beschäftigt sich mit der Frage der Struktur der Atome. In seinem Labon fürhten HANS GEIGER und ERNEST MARSDEN ihre Experimente anders als LENARD nicht mit Elektronen, sondern mit a-Teilchen durch. Rutherford hatte entdeckt, dass eine Alphastrahlung aus einzelnen a-Teilchen besteht, und zwar aus zweifach geladenen Heliumionen, die etwa die 7000-fache Masse eines Elektrons besitzen. Nach dem Thomson'schen Atommodell nahm Rutherford an, dass die positive Ladung der Helium-lonen über ein relativ großes Volumen homogen verteilt ist. Rutherford verwenden einen Aufbau. Schau Prinzip des Rutherford-Experiment. In einem solchen Experiment durchdringt ein großer Anteil a-Teilchen die Goldfolie, ohne abgelenkt zu werden. Schau .Einige Teilchen werden jedoch stark von ihrer ursprünglichen Bahn abgelenkt. Das gleiche Ergebnis zeigt sich auch, wenn Folien aus anderen Materialien eingesetzt werden.

Eine intsensive radiodaktive Qeellen setzt a-Teilchen einen großen kinetischen Energie frei, die als feiner Strahl auf eine wenige Mikrometer dünne Goldfolie treffen. Eine Szintillationsschirm erzeugt bei Aufprall der a-Teilchen kleine Lichtblitze, die dann mithilfe eines Mikroskop registriert und gezählt werden. Die Größe Anteile a-Teilchen passiert die Goldfolie ungehindert, aber ein geringerer Anteil wird von seiner Bahn abgelenkt, einiger Teilchen sogar unter einen Winkel von nahezu 180 %

Streung von a-Teilchen an den massereichen Atomen einer Goldfolie

Interpretation der Streuexperimente

Das Ergebnis Experiments war für Rutherford zunächst unverständlich. Denn nach dem Thomson'schen Atommodel mit einer gleichförmigen Verteilung der Materie allenfalls Abschwächung der Strahlintensität, nicht aber einer dermaßen starken Ablenkung einiger Teilchen erwartet worden. Rutherford hat noch malgesehen. Die positiven geladenen Teilchen werden von den Elektronen in der Folie so gut gar nicht beeinflusst, aber von den massereichen positiv Teile mussten nach den Berechnungen von Rutherford sehr klein sein; dies lässt sich aus der Intensität der rückwärts gestreuten a-Teilchen Schlieben. Der Grund war dieser Überlegungen gelangte Rutherford zu neuen Schlussfolgerungen über den Bau der Atomen.

Der innere Struktur ist sehr kleiner, positiv geladener Atomkern enthält fast die gesamten Masse des Atoms. Sein Radius liegt in der Größenordnung von 10-14 m und ist etwa 100000-mal kleiner als der Atomradius. Um ihn herum existiert eine »Wolke«. negative geladener Elektronen.

(Elektronenmasse: m Elektronen = 9,109*10-31kg

Protonenmasse: m Protonen = 1,6749* 10 hoch Minus 27

Neutronenmasse: m Neutronenmasse = 1,6749*10hoch Minus 27)

Oft wird die Atommasse in der atomaren Masseneinheit (Da) angegeben: 1 Da= 1,6605402*10 hoch Minus 27kg. Neutronen und Protonen haben ungefähr die Masse 1(Da).

Nuklide

Im Periodensystem gibt es über 100 Elementen. Davon kommen 91 in der Natur vor, die übrigen werden künstlich hergestellt. Ein bestimmter Atomkern eines Elements ist eindeutig durch die Massenzahl (Anzahl von Protonen Z und Neutronen N) und die Kernladungszahl (Ordnungszahl im Periodensystem, Anzahl von Protonen und von Elektronen im neutralen Atom) gekennzeichnet. Ein Atomkern, der eindeutig durch Massenzahl und Kernladungszahl charakterisiert ist, wird als 'Nuklid bezeichnet.

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Ein Atomkern, der eindeutig durch Massenzahl und Kernladungszahl charakterisiert ist, wird als Nuklid bezeichnet

Der Begriff wurde 1950 international eingeführt, um einerseits Kernarten eindeutig zu kennzeichnen und andererseits dem unkorrekten Gebrauch des Wortes Isotop entgegenzuwirken.

Ein Beispiel für ein Nuklid ist Natrium-23, in Symbolschreibweise

Die Kernladungszahl, also die Anzahl der Protonen, beträgt 11. Die Massenzahl, also die Anzahl der Protonen und Neutronen im Kern, beträgt 23. Damit ergibt sich eine Neutronenzahl von 23 - 11 = 12. Bei Nukliden kann man zwischen stabile Nuklide und radioaktive Nuklide , auch Radionuklide genannt, unterscheiden. Radioaktive Nuklide zerfallen unter Aussendung radioaktiver Strahlung. Bekannt sind heute insgesamt etwa 300 stabile und über 2.400 radioaktive und damit instabile Nuklide mit sehr unterschiedlichen Halbwertszeiten. Unter dem Stichwort „Periodensystem der Elemente“ findet man auf der CD für jedes Element auch eine Reihe von Nukliden.

Nukliden verschiedener Elementen

Nuklidkarten

Trägt man auf einer vertikalen Achse die Kernladungszahl des jeweiligen Atomkerns und auf der horizontalen Achse die Neutronenzahl auf, so erhält man eine übersichtliche Darstellung über die Atomkerne, die zu den verschiedenen Elementen gehören. Eine solche Darstellung wird als Nuklidkarte bezeichnet. Schaue einen Ausschnitt aus einer Nuklidkarte. In der Horizontalen nebeneinander findet man die Nuklide des jeweiligen Elements. Beispielsweise hat Kohlenstoff (Kernladungszahl = Protonenzahl 6) acht verschiedene Nuklide. Untereinander stehen jeweils die Nuklide mit gleicher Neutronenzahl. Darüber hinaus gibt man häufig zu den einzelnen Nukliden noch an,

1. ob es stabile oder radioaktive Nuklide sind,

2. welche Art der Strahlung bei Radionukliden abgegeben wird,

3. wie groß die Halbwertszeit ist,

4. in welchen Anteil Nuklide eines Elements vorkommen.

Versschicht aus einer Nuklidkarte

Isotope

Atomkerne eines Elements mit gleicher Protonenzahl , aber unterschiedlicher Neutronenzahl werden als Isotope bezeichnet. Es sind folglich spezielle Nuklide, nämlich die eines Elements. Wegen der gleichen Protonenzahl (= Kernladungszahl ) haben Isotope auch die gleiche Anzahl von Elektronen in der Hülle. Aus der Definition wird schon deutlich, dass man auf den Begriff Isotop verzichten könnte; er wird traditionsgemäß aber auch heute noch für die Kennzeichnung der Atomkerne jeweils eines Elements verwendete.

Es gibt nur etwa 20 Elemente, die nur aus einem einzigen stabilen Isotop bestehen. Dazu gehören beispielsweise:

Die meisten Elemente bestehen aus einem Isotopengemisch, wobei die Anteile der einzelnen Isotope sehr unterschiedlich sein können. So hat z. B. Uran, das als Kernbrennstoff genutzt wird, drei in der Natur vorkommende stabile Isotope mit folgenden Anteilen bei natürlichen Uranvorkommen:

Uran-238: 99,28 %

Uran-235: 0,72 %

Uran-234: 0,006 %

Für Brennelemente in Kernkraftwerke nutzt man angereichertes Uran mit folgender Zusammensetzung:

Uran-235: 3,3 %

Uran-238: 96,7 %

Bei Kupfer betragen die Anteile der stabilen Isotope:

Kupfer-63: 69,1 %

Kupfer-65: 30,9 %

Die meisten stabilen Isotope haden Zinn (10), die meisten Isotope überhaupt sind beim Xenon bekannt (mindestens 24). Außer in der Neutronenzahl und damit in der Masse unterscheiden sich die Isotope eines Elements im Kernvolumen. Wie bei Nukliden kann man stabile Isotope und radioaktive Isotope , auch Radioisotope genannt, unterscheiden. Die Massen von Isotopen eines Elements unterscheiden sich in der Regel nur sehr wenig. Um Isotope voneinander zu trennen, gibt es verschiedene Verfahren der Isotopentrennung , beispielsweise die Trennung in Ultrazentrifugen, in Massenspektrografen, durch Elektrolyse oder Thermodiffusion.

So existieren z. B. beim Wasserstoff drei in der Natur vorkommende Isotope, die als Wasserstoff, Deuterium und Tritium bezeichnet werden.

Quellenangabe

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