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Station 2: Bausteine des Kerns

Der positiv geladene Atomkern

Gemäß dem Atommodell von Ernest Rutherford besteht ein Atom aus einem kleinen, schweren, positiv geladenen Kern, der von einer wesentlich größeren Hülle aus Elektronen umgeben ist. Die experimentellen Daten, die Rutherford und seine Mitarbeiter bei den unzähligen Streuversuchen erhalten hatten, stützten dieses Modell.

Wie genau der positiv geladene Atomkern aufgebaut ist, war aber noch unbekannt. Das sollt ihr euch in dieser Station erarbeiten.


Rutherfords nächste Entdeckung

Im Jahr 1919, nach seinen berühmten Streuversuchen, forschte Ernest Rutherford weiterhin an der Wechselwirkung von α-Teilchen mit verschiedenen Stoffen. Bei einem Experiment beschoss er gasförmigen Stickstoff mit α-Teilchen und konnte dabei mit der gleichen Detektionsmethode wie bei den Streuversuchen, beobachten, dass Wasserstoffkerne entstehen.

Rutherford vermutete, dass die Wasserstoffkerne durch die α-Teilchen aus den Kernen der Stickstoffatome herausgeschlagen werden. Er hatte mit diesen Experimenten einen Baustein der Atomkerne gefunden - der Kern eines Wasserstoffatoms.

Er nannte dieses Teilchen, mit der Masse 1 und einfacher positiver Ladung, Proton (aus dem altgriechischen ‚das erste‘).

Die Protonen sind die positiv geladenen Bausteine des Atomkerns. Je mehr Protonen im Atomkern sind, desto größer ist die Ladung des Kerns (Kernladungszahl).

Ein Modellversuch zum Aufbau des Atomkerns

Lege einige identische Ringmagnete mit dem gleichen Pol nach oben auf eine feste Unterlage. Versuche nun die Magnete möglichst nah aneinander zu bringen, ohne sie noch festzuhalten oder übereinander zu legen.

Lege Cent-Münzen zwischen die Magnete und prüfe, wie nah du sie nun aneinander bringen kannst.

  1. Beschreibe den Versuch mit eigenen Worten
  2. Welche Rolle haben die Cent-Münzen für den Zusammenhalt der Magnete?

 

Ein weiterer Kernbaustein

In dem Modellversuch konntest du selber spüren, dass sich gleiche Ladungen abstoßen. Wie kann es also sein, dass die Protonen im Atomkern zusammen halten? Rutherford hatte ja bereits herausgefunden, dass der Kern sehr klein und massiv ist.


Die Lösung dieses Problems konnte erst 1932 durch James Chadwick, einen Mitarbeiter Rutherfords, geliefert werden.

Er entdeckte, dass der Atomkern nicht nur aus Protonen aufgebaut ist. Ein weiterer Baustein des Kerns sind die Neutronen. Im Modellversuch hast du bereits gesehen welche Rolle die Neutronen für den Aufbau des Atomkerns spielen. Sie sorgen dafür, dass die Protonen dicht beieinander bleiben können und der Atomkern stabil bleibt. Neutronen tragen keine Ladung (daher auch der Name) und sind etwa gleich schwer wie Protonen. Beide haben die Masse 1 u.

Protonen und Neutronen machen zusammen fast die gesamte Masse des Atoms aus. Die Masse eines Atoms ergibt sich aus der Summe der Protonen und Neutronen.

Protonenzahl und Masse im Periodensystem

Das Periodensystem kennst du bestimmt aus dem Unterricht. Dort sind viele Informationen über die Elemente zusammengefasst.

Unter anderem kannst du im Periodensystem auch die Anzahl der Protonen eines Atoms und die Masse des Atoms ablesen. Die Bilder zeigen dir, wo du welchen Wert finden kannst.

Übung

Die Anzahl der Neutronen eines Atoms ergibt sich also aus der Massenzahl des Atoms minus der Zahl der Protonen des Atoms.

Ein Beispiel:

Ein Atom des Elements Phosphor hat die Massenzahl 31 und die Kernladungszahl 15.

Die Anzahl der Neutronen ist also: 31 - 15 = 16


In der folgenden Übung kannst du das Gelernte überprüfen.

Rückblick: Kernladung und Atommasse

In Station 1 hast du den Zusammenhang zwischen der Kernladung und der Atommasse erarbeitet. Das Diagramm ist hier rechts nochmal dargestellt.

Mit steigender Kernladungszahl befinden sich immer mehr Protonen im Atomkern. Je größer der Atomkern wird, desto mehr Neutronen sind notwendig, um den Atomkern stabil zu halten. Atomkerne, die nicht stabil sind, sind radioaktiv. Deshalb steigt die Atommasse ab einer bestimmten Kernladungszahl auch schneller an.

Aufgabe

Fasse die Informationen dieser Station zusammen, indem du folgende Fragen beantwortest:

  1. Aus welchen Teilchen ist der Atomkern aufgebaut?
  2. Welche Rolle spielen die einzelnen Bausteine des Atomkerns und welche Eigenschaften haben sie?
  3. Wie setzt sich die Masse eines Atoms zusammen?

Wie stellst du dir einen Atomkern vor? Entwickle ein Gedankenmodell und zeichne einen Kohlenstoffatomkern mit 6 Neutronen.

Tipp: Kohlenstoff hat die Kernladungszahl 6.

Chemip410e-Webdgqpfmaspgste3esnr (chezbfuymie@uo5asjl.5sdee95y) (Stand: 14.09.2020)