Der Atomkern und subatomare Teilchen einfach erklärt

Stell dir vor, du hast einen unsichtbaren Personalausweis in dir, der genau bestimmt, wer du bist. Egal, ob du dir die Haare schneidest oder andere Kleidung trägst – dein Ausweis bleibt gleich und zeigt deine wahre Identität. Genau so einen „Personalausweis“ haben auch Atome!

In der Chemie befindet sich dieser Ausweis tief im Inneren des Atoms: im Atomkern. In dieser Lektion wirst du lernen, aus welchen winzigen Bausteinen dieser Kern besteht, wie er bestimmt, um welches chemische Element es sich handelt, und wie du die genaue Anzahl der subatomaren Teilchen ganz einfach berechnen kannst.

Vorwissen

• Das Kern-Hülle-Modell: Ein Atom besteht aus einem winzigen, massiven Atomkern in der Mitte und einer riesigen, fast leeren Elektronenhülle außen herum.

  Beispiel: Wenn das Atom so groß wie ein Fußballstadium wäre, wäre der Kern nur so groß wie eine Erbse in der Mitte des Spielfelds.

• Elektrische Ladungen: Es gibt positive und negative Ladungen. Gleiche Ladungen stoßen sich ab, ungleiche ziehen sich an.

  Beispiel: Protonen sind positiv geladen, Elektronen sind negativ geladen.

Aufgabentyp 1: Aufbau des Atomkerns und Berechnung subatomarer Teilchen

Der Atomkern ist nicht einfach nur eine feste Kugel, sondern besteht aus noch kleineren Bausteinen. Diese Bausteine nennen wir Nukleonen (Kernteilchen, vom lateinischen Wort nucleus für Kern). Es gibt zwei Arten von Nukleonen:

1. Die positiv geladenen Protonen.
2. Die ungeladenen (neutralen) Neutronen.

Die Zusammensetzung dieses Kerns ist extrem wichtig: Die Identität eines Atoms wird ausschließlich durch seinen Atomkern bestimmt. Das bedeutet, die Anzahl der Teilchen im Kern legt fest, ob das Atom zum Beispiel Gold, Sauerstoff oder Eisen ist.

Manchmal verliert ein Atom ein Elektron aus seiner Hülle oder nimmt eines auf. Dadurch wird das Atom elektrisch geladen und wir nennen es dann ein Ion. Aber Achtung: Weil sich dabei nur die Hülle ändert und der Kern völlig unangetastet bleibt, gehört das Ion immer noch zu genau demselben chemischen Element!

Wenn du in das Periodensystem der Elemente schaust, siehst du bei jedem Element eine bestimmte Nummer, die sogenannte Ordnungszahl. Diese Zahl ist der wichtigste Steckbrief des Elements, denn sie gibt genau an, wie viele Protonen sich im Atomkern befinden.

Da jedes Proton genau eine positive Elementarladung trägt, bestimmt die Ordnungszahl auch die gesamte positive Ladung des Kerns. Deshalb nennt man die Ordnungszahl auch Kernladungszahl.

Ein normales Atom ist nach außen hin elektrisch neutral (ungeladen). Das funktioniert nur, wenn sich die positiven und negativen Ladungen gegenseitig aufheben. Daher gilt für jedes neutrale Atom eine einfache Regel: Die Anzahl der Protonen im Kern ist exakt gleich der Anzahl der Elektronen in der Hülle.

Wenn ein Element also die Ordnungszahl 6 hat, weißt du sofort: Es hat 6 Protonen im Kern und 6 Elektronen in der Hülle.

Atome sind unvorstellbar leicht. Um ihre Masse anzugeben, nutzen Chemiker die atomare Masseneinheit $\text{u}$.

Ein Proton und ein Neutron wiegen jeweils ungefähr $1 \text{ u}$. Die Elektronen in der Hülle sind dagegen so winzig und leicht, dass ihre Masse praktisch keine Rolle spielt. Sie sind fast 2000-mal leichter als ein Proton!

Weil die Elektronen fast nichts wiegen, ist die gesamte Masse eines Atoms in seinem Kern konzentriert. Wenn wir wissen wollen, wie viele Teilchen insgesamt im Kern sind (die Nukleonenzahl), schauen wir uns die Atommasse im Periodensystem an. Da es keine „halben“ Teilchen gibt, runden wir die oft krumme Atommasse einfach auf die nächste ganze Zahl.

Beispiel: Wenn die Atommasse $15,99 \text{ u}$ beträgt, runden wir auf $16$. Das Atom hat also insgesamt 16 Nukleonen (Protonen und Neutronen zusammen) im Kern.

In der Chemie gibt es eine praktische Kurzschreibweise, um alle wichtigen Informationen über den Kern eines Atoms auf einen Blick zu zeigen. Schauen wir uns das am Beispiel von Aluminium an:

Bei der Schreibweise $\text{}^{27}_{13}\text{Al}$ steht die obere Zahl für die Nukleonenzahl (die gerundete Atommasse, also alle Teilchen im Kern). Die untere Zahl ist die Ordnungszahl (die Kernladungszahl, also nur die Protonen).

Da die Nukleonenzahl aus Protonen und Neutronen zusammen besteht, können wir die Anzahl der Neutronen ganz einfach ausrechnen, indem wir die Protonen abziehen:

$\textcolor{#53E5D6}{\text{Anzahl der Neutronen}} = \text{Nukleonenzahl} - \textcolor{#FF7D57}{\text{Kernladungszahl}}$

Schritt-für-Schritt-Anleitung

1. Finde die Ordnungszahl: Diese Zahl ist direkt die Anzahl der Protonen. Bei einem neutralen Atom ist es auch genau die Anzahl der Elektronen.
2. Lies die Atommasse ab: Runde sie auf die nächste ganze Zahl. Das ist deine Nukleonenzahl.
3. Subtrahiere die Ordnungszahl von der Nukleonenzahl: Das Ergebnis ist die Anzahl der Neutronen.

Durchgerechnete Beispiele

Wichtige Erkenntnisse

• Nukleonen sind die Bausteine des Atomkerns: Protonen und Neutronen.
• Die Ordnungszahl (Kernladungszahl) gibt die Anzahl der Protonen an. In einem neutralen Atom gibt sie auch die Anzahl der Elektronen an.
• Die Nukleonenzahl ist die gerundete Atommasse.
• Formel: $\textcolor{#53E5D6}{\text{Neutronen}} = \text{Nukleonenzahl} - \text{Ordnungszahl}$.