Physik · Klasse 9–13 · aktualisiert
Kernphysik: Atomkerne und Nuklide verstehen
Beschreibe Kerne mit Protonen- und Neutronenzahl, lies Nuklide und Isotope und schätze Kernmassen sinnvoll ab.
0 von 12 Aufgaben gelöst
Kurz gesagt
Kernphysik untersucht Atomkerne aus Protonen und Neutronen. Die Protonenzahl Z legt das Element fest; mit der Massenzahl A ergibt sich die Neutronenzahl N=A-Z. Isotope haben gleiches Z, aber verschiedenes N.
Die Kernphysik untersucht den Aufbau und die Eigenschaften von Atomkernen. Ein Atomkern besteht aus Protonen und Neutronen. Mit den Zahlen Z, N und A kannst du seine Zusammensetzung eindeutig beschreiben.
Deine Lernziele
Hake ab, was du schon kannst. Löst du alle Aufgaben eines Abschnitts, hakt Mela das Ziel für dich ab.
4 Abschnitte
Fast die gesamte Atommasse steckt im kleinen Kern. Seine Protonen und Neutronen heißen Nukleonen.
Z zählt Protonen und legt das Element fest; es heißt auch Kernladungszahl oder Ordnungszahl. N zählt Neutronen. Die Massenzahl A zählt beide Sorten zusammen:
A=Z+N
Für eine gesuchte Neutronenzahl gilt:
N=A-Z
Definition
Nukleonen
Nukleonen sind die Bausteine des Atomkerns: positiv geladene Protonen und elektrisch neutrale Neutronen.
Merke: Die Elementart hängt nur von Z ab. Eine veränderte Neutronenzahl macht aus einem Kern nicht automatisch ein anderes Element.
Teste dich
Ein Nuklid ist eine Kernart mit bestimmter Protonen- und Neutronenzahl. Seine Schreibweise lautet:
{}^{A}_{Z}X
X ist das Elementsymbol; links oben steht A, links unten Z. Heliumkerne mit A=3, 4, 6 oder 8 besitzen alle Z=2. Sie sind Isotope mit verschiedener Neutronenzahl.
In einer Nuklidkarte ordnet man Kerne nach N und Z. Isotope teilen den Wert Z. Bei leichten stabilen Kernen sind N und Z ungefähr gleich; bei schweren stabilen Kernen überwiegen Neutronen deutlich.
Beispiel: Kohlenstoff-14 lesen
- 1Gegeben ist das Nuklid:
- 2{}^{14}_{6}\mathrm{C}
- 3Die untere Zahl Z=6 bedeutet 6 Protonen im Kern.
- 4Die obere Zahl A=14 bedeutet insgesamt 14 Nukleonen.
- 5Daher gilt N=A-Z=14-6=8 Neutronen.
- 6Der Kohlenstoffkern enthält 6 Protonen und 8 Neutronen.
Definition
Isotope
Isotope sind Nuklide desselben Elements. Sie haben dieselbe Protonenzahl Z, aber unterschiedliche Neutronenzahlen N und dadurch unterschiedliche Massenzahlen A.
Teste dich
Protonen und Neutronen haben ungefähr dieselbe Masse. Für eine grobe Abschätzung verwenden wir die Massenzahl A und die atomare Masseneinheit \mathrm{u}:
m\approx A\cdot\mathrm{u}
Nach CODATA 2022 ist 1\,\mathrm{u}\approx1{,}6605\cdot10^{-27}\,\mathrm{kg} ein gerundeter, gemessener Wert. Ein freies Kohlenstoff-12-Atom im Grundzustand hat definitionsgemäß 12\,\mathrm{u}. Weil Elektronen leicht sind, kann die Formel grob auch die ganze Atommasse abschätzen.
Die Bindungsenergie verändert die tatsächliche Kernmasse. Nutze die Näherung nur für grobe Schätzungen, wenn keine Genauigkeit besser als etwa 1\,\% verlangt wird.
Beispiel: Helium-4 grob abschätzen
- 1Für {}^{4}_{2}\mathrm{He} ist A=4. Die Masse schätzen wir grob mit
- 2m\approx4\,\mathrm{u}
- 3Die Zahl 4 ist die Nukleonenzahl; die tatsächliche Kernmasse weicht wegen der Bindungsenergie von der Näherung ab.
Teste dich
Bei einem Streuexperiment treffen schnelle Teilchen unter kontrollierten Bedingungen auf ein Ziel. Forschende messen die Verteilung der Ablenkungen und schließen daraus auf innere Strukturen; sie sehen den Kern dabei nicht wie auf einem Foto.
Beim historischen Rutherford-Versuch trafen Alpha-Teilchen auf Goldfolie. Die meisten durchquerten sie beinahe gerade, wenige wurden stark abgelenkt. Das spricht für einen kleinen, dichten Kern in einem überwiegend leeren Atom. Solche Versuche gehören in spezialisierte, überwachte Einrichtungen und sind kein Heimexperiment.
Wer ionisierende Strahlung beruflich einsetzt, berücksichtigt Strahlungsart und Aktivität der Quelle sowie äußere Bestrahlung und mögliche Aufnahme radioaktiver Stoffe. Die BfS-Grundregeln sind kurze Aufenthaltszeit, größerer Abstand und passende Abschirmung; eine Aufnahme wird vermieden. Schülerinnen und Schüler hantieren dafür nicht mit Strahlenquellen.
Merke: Ein Streuexperiment zeigt den Kern nicht wie ein Foto. Seine Struktur wird aus messbaren Ablenkungen erschlossen.
Beispiel: Die Untersuchung folgt einer klaren Kette
- 1Schnelle Teilchen treffen auf das Objekt.
- 2Das Objekt lenkt einen Teil der Teilchen ab.
- 3Forschende messen die räumliche Verteilung der gestreuten Teilchen.
- 4Aus dem Streumuster schließen sie auf die Struktur des Objekts.
Teste dich
Alles auf einen Blick
Kernphysik
Kernaufbau
Protonen und Neutronen
Kennzahlen
Z, N und A=Z+N
Nuklide
eindeutige Kernarten
Isotope
gleiches Z, verschiedenes N
Kernmasse
Näherung mit A\cdot\mathrm{u}
Untersuchung
Streumuster liefert Strukturhinweise
Musteraufgabe · Schritt für Schritt
Ein Neon-Nuklid grob einordnen
- 1Gegeben ist {}^{20}_{10}\mathrm{Ne}. Die obere Zahl ist A=20, die untere Z=10.
- 2Damit besitzt der Kern 10 Protonen und N=A-Z=20-10=10 Neutronen.
- 3Mit dem CODATA-2022-Wert 1\,\mathrm{u}\approx1{,}6605\cdot10^{-27}\,\mathrm{kg} folgt für die grobe Näherung:
- 4m\approx20\,\mathrm{u}
- 5m\approx20\cdot1{,}6605\cdot10^{-27}\,\mathrm{kg}
- 6m\approx3{,}3\cdot10^{-26}\,\mathrm{kg}
- 7Auf zwei signifikante Stellen gerundet ist das eine grobe Schätzung. Die tatsächliche Kernmasse weicht wegen der Bindungsenergie ab.
Fehler finden
Massenzahl und Neutronenzahl In einer Zeile steckt ein Fehler. Tippe sie an.
Fehler in Zeile 3Die dritte Zeile verwechselt A und N: Oben steht A=27 Nukleonen. Richtig ist N=A-Z=27-13=14 Neutronen.
Lückentext
Wähl in jeder Lücke das passende Wort und prüf dann deine Antworten.
In {}^{14}_{6}\mathrm{C} gibt die Zahl 6 die an. Die Zahl 14 ist die . Der Kern besitzt Neutronen.
Karteikasten
Erst selbst überlegen, dann umdrehen.
Übung mit Feedback