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Der Atomkern ist das extrem dichte, positiv geladene Zentrum des Atoms, das fast die gesamte Masse vereint. Er besteht aus Nukleonen (Protonen und Neutronen), die aus Quarks aufgebaut sind, und wird durch die fundamentalen Wechselwirkungen geprägt, was für Radioaktivität und medizinische Bildgebung wie die MRT essentiell ist.
Der Atomkern bildet das energetische und massereiche Zentrum des Atoms. Obwohl sein Durchmesser mit etwa 10⁻¹⁴ m rund 100.000 Mal kleiner ist als der der gesamten Atomhülle, beherbergt er über 99,9 % der gesamten Masse. Zur Veranschaulichung: Wäre ein Atom so groß wie ein Fußballstadion, hätte der Kern nur die Größe einer Erbse. Eine Streichholzschachtel, gefüllt mit solch extrem dichtem Kernmaterial, würde 2,5 Milliarden Tonnen wiegen.
Zum Vergleich: Die Dichte von Wasser beträgt lediglich etwa 10³ kg/m³, während die Dichte des Kernmaterials auf über 10¹⁷ kg/m³ geschätzt wird.
Der Kern besteht aus Nukleonen, einem Sammelbegriff für Protonen und Neutronen. Während Protonen eine positive Elementarladung tragen, sind Neutronen elektrisch neutral. Die Anzahl der Protonen im Kern wird als Ordnungszahl (Z) bezeichnet und bestimmt die chemische Identität eines Elements.
Die Summe aus Protonen und Neutronen ergibt die Massenzahl (A). Da ein Proton oder Neutron etwa 1836-mal schwerer ist als ein Elektron, wird die Masse der Elektronen bei der Berechnung der Atommasse meist vernachlässigt. Die Anzahl der Neutronen (N) lässt sich einfach berechnen: N = A - Z.
Atome mit der gleichen Anzahl an Protonen, aber unterschiedlicher Anzahl an Neutronen, nennt man Isotope. Da die chemischen Eigenschaften primär durch die Elektronenkonfiguration (und damit indirekt durch die Protonenzahl) bestimmt werden, verhalten sich Isotope chemisch nahezu identisch, weisen jedoch unterschiedliche physikalische Massen auf. Ein typisches Beispiel sind die Wasserstoffisotope Protium (¹H) und Deuterium (²H), wobei Deuterium ein Neutron mehr besitzt.
Die fundamentalen Kräfte im Universum sind die Gravitation, die elektromagnetische Wechselwirkung, die starke Kernkraft und die schwache Kernkraft. Während Gravitation und elektromagnetische Kraft eine unendliche Reichweite aufweisen, sind die starke und die schwache Wechselwirkung extrem kurzreichweitig und wirken nur innerhalb des Atomkerns.
Im Kern wirken zwei gegensätzliche Kräfte: Die elektrische Abstoßung (Coulomb-Kraft) zwischen den positiv geladenen Protonen und die Starke Kernkraft (starke Wechselwirkung), eine der vier fundamentalen Kräfte der Physik. Letztere ist die stärkste Kraft im Universum, wirkt jedoch nur über extrem kurze Distanzen (ca. 10⁻¹⁵ Meter) und hält die Nukleonen wie ein extrem starker Klebstoff zusammen.
Um diese Kraft zu verstehen, muss man in das Innere der Nukleonen blicken: Protonen und Neutronen gehören zur Teilchenfamilie der Hadronen und bestehen selbst aus je drei Quarks. Quarks tragen eine sogenannte Farbladung, wobei für jedes Hadron jeweils ein Quark der Farbe 'rot', 'blau' und 'grün' vorliegen muss. Der ständige Austausch von Gluonen – den Wechselwirkungsteilchen der starken Kraft – zwischen den Quarks vermittelt den Zusammenhalt und sorgt für den permanenten Wechsel der Farbladungen.
Quarks tragen nicht nur Farbladung, sondern auch elektrische Ladung – diese ist jedoch nicht ganzzahlig, sondern gedrittelt. Das up-Quark besitzt eine Ladung von +2/3, das down-Quark von -1/3. Damit setzen sich die Ladungen der Nukleonen wie folgt zusammen: Proton (uud) = +2/3 +2/3 -1/3 = +1; Neutron (udd) = -1/3 -1/3 +2/3 = 0.
Quarks und Leptonen (wie Elektronen und Neutrinos) haben einen halbzahligen Spin (z.B. 1/2) und werden als Fermionen bezeichnet. Sie unterliegen dem Pauli-Prinzip, wonach zwei identische Fermionen nicht denselben Quantenzustand einnehmen können. Teilchen mit ganzzahligem Spin heißen Bosonen; zu ihnen zählen die Wechselwirkungsteilchen (Eichbosonen) wie das Photon (elektromagnetische Kraft), Gluonen (starke Kraft), W- und Z-Bosonen (schwache Kraft) sowie das Higgs-Boson. Bosonen können sich im Gegensatz zu Fermionen am gleichen Ort aufhalten und beliebig überlagern.
Zu jedem Teilchen existiert ein Antiteilchen mit identischer Masse, aber entgegengesetzten Ladungen (elektrisch und Farbe). Das bekannteste Antiteilchen ist das Positron (Anti-Elektron). Bei Kontakt von Teilchen und Antiteilchen kommt es zur Annihilation, bei der sie sich in Energie oder neue Teilchen umwandeln.
Die Stabilität eines Kerns hängt vom Verhältnis zwischen Protonen und Neutronen ab. Neutronen fungieren dabei als eine Art 'Puffer', der hilft, die Abstoßung der Protonen durch die zusätzliche starke Kernkraft zu kompensieren. Ist dieses Verhältnis instabil, kommt es zum radioaktiven Zerfall.
Für den radioaktiven Beta-Zerfall ist die schwache Kernkraft verantwortlich. Sie ist noch kurzreichweitiger als die starke Kraft und ermöglicht die Umwandlung von Quarks. Beim Beta-Minus-Zerfall wird ein down-Quark in ein up-Quark umgewandelt, wobei ein Elektron und ein Anti-Elektronneutrino emittiert werden. Der Beta-Plus-Zerfall wandelt ein up- in ein down-Quark um und setzt ein Positron sowie ein Elektronneutrino frei.
Eine besondere Eigenschaft der starken Kernkraft ist, dass ihre Stärke mit zunehmendem Abstand zwischen den Nukleonen zunächst anwächst (wie ein Gummiband), bei einer bestimmten Distanz jedoch abrupt auf null abfällt. Dadurch wirkt sie nur zwischen unmittelbar benachbarten Nukleonen, und große Kerne neigen zur Instabilität.
Auch Atomkerne können diskrete Energiezustände einnehmen. Durch Stoßanregung – etwa bei Kollisionen mit anderen Teilchen – werden sie in angeregte Zustände versetzt und kehren unter Aussendung von hochenergetischer Gamma-Strahlung in den Grundzustand zurück. Diese Gamma-Quanten sind etwa eine Million Mal energiereicher als Licht, das bei Elektronenübergängen emittiert wird, und finden Anwendung in der Nuklearmedizin (z.B. PET).
Das tiefere Verständnis des Atomkerns ist nicht nur physikalisch fundamental, sondern auch von großer Bedeutung für die moderne Medizin. So basiert beispielsweise die Magnetresonanztomographie (MRT) auf der gezielten Anregung von Atomkernen (meist Wasserstoffprotonen) in einem starken Magnetfeld, um detaillierte Schnittbilder von Gewebe und Organen zu erzeugen.
