Protonen, Neutronen und Isotope

Jeder Atomkern besteht aus zwei Arten von Nukleonen:

• dem Proton: Ladung +e, Masse etwa 1,0073 u
• dem Neutron: keine Ladung, Masse etwa 1,0087 u. Es wurde von James Chadwick im Jahr 1932 nachgewiesen.

Drei Zahlen beschreiben einen Atomkern:

• Z, die Ordnungszahl: die Anzahl der Protonen. Sie bestimmt das Element. Z = 6 ist immer Kohlenstoff; Z = 92 ist immer Uran.
• N, die Neutronenzahl.
• A, die Massenzahl: die Gesamtzahl der Nukleonen.

A = Z + N.

Die übliche Schreibweise für ein Nuklid setzt A oben links und Z unten links neben das Elementsymbol: ¹⁴₆C ist Kohlenstoff mit A = 14 und Z = 6, also N = 14 − 6 = 8. Du wirst es auch als Kohlenstoff-14 oder C-14 geschrieben sehen. Dabei muss Z nachgeschlagen werden, weil das Symbol das Element bereits angibt.

Isotope sind Atomkerne mit demselben Z, aber einem anderen N. Sie sind Atome desselben Elements mit unterschiedlichen Massen.

• Kohlenstoff-12 (6 Protonen, 6 Neutronen) kommt mit Abstand am häufigsten vor, etwa 99 Prozent des natürlichen Kohlenstoffs.
• Kohlenstoff-13 (6 Protonen, 7 Neutronen) macht etwa 1 Prozent aus.
• Kohlenstoff-14 (6 Protonen, 8 Neutronen) ist radioaktiv und extrem selten: etwa ein Kohlenstoffatom unter einer Billion.

Wasserstoff hat drei bekannte Isotope: gewöhnlicher Wasserstoff-1 (ein Proton), Deuterium (Wasserstoff-2, ein Proton und ein Neutron) und Tritium (Wasserstoff-3, ein Proton und zwei Neutronen). Wasser, das mit Deuterium hergestellt wird, nennt man schweres Wasser. In der Fusionswelt wirst du D und T wieder begegnen.

Die Chemie hängt davon ab, wie die Elektronen eines Atoms angeordnet sind, und ein neutrales Atom hat genauso viele Elektronen wie Protonen. Isotope eines Elements haben daher gleich viele Elektronen und verhalten sich bei chemischen Reaktionen fast identisch. Anders sind die Masse und oft auch die Stabilität des Atomkerns.

Masse zählen. Kernmassen werden in atomaren Masseneinheiten angegeben: 1 u ist genau ein Zwölftel der Masse eines Kohlenstoff-12-Atoms, also etwa 1,6605 × 10⁻²⁷ kg. Deshalb liegt die Massenzahl A nahe an der Masse in u. Kohlenstoff-12 hat per Definition genau 12 u.

Die in einem Periodensystem angegebene Atommasse ist ein Durchschnitt aus der natürlichen Mischung der Isotope. Chlor wird mit 35,45 angegeben, weil natürliches Chlor ungefähr aus drei Teilen Chlor-35 und einem Teil Chlor-37 besteht. Kein einzelnes Chloratom hat tatsächlich diese Masse.