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Warum ist der Atomkern (in)stabil?

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Team Digital
Warum ist der Atomkern (in)stabil?
lernst du in der Oberstufe 5. Klasse - 6. Klasse - 7. Klasse

Grundlagen zum Thema Warum ist der Atomkern (in)stabil?

Inhalt

Der Aufbau des Atomkerns

Das Kernmodell

In einem einfachen Modell können wir uns den Atomkern als eine Kugel vorstellen, die wiederum aus kleineren Kugeln zusammengesetzt ist. Bei diesen handelt es sich um positive Teilchen, die Protonen, und neutrale Teilchen, die Neutronen. Die Anzahl an Protonen nennt man Kernladungszahl $\text{Z}$ und die Anzahl der Neutronen wird mit $\text{N}$ angegeben.

Kernmodell Physik

Während ein Element $\text{X}$ durch seine Kernladungszahl klar definiert ist, kann sich die Anzahl der Neutronen im Kern für ein Element unterscheiden. Man nennt die Kernladungszahl auch Ordnungszahl, weil die Elemente im Periodensystem nach dem Wert von $\text{Z}$ sortiert werden. Statt der Neutronenzahl wird im Periodensystem und der Symbolschreibweise zusätzlich zur Kernladungszahl die Massenzahl $\text{A}$ angegeben. Sie entspricht der Summe aus Anzahl der Protonen und Neutronen, also:

$\text{A} = \text{Z} + \text{N}$

Man nennt sie Massenzahl, weil sie in etwa der Masse des Kerns in atomaren Masseeinheiten ($\text{u}$) entspricht.

Nuklide

Eine Atomsorte mit gegebenen Werten $\text{A}$ und $\text{Z}$ nennt man ein Nuklid. Per Definition wird es in der Symbolschreibweise wie folgt geschrieben:

$_{Z}^{A}\text{X}$

In dem folgenden Beispiel sehen wir einen Kern mit sechs Protonen und sechs Neutronen gezeichnet. Ein Blick ins Periodensystem der Elemente zeigt uns, dass es sich dabei um das Element Kohlenstoff handelt.

Kohlenstoff Nuklid, Kernmodell

Isotope

Betrachten wir jetzt einen Kern mit sechs Protonen, aber acht Neutronen.

Kohlenstoffisotope

Da die Kernladungszahl gleich geblieben ist, handelt es sich immer noch um ein Kohlenstoffatom. Wegen der acht Neutronen ist aber die Massenzahl jetzt $\text{A} = 6 + 8 = 14$. Man nennt solche Atomarten Isotope. Die genaue Definition lautet folgendermaßen: Atome, deren Kerne identische Kernladungszahlen, aber unterschiedliche Massenzahlen haben, heißen Isotope eines Elements.

Das Kohlenstoffisotop, das wir aufgezeichnet haben, nennt man auch Kohlenstoff-14. Vielleicht hast du diesen Namen schon einmal im Zusammenhang mit der Radiokarbonmethode gehört. Es handelt sich nämlich um ein instabiles Isotop. Das bedeutet, dass sich der $_{6}^{14}\text{C}$-Kern nach einer gewissen Zeit in den Kern eines anderen Elements umwandelt. In diesem Fall wird ein Neutron zu einem Proton. Dabei wird außerdem Strahlung freigesetzt, ein Elektron und ein Elektron-Antineutrino. Der entstehende Kern hat also die Kernladungszahl 7 und die Massenzahl 14. Das ist ein stabiles Stickstoffisotop:

$_{6}^{14}\text{C} \rightarrow _{7}^{14} \text{N} + \text{e}^{-} + \overline{\nu}$

Kohlenstoffisotope und Zerfall zu Stickstoff

Aber was sorgt eigentlich dafür, dass Protonen und Neutronen in einem Kern zusammenhalten?

Kernkräfte

Protonen und Neutronen werden von den sogenannten Bindungskräften im Atomkern zusammengehalten. Man nennt diese Kräfte deswegen auch Kernkräfte. Wir schauen uns einmal an, welche Kräfte insgesamt in einem Atomkern wirken.

Da der Kern unter anderem aus geladenen Teilchen besteht, wirkt natürlich die Coulombkraft. Sie wirkt abstoßend zwischen den Protonen und hat eine große Reichweite. Sie trägt also nicht dazu bei, den Kern zusammenzuhalten, sondern destabilisiert ihn eher. Das ist auch ein Grund dafür, dass schwere Kerne mit besonders vielen Protonen häufig instabil sind.

Zwischen allen Teilchen im Kern, also sowohl zwischen Protonen und Neutronen, als auch zwischen gleichen Teilchen, wirkt die starke Wechselwirkung. Sie wird manchmal auch starke Kernkraft genannt. Sie wirkt anziehend und hat eine extrem kurze Reichweite, die in etwa der Größenordnung des Kerndurchmessers entspricht. Auf diese kurzen Distanzen ist sie allerdings viel stärker als die Coulombkraft. Diese Eigenschaft der starken Kernkraft sorgt dafür, dass die Kerne zusammenhalten.

Es gibt außerdem noch zwei weitere Kräfte, die im Kern wirken. Zum einen gibt es die schwache Wechselwirkung, oder schwache Kernkraft. Sie sorgt zum Beispiel dafür, dass sich Neutronen in Protonen umwandeln können, spielt also bei Zerfällen eine große Rolle. Zur Bindung des Kerns liefert sie allerdings keinen Beitrag.

Außerdem wirkt natürlich auch zwischen kleinsten Teilchen die Gravitation. Sie ist allerdings im Vergleich zur starken Wechselwirkung etwa $10^{-41}$-mal kleiner und kann deswegen vernachlässigt werden.

Kernmodell-Kernkräfte

Das Video Nuklide - Isotope - Kernkräfte kurz zusammengefasst

In diesem Video stellen wir uns der Frage, was Kernkräfte sind und wie man sie einfach erklärt. Außerdem lernen wir, welche Funktion die Kernkraft beim Aufbau der Atomkerne spielt und lernen die Symbolschreibweise kennen. Du findest außerdem interaktive Übungen zu Kernkräften in der Physik, mit denen du dein Wissen vertiefen kannst.

Transkript Warum ist der Atomkern (in)stabil?

Geht es dir auch manchmal so, dass Dinge nicht zusammenpassen? Du lernst in der Schule, dass sich ungleichnamige Ladungen anziehen und gleichnamige Ladungen abstoßen. Du lernst aber auch, dass im Atomkern die positiven Protonen ganz dicht beieinander sitzen! Das widerspricht sich doch total. Müsste der Atomkern nicht auseinander fliegen, weil sich die Protonen gegenseitig abstoßen? Die Antwort auf diese Frage erhältst du in diesem Video. stabil äh instabil? „Zunächst eine kleine Wiederholung: Wenn wir über Atomkerne sprechen, verwenden wir oft die folgende Schreibweise, die sogenannte Symbolschreibweise.“ „Dabei ist A die Massenzahl und Z die Ordnungszahl. X ist ein Platzhalter für das Elementsymbol aus dem Periodensystem. Zum Beispiel U für Uran.“ Die Ordnungszahl Z entspricht der Anzahl der Protonen, im neutralen Atom auch der Elektronen, und wird auch Kernladungszahl genannt. „Die Massenzahl A ist die Summe aus der Protonenzahl Z und der Neutronenzahl N. Man könnte sie auch Nukleonenzahl nennen. Denn der Oberbegriff für Protonen und Neutronen ist Nukleonen.“ „Schauen wir uns dieses Beispiel an. Dies ist ein „Uran-zweihundertachtundreißig-Kern.“ Seine Ordnungszahl ist zweiundneunzig. Seine Massenzahl ist zweihundertachtundreißig.“ „Jetzt ist der Moment, um einen neuen Begriff einzuführen: Wir sprechen von Nuklid, wenn wir uns für eine bestimmte Atomkernsorte mit einer festen Kernladungszahl Z und Massenzahl A interessieren.“ Das hier ist also ein „Uran-Zweihundert-Achtundreißig-Nuklid.“ Kannst du ausrechnen, wieviele Neutronen das Nuklid hat? „Wir machen das mal vorsichtshalber Schritt für Schritt. Wir wissen, dass die Massenzahl die Summe aus Protonenzahl und Neutronenzahl ist. Es gilt also A gleich Z plus N.“ Jetzt ziehen wir auf beiden Seiten Z ab „und erhalten N gleich A minus Z.“ „A ist zweihundertachtundreißig. Und die Protonenzahl?“ Die entspricht der Kernladungszahl. In unserem Fall also zweiundneunzig. Dann ist N also einhundertsechsundvierzig. Zweiundneunzig Protonen auf einem Haufen und das soll stabil sein? Nein. Ist es nicht. Das Uran zweihundertachtunddreißig Nuklid hat ein Stabilitätsproblem. Da können nicht einmal einhundertsechsundvierzig Neutronen helfen. Bei leichten Kernen sind Protonen- und Neutronenanzahl etwa gleich. Für schwere Kerne überwiegt die Zahl der Neutronen. Davon wird aber ein Nuklid nicht automatisch stabiler, auch wenn man das meinen könnte. Aber was hält denn die Nukleonen überhaupt zusammen? Neben der Coulombkraft zwischen elektrischen Ladungen wirkt die sogenannte starke Kernkraft. Sie ist immer anziehend, wirkt zwischen allen Nukleonen, also Neutronen und Protonen, gleichermaßen, „hat aber eine sehr geringe Reichweite. Dafür ist sie innerhalb dieser Reichweite sehr stark. Stärker als die Coulombkraft.“ Aber selbst diese geniale Lösung unseres Ausgangsproblems führt nicht dazu, dass alle Nuklide stabil sind. INstabile Nuklide fallen letztlich auseinander. Man nennt das Radioaktivität. Wie genau das vor sich geht, erfährst du in einem anderen Video. Bevor wir zur Zusammenfassung kommen, müssen wir noch ein letztes Detail des Kernaufbaus betrachten. All diese drei Nuklide haben sechs Protonen. Und wenn sie ein neutrales Atom bilden, dann auch sechs Elektronen. Aber sie haben verschieden viele Neutronen. Es handelt sich um die häufigsten Isotope des Kohlenstoffs. Isotope sind die in der Natur vorkommenden Varianten eines Elements. Sie haben die gleiche Ordnungszahl Z, aber verschiedene Massenzahlen. Die Isotope eines Elements unterscheiden sich also in der Zahl ihrer Neutronen. Chemisch lassen sich die Isotope eines Elements nicht unterscheiden. Das Wort Isotop kommt von den altgriechischen Wörtern Isos, derselbe, und Topos, der Ort. Die Isotope eines Elements stehen nämlich im Periodensystem der Elemente alle am selben Ort. Die allermeisten Elemente kommen als Isotopengemische vor. Das ist einer der Gründe, warum im Periodensystem der Elemente oft eine krumme Massenzahl steht. Diese krumme Zahl ist die nach der Häufigkeit des Isoptops gebildete durchschnittliche Massenzahl. Dann wollen wir mal zusammenfassen, was wir gelernt haben. Wir sprechen von einem Nuklid, wenn wir uns für eine bestimmte Atomkernsorte mit einer festen Kernladungszahl Z und Massenzahl A interessieren. In der Symbolschreibweise kannst du leicht die Protonenzahl ablesen und die Neutronenzahl berechnen. Die meisten Elemente kommen in der Natur in mehreren Isotopen vor. Hier nur eine Auswahl von Uranisotopen. „Die Protonen im Kern sind positiv geladen und stoßen sich gegenseitig ab. Die starken Kernkräfte sind anziehend und sehr stark, aber nur auf kurze Reichweite. Sie wirken zwischen allen Nukleonen.“ Bei stabilen Atomkernen sind die starken Kernkräfte groß genug, um der coulombschen Abstoßung entgegenzuwirken. Bei instabilen Atomkernen können die starken Kernkräfte nicht auf Dauer für Stabilität sorgen. Durch die Kernumwandlungen bei der Radioaktivität wird die Instabilität von Kernen verringert. Du siehst selbst: Wir haben die Uneindeutigkeit des Titels nicht umsonst gewählt.

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