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Physik · Atomphysik
Größe, Masse und Dichte des Atomkerns, Z, A und N an echten Nukliden, Isotope und Nuklidkarte sowie Quarks und das Standardmodell der Teilchen.
Der Kern ist 10 000- bis 100 000-mal kleiner als das Atom, trägt aber über 99,9 % der Masse. Er besteht aus Protonen und Neutronen, und die bestehen aus Quarks.
Wäre der Kern 1 mm groß, hätte das Atom 10 bis 100 m Durchmesser. Der Kern misst einige 10⁻¹⁵ m bis 10⁻¹⁴ m, das Atom etwa 10⁻¹⁰ m. Ein Proton wiegt rund 1836-mal so viel wie ein Elektron, deshalb steckt die Masse im Kern.
Kernmaterie hat rund 2 · 10¹⁷ kg/m³: Ein Kubikzentimeter wöge etwa 200 Millionen Tonnen. Wasser hat 10³ kg/m³. Die Dichte ist in allen Kernen ähnlich, weil die Nukleonen dicht gepackt sind; Neutronensterne bestehen fast nur aus ihr.
Der Durchmesser des Kerns ist 10⁴- bis 10⁵-mal kleiner, sein Volumen sogar 10¹²- bis 10¹⁵-mal. Den Rest des Raums nimmt die leichte Hülle ein.
Die Protonenzahl Z (Ordnungszahl) legt das Element fest, die Massenzahl A zählt Protonen und Neutronen zusammen. Das Nuklidsymbol trägt A oben und Z unten links.
N = A − ZNeutronen = Massenzahl minus Ordnungszahl
| Nuklid | Protonen | Neutronen |
|---|---|---|
| ¹²₆C | 6 | 6 |
| ³¹₁₅P | 15 | 16 |
| ²³⁸₉₂U | 92 | 146 |
Die Atommasse beträgt etwa A in u, die Elektronen fallen kaum ins Gewicht. → Ausführlich in: Atomkern (Chemie) und Nuklide
Isotope haben dasselbe Z, aber ein anderes N. Die Hülle ist gleich, also auch fast die Chemie. Wasserstoff zeigt alle drei: ¹H, ²H, ³H; nur ³H ist radioaktiv.
Die Nuklidkarte trägt jedes bekannte Nuklid ein: Neutronenzahl N waagerecht, Protonenzahl Z senkrecht. Die stabilen Kerne bilden ein schmales Band. Leichte liegen nahe N = Z, schwere brauchen mehr Neutronen, etwa Blei-208 mit Z = 82 und N = 126. Wer neben dem Band liegt, ist radioaktiv und zerfällt auf das Band zu.
Neutronen wirken dabei als Puffer, denn sie verstärken die Anziehung, ohne selbst abzustoßen.
| Abweichung | Zerfall | Folge |
|---|---|---|
| zu viele Neutronen | β⁻ | n wird p |
| zu viele Protonen | β⁺ | p wird n |
| sehr schwerer Kern | α | Z − 2, N − 2 |
→ Ausführlich in: Kernkräfte (Stabilität) und Radioaktivität (Zerfallsarten)
Auch Kerne haben diskrete Energiezustände. Nach einer Stoßanregung fällt der Kern unter Aussendung von γ-Strahlung zurück in den Grundzustand. γ-Quanten aus dem Kern tragen keV bis MeV, Licht aus der Hülle nur wenige eV.
Die Szintigrafie nutzt Tc-99m, einen angeregten Kern, der γ-Quanten aussendet. Die MRT regt Wasserstoffkerne im starken Magnetfeld an.
Quarks haben gedrittelte elektrische Ladung: Das up-Quark besitzt +2/3, das down-Quark −1/3. Proton (uud) = +2/3 + 2/3 − 1/3 = +1, Neutron (udd) = −1/3 − 1/3 + 2/3 = 0.
Ein Nukleon ist ein Baryon: drei Quarks, je eins pro Farbladung, nach außen farbneutral. Quark plus Antiquark ergibt ein Meson; beide zusammen heißen Hadronen.
Die Farbladungen heißen rot, grün und blau. Es gibt sechs Quarksorten, normale Materie braucht nur up und down. Freie Quarks gibt es nicht. → Ausführlich in: Starke und schwache Wechselwirkung
Teilchen mit halbzahligem Spin sind Fermionen und gehorchen dem Pauli-Prinzip: Zwei gleiche passen nicht in denselben Zustand. Teilchen mit ganzzahligem Spin sind Bosonen, beliebig viele passen an denselben Ort. Das Higgs-Boson (Spin 0) ist ein Boson, aber kein Eichboson.
| Gruppe | Teilchen | Spin |
|---|---|---|
| Quarks | up, down, charm, strange, top, bottom | ½ |
| Leptonen | Elektron, Myon, Tau, 3 Neutrinos | ½ |
| Eichbosonen | Photon, Gluon, W, Z | 1 |
Es gibt drei Generationen. Normale Materie besteht aus der ersten: up, down, Elektron und Elektron-Neutrino. Quarks und geladene Leptonen der höheren Generationen sind schwerer und zerfallen schnell. Elektron, Myon und Tau tragen die Ladung −1, Neutrinos sind neutral und fast masselos.
Jedes Teilchen hat ein Antiteilchen mit gleicher Masse und entgegengesetzten Ladungen, etwa das Positron zum Elektron. → Ausführlich in: Antiteilchen
Die Coulomb-Kraft stößt die Protonen ab, die starke Kraft hält die Nukleonen zusammen, und die schwache Kraft wandelt Quarks um und löst den β-Zerfall aus. Eichbosonen vermitteln diese Kräfte, Quarks spüren alle vier. → Ausführlich in: Starke und schwache Wechselwirkung
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Deine AufgabeWie groß sind Z, N und A beim Tritium – und warum ist es trotzdem Wasserstoff?
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Deine AufgabeAddiere die Quarkladungen: Warum ist uud geladen, udd aber neutral?
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Deine AufgabeAb welchem Abstand ist die Kernkraft praktisch verschwunden – und warum werden große Kerne dadurch instabil?
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