Physik · P10 · Atom- und Kernphysik
Atomaufbau bis zu den Quarks
Ein Atom besteht aus einer Hülle aus Elektronen und einem winzigen Kern aus Protonen und Neutronen. Protonen und Neutronen heißen zusammen Nukleonen. Auch sie sind zusammengesetzt, und zwar aus je drei Quarks. Zoome hinein: Der Kern ist rund zehntausend- bis hunderttausendmal kleiner als das Atom, trägt aber fast die ganze Masse.
So gehst du vor
- 1Zoome mit dem Regler oder den Stufenknöpfen hinein oder tippe „Automatisch hineinzoomen“.
- 2Ändere die Zahl der Protonen und Neutronen. Beobachte, wie sich Name, Kernladungszahl und Massenzahl ändern.
- 3Tippe ein Isotop aus der Liste an und vergleiche, ob es stabil ist.
- 4Zoome ganz hinein und schalte in der Mitte zwischen Proton und Neutron um. Rechne die Ladung aus den Quarks aus.
Die Größen stimmen: Bildbreite und Maßstab zeigen echte Längen. Nur die Elektronen und Quarks sind als sichtbare Punkte gezeichnet. Elektronen und Quarks haben nach heutigem Wissen keine messbare Ausdehnung, Experimente zeigen bis etwa 10−18 m nichts. Die Hülle ist eine Wolke: Wo genau ein Elektron ist, lässt sich nicht sagen. Die wellenförmigen Linien stehen für die Kraft zwischen den Quarks.
Hineinzoomen
0 %Bildbreite: 2,5 · 10−10 m
In der Mitte des Kerns
Proton: uud
Ladung: 23 + 23 − 13 = 1 Elementarladung
Up-Quark u: +23, Down-Quark d: −13
Kernladungszahl, Massenzahl, Isotope
Protonen6
Neutronen6
126CKohlenstoff-12
Kernladungszahl Z = 6: Sie legt das Element fest.
Neutronenzahl N = 6
Massenzahl A = Z + N = 12
Im neutralen Atom: 6 Elektronen in der Hülle
Der Kern enthält 99,97 % der Masse des Atoms.
Isotope von Kohlenstoff in unserer Tabelle
Kohlenstoff-12: stabil, Anteil in der Natur 98,9 %
Isotope eines Elements haben gleich viele Protonen, aber verschieden viele Neutronen. Chemisch verhalten sie sich fast gleich, denn die Hülle ist dieselbe. Die Tabelle reicht bis Magnesium (Z = 12). Mehr davon auf der Seite „Nuklidkarte“.
Ein Gefühl für die Größen
| Stufe | Größe etwa | wenn das Atom so groß wäre wie ein Fußballfeld (100 m) |
|---|---|---|
| Atom | 10−10 m | 100 m |
| Kern (Kohlenstoff-12) | 5,5 · 10−15 m | 2,7 mm, etwa ein Reiskorn |
| Nukleon | 1,7 · 10−15 m | 0,8 mm |
| Quark | kleiner als 10−18 m | kleiner als 0,5 µm |
Aufträge
- Beschreibe, was du beim Hineinzoomen auf jeder Stufe siehst. Wie oft musst du das Bild verzehnfachen, um vom Atom bis zum Kern zu kommen?
- Stelle Kohlenstoff-12 und Kohlenstoff-14 ein. Was ist gleich, was verschieden? Welches ist radioaktiv?
- Stelle Wasserstoff-1, -2 und -3 ein. Wie viele Teilchen sind jeweils im Kern? Wie viele Elektronen hat das neutrale Atom?
- Gib für ein Atom mit 8 Protonen und 10 Neutronen Z, A und das Nuklidzeichen an.
- Zeige mit den Ladungen der Quarks, dass das Proton die Ladung +1 und das Neutron die Ladung 0 hat.
- Bei einem Betazerfall wird aus einem Neutron ein Proton. Was muss dabei mit einem Quark geschehen?
Kapitel „Atommodelle“. Siehe auch die Seiten „Rutherford-Streuung“ und „Nuklidkarte“.