mini|Schematische Darstellung des Atoms (nicht maßstäblich, sonst wäre der untere Pfeil ca. 100 m lang). Mit anderen Worten: Der Atomkern ist im Vergleich zu einem Atom mit einer Elektronenhülle sehr klein (fm = Femtometer = 10−15 m)
Der Atomkern ist der innerste, positiv geladene Teil eines Atoms. Die Unterteilung eines Atoms in Atomkern und Atomhülle geht auf Ernest Rutherford zurück, der 1911 in Streuexperimenten zeigte, dass Atome aus einem winzigen, kompakten Kern in einer leichten Hülle bestehen müssen. Dabei hat der Atomkern zwar einen 20.000 bis 150.000 Mal kleineren Durchmesser als die Atomhülle, beherbergt aber mehr als 99,9 Prozent der Masse des gesamten Atoms. Der Atomkern besteht aus Protonen und (außer bei 1H) Neutronen. Der Atomkern bestimmt durch seine Protonenzahl (auch Kernladungszahl, Ordnungszahl) die Anzahl der Elektronen eines elektrisch neutralen Atoms, dadurch auch die Struktur der Elektronenhülle und somit die chemischen Eigenschaften des Atoms. Protonen und Neutronen werden im Kern durch Kernkräfte zusammengehalten. Ändert sich der Aufbau oder Zustand eines Kerns, wie durch Radioaktivität, kann die umgesetzte Energie millionenfach größer sein als bei einer chemischen Reaktion der Hülle.
Das Teilgebiet der Physik, das sich mit der Untersuchung und Beschreibung von Atomkernen beschäftigt, ist die Kernphysik. In Begriffen, die den Atomkern betreffen, wurde in der Anfangszeit meist der Vorsatz „Atom-“ verwendet. Später wurde das weitgehend abgelöst durch Kern- oder Nuklear-, nach dem lateinischen Wort nucleus für Kern. Nuklear bezeichnet Dinge oder Wirkungen, die mit Eigenschaften oder mit Kernreaktionen von Atomkernen zusammenhängen, beispielsweise Nuklearmedizin.
Die einzelnen Atomsorten werden nach dem Aufbau ihrer Atomkerne als Nuklide bezeichnet.
Kenntnisse über die Eigenschaften bzw. Physik der Atomkernen bzw. deren Kernstruktur sind notwendig u. a. zum Verstehen der Radioaktivität, Kernreaktionen (z. B. Kernspaltung oder Kernfusion) usw. Erkenntnisse über die Atomkerne führten zu verschiedenen Anwendungen, z. B. die Nutzung der Kernenergie als Teil der Kerntechnik. Weitere Anwendungen finden sich in der Beschleunigerphysik oder Hochenergiephysik, Magnetresonanztomographie (MRT) in der Medizintechnik sowie der Hyperfeinstruktur in der Spektroskopie.
Aufbau Der Atomkern im Atom
Der Atomkern befindet sich im Zentrum des Atoms; sein Durchmesser beträgt etwa bis des Durchmessers der Elektronenhülle. Der Atomkern stellt aber, je nach Element, 99,95 bis 99,98 Prozent der Masse des gesamten Atoms. Die Massendichte des Atomkerns, auch Kerndichte genannt, beträgt etwa 1014 g/cm3. Aufgrund der geringen Größe des Atomkerns sowie seiner außerordentlich großen Massen- und Energiedichte unterscheidet sich die Kernmaterie stark von den Körpern, mit denen wir es unter üblichen Bedingungen zu tun haben.
Protonen und Neutronen Der Kern ist aufgebaut aus Protonen und Neutronen, die zusammen auch Nukleonen genannt werden. Protonen sind elektrisch positiv geladen, sie tragen die Ladung , wobei die Elementarladung ist; Neutronen sind elektrisch neutral. Die Ladung eines Kerns mit Protonen beträgt also Man bezeichnet als Kernladungszahl.
Protonen und Neutronen haben ungefähr dieselbe Masse. Die Masse eines Kerns mit Protonen und Neutronen ist daher ungefähr proportional zu , der Zahl der Nukleonen. Man bezeichnet als Massenzahl (für Genaueres zur Masse des Kerns siehe Kernmasse oder Massendefekt). Die Massenzahlen der auf der Erde natürlich vorkommenden Atome reichen von (normaler Wasserstoff 1H) bis 244 (Plutonium 244Pu). Die makroskopische Dichte der kondensierten Materie dagegen steigt nicht proportional zur Atommasse, weil auch der Atomradius im Mittel um das ansteigt (neben starken periodischen Schwankungen, siehe Abb. in Atomradius).
Elemente und Isotope
Da der Atomkern eine positive Ladung von trägt, kann er durch die elektrostatische Anziehung negativ geladene Elektronen an sich binden. Die Ladungen von Elektron und Proton sind entgegengesetzt gleich, daher hat ein nach außen hin elektrisch neutrales Atom ebenso viele Elektronen in der Atomhülle wie Protonen im Kern. Da die Atomhülle weitestgehend die chemischen Eigenschaften bestimmt, legt die Kernladungszahl damit auch fest, zu welchem Element das Atom gehört, sie ist die chemische Ordnungszahl.
Die Zahl der Neutronen im Kern hingegen beeinflusst die chemischen Eigenschaften des Atoms fast überhaupt nicht. Unterscheidet man Kerne (oder ganze Atome) desselben Elements, also mit gleicher Protonenzahl, nach ihrer Anzahl von Neutronen, spricht man von den Isotopen des betreffenden Elements. Bezeichnet werden Nuklide mit dem chemischen Elementsymbol und der Massenzahl, wie das häufigste Kohlenstoffisotop 12C oder das häufigste Eisenisotop 56Fe. Weniger üblich ist die Schreibweise C-12 bzw. Fe-56, oder die redundante zusätzliche Angabe der Ordnungszahl:
Nuklide mini|hochkant=1.7|Nuklidkarte mit farblicher Kennzeichnung der Zerfallsarten. Stabile Kerne sind schwarz dargestellt
Eine durch Ordnungszahl und Massenzahl festgelegte Atom- oder Atomkernsorte wird Nuklid genannt. In manchen Fällen existieren langlebige Anregungsstufen des Kerns (siehe unten), die als Isomere bezeichnet werden und als eigene Nuklide zählen. Isomere werden mit dem Zusatz „m“ für „metastabil“ bezeichnet, z. B. 99mTc. Es kann also zu einem Isotop eines Elements mehrere Nuklide geben, von denen dann höchstens eins stabil ist.
Die meisten Nuklide sind instabil. Sie wandeln sich unter Emission von Strahlung (Radioaktivität) in andere Nuklide um. Der radioaktive Zerfall tritt spontan, zu einem nicht vorhersagbaren Zeitpunkt auf. Ansonsten ändert sich die Zahl der Protonen und Neutronen nur durch bei einem Zusammentreffen mit einem anderen Teilchen (Kernreaktion,
Es sind (Stand von 2003) insgesamt etwa 3200 langlebige Nuklide bekannt, „Langlebig“ bedeutet hier eine Halbwertzeit von mindestens 100 ns. die sich auf etwa 2700 Isotope der 118 bekannten Elemente von Wasserstoff bis Oganesson verteilen. Darunter gibt es ca. 250 stabile Nuklide. Die Stabilität eines Nuklids hängt von der Zahl der Protonen und der Neutronen ab. Liegt das Verhältnis beider Zahlen außerhalb eines bestimmten Bereichs, ist der Kern instabil, d. h. radioaktiv, und wandelt sich in einen stabileren Kern um. Zu den Protonenzahlen 43, 61 oder größer als 82 gibt es gar kein stabiles Nuklid.
Die Nuklide werden zur Übersicht in einer Nuklidkarte oder „Isotopenkarte“ durch kleine Quadrate grafisch dargestellt. Die Abbildung zeigt rund 1500 Nuklide. Die horizontale Achse gibt die Neutronenzahl an, die vertikale die Protonenzahl. Stabile Nuklide haben schwarze Quadrate, links unten beginnend mit 1H, rechts oben endend mit 208Pb. Die Schmalheit des schwarzen Bandes zeigt, wie genau die Abstimmung von Protonen- und Neutronenzahl für einen stabilen Kern sein muss. Bis A = 40 müssen beide Zahlen nahezu gleich sein, darüber müssen die Neutronen zunehmend im Überschuss vorhanden sein (bis Die übrigen Kerne sind instabil, wobei die Farbe des Quadrats die radioaktiven Umwandlungsarten anzeigt. Generell sind Kerne mit gerader Protonen- und/oder Neutronenzahl eher stabil als solche mit ungeraden Zahlen; alle doppelt-ungeraden Kerne – mit Ausnahme von 2H, 6Li, 10B und 14N – sind instabil.
Bindung Kernkraft und Coulombkraft
Alle Nukleonen ziehen sich gegenseitig durch die Kernkräfte an. Diese sind eine Restwechselwirkung der Starken Wechselwirkung, die zwischen Quarks wirkt, den Bestandteilen von Protonen und Neutronen. Die Kernkräfte wirken gleichermaßen zwischen Protonen und Neutronen und haben nur eine kurze Reichweite, die etwa einem Nukleondurchmesser (etwa 1 fm = 10−15 m) entspricht.
Hinzu kommt die abstoßende Wirkung der Coulombkraft, die nur zwischen den Protonen wirkt. Sie ist zwar um ca. zwei Größenordnungen (10−2) schwächer als die Kernkräfte, hat aber eine große Reichweite. Ein Nukleon im Kern erfährt nur die Anziehung seiner unmittelbaren Nachbarnukleonen, ein Proton erfährt aber zusätzlich die abstoßende Kraft aller anderen Protonen im Kern. Oberhalb der Protonenzahl 82 (Blei) ist diese Abstoßung so stark, dass alle weiteren Kerne instabil sind, also radioaktiv.
Bindungsenergie mini|hochkant=2|Mittlere Bindungsenergie pro Nukleon in Abhängigkeit von der Anzahl der Nukleonen im Atomkern; in der kleineren Abbildung vergrößert die Werte für die leichtesten Nuklide. Stabile Nuklide schwarz, instabile rot
Die Bindungsenergie eines Atomkerns ist definitionsgemäß die Energie, die zugeführt werden müsste, um den Kern in seine einzelnen Nukleonen zu zerlegen, bzw. die Energie, die insgesamt frei wurde, als der Kern aus einzelnen Protonen und Neutronen aufgebaut wurde. In einem weiten Massenbereich beträgt diese Energie nahe der Linie der Stabilität (also bei einem „günstigen“ Verhältnis von Protonen- und Neutronenzahl) 8 MeV pro Nukleon oder etwas mehr. Am höchsten ist sie bei 62Ni mit 8,795 MeV pro Nukleon, gefolgt von 58Fe, 64Ni, 56Fe,56Fe hat von allen Kernen zwar nur die vierthöchste Bindungsenergie pro Nukleon, ist aber der Kern mit der geringsten Masse pro Nukleon und daher Endpunkt der Nukleosynthese mit Energiefreisetzung in Sternen. 54Cr und 60Ni, also bei Kernen mit gerader Protonen- und Neutronenzahl im Massenbereich . Zu sehr geringen oder hohen Anzahlen von Nukleonen hin ist die Bindungsenergie pro Nukleon geringer.
Dieser Verlauf lässt sich im Rahmen des Tröpfchenmodells plausibel machen: Da die Kernkräfte nur zwischen unmittelbar benachbarten Nukleonen wirken, ist die durchschnittliche Bindungsenergie pro Nukleon zunächst unabhängig davon, wie viele Nukleonen insgesamt im Kern vorhanden sind. Mit steigender Nukleonenzahl sinkt der Bruchteil der Nukleonen, die an der Oberfläche sitzen und deshalb in Reichweite ihrer Kernkräfte weniger bindende Nachbarn haben. Dies bewirkt den anfänglichen Anstieg der Bindungsenergie im Durchschnitt über alle Nukleonen. Gegenüber diesem Anstieg überwiegt mit steigender Protonenzahl der negative Beitrag durch die elektrostatische Abstoßung der Protonen untereinander. Denn diese wirkt langreichweitig und daher nicht nur zwischen benachbarten, sondern zwischen allen Protonen. Der Einfluss auf die durchschnittliche Bindungsenergie pro Nukleon wird etwas abgemildert, indem bei schwereren Kernen der Anteil von Neutronen zunimmt. Jedoch kann der Neutronenüberschuss nicht allzu groß werden, weil die zusätzlichen Neutronen immer höhere Energiezustände einnehmen müssen, was wiederum zu einer Verringerung der durchschnittlichen Bindungsenergie führt.
Basierend auf dem Tröpfchenmodell kann der generelle Verlauf der Bindungsenergie mit der Bethe-Weizsäcker-Formel, die zusätzlich noch die stabilisierende Wirkung von geraden Protonen- und Neutronenzahlen berücksichtigt, mit etwa 1%iger Genauigkeit abgeschätzt werden. Zur Erklärung von Abweichungen (als Zacken in der Graphik erkennbar) ist das Schalenmodell heranzuziehen.
Die mittlere Bindungsenergie von 8 MeV pro Nukleon ist ein enorm hoher Wert, sie entspricht fast 0,1 % der Ruheenergie. Aufgrund der Äquivalenz von Masse und Energie hat solch ein Atomkern also eine um fast 0,1 % geringere Masse, als sich beim Addieren der Massen der einzelnen Nukleonen ergibt. Man bezeichnet dies als Massendefekt. Die Bindungsenergie lässt sich daher bestimmen, indem man diesen Massendefekt misst. Bei sehr kurzlebigen Kerne lässt sich die Bindungsenergie durch Messung der Energien ihrer Zerfallsprodukte bestimmen.