Zu Beginn des 20. Jahrhunderts erkannten die Physiker beim Beschuss von Atomen mit energiereichen Teilchen (Philipp LENARD (1862 - 1947): Beschuss mit schnellen Elektronen; Ernest RUTHERFORD (1871 - 1937): Beschuss mit energiereichen \(\alpha\)-Teilchen), dass Atome keine homogenen Massekugeln sind, sondern eine Struktur aus einem positiv geladenen Atomkern und einer negativ geladenen Atomhülle besitzen. 1919 entdeckte RUTHERFORD, dass im Atomkern des Stickstoffs Atomkerne des Wasserstoffs vorhanden sind. Er nahm daraufhin an, dass alle Atomkerne aus Wasserstoffkernen aufgebaut sind und schlug für diese den Namen Proton vor. Show RUTHERFORD vermutete bereits 1920, dass sich in Atomkernen neben den Protonen noch eine weitere Sorte von Teilchen befindet, die elektrisch neutral ist und deren Masse sehr nahe bei der Protonenmasse liegt. 1921 führte William Draper HARKINS (1873 - 1951) für dieses hypothetische Teilchen den Namen Neutron ein. Erst im Jahre 1932 konnte James CHADWICK (1891 - 1974) die Neutronen experimentell nachweisen. Damit war man sich sicher, dass Atomkerne aus zwei Sorten von Kernbausteinen bestehen, nämlich Protonen und Neutronen. Protonen und Neutronen als die Bausteine von Atomkernen bezeichnet man zusammenfassend als Nukleonen. Masse, Ladung und Durchmesser von Proton und NeutronDie Masse von Proton und Neutron ist ungefähr gleich, aber jeweils etwa \(1800\) Mal so groß wie die eines Elektrons der Hülle. Tab. 1 Masse, Ladung und Durchmesser von Proton und Neutron im Vergleich zum ElektronTeilchenMasseLadungDurchmesserProton\({1{,}6727\cdot10^{-27}\,\rm{kg}}\approx {1\cdot \rm{u}}\)\({+1{,}6022\cdot 10^{-19}\,\rm{As}}=+e\)\(\text{ca. }1\cdot10^{-15}\,\rm{m}\)Neutron\({1{,}6750\cdot10^{-27}\,\rm{kg}}\approx {1\cdot \rm{u}}\)ungeladen\(\text{ca. }1\cdot10^{-15}\,\rm{m}\)Elektron\(9{,}109\cdot 10^{-31}\,\rm{kg}\)\({-1{,}6022\cdot 10^{-19}\,\rm{As}}=-e\)\(< 1\cdot 10^{-18}\,\rm{m}\)Für die Angabe von Kernmassen wird anstelle von Angaben in \(\rm{kg}\) oft die atomare Masseneinheit \(\rm{u}\) genutzt. \(1\,\rm{u}\) ist dabei ein Zwölftel der Masse eines C-12 Atoms und es gilt\[1\,\rm{u}=1{,}66054 \cdot {10^{ - 27}}\,\rm{kg}\] Aufbau von Protonen und Neutronen aus Quarks Aufbauend auf den theoretischen Vorhersagen von André PETERMANN (1922 - 2011), Murray GELL-MANN (1929 - 2019) und George ZWEIG (*1937) Anfang der 60er jahre des letzten Jahrhunderts zeigten Experimente mit großen Teilchenbeschleunigern zwischen 1965 und 1970, dass Protonen und Neutronen jeweils aus zwei noch kleineren Teilchen aufgebaut sind - sogenannten Quarks. Dabei besteht ein Proton aus zwei Up-Quarks und einem Down-Quark, während ein Neutron aus einem Up-Quark und zwei Down-Quarks besteht. Die Kombination aus Protonenzahl und Neutronenzahl bestimmt das NuklidJeder Atomkern besteht also aus einer bestimmten Anzahl von Protonen und einer bestimmten Anzahl von Neutronen. Die dadurch möglichen verschiedenen Arten von Atomen bezeichnet man als Nuklide. Ein Nuklid ist also eine Art (Sorte) von Atomen, charakterisiert durch die beiden Zahlen, die angeben, aus wie vielen Protonen und wie vielen Neutronen ihre Atomkerne bestehen. Es kommt also auf die Kombination von Protonen und Neutronen und nicht auf die Gesamtzahl der Nukleonen an, zu welchem Nuklid ein Atom gehört. Die Protonenzahl \(Z\) bestimmt das ElementDie Anzahl der Protonen im Atomkern bestimmt, um welches chemische Element es sich bei dem betreffenden Atom handelt. Dabei entspricht die Anzahl der Protonen \(Z\) gerade der Ordnungszahl im Periodensystem der Elemente. Ein einzelnes Proton im Atomkern zeichnet ein Wasserstoffatom aus, zwei Protonen kennzeichnen Helium und Sauerstoff besitzt acht Protonen, also gilt hier \(Z=8\). Beim neutralen Atom stimmt jeweils die Elektronenzahl in der Atomhülle mit der Kernladungszahl überein. Ein neutrales Sauerstoffatom besitzt entsprechend acht Elektronen in der Atomhülle. Bei fester Protonenzahl bestimmt die Neutronenzahl das IsotopDie Anzahl der Neutronen im Atomkern eines Elementes kann hingegen variieren. So hat zwar Wasserstoff typischerweise kein Neutron, es existieren aber auch sogenannte Isotope des Wasserstoffatoms mit einem bzw. zwei Neutronen im Atomkern. Diese beiden Isotope des Wasserstoffs haben sogar eigene Namen: Ein Deuteriumkern besteht aus einem Proton und einem Neutron, ein Tritiumkern aus einem Proton und zwei Neutronen. Die Nukleonenzahl \(A\) ist die Summe aus der Anzahl der Protonen und der Anzahl der Neutronen. Für die Bindung der Elektronen an einen Atomkern sind die Protonen maßgeblich, daher ist die Elektronenhülle von Isotopen nahezu identisch. Dies hat zur Folge, dass man Isotope mit einfachen chemischen Mitteln nicht zu unterscheiden kann, da chemische Reaktionen im Wesentlichen von der Atomhülle bestimmt werden. Schreibweise zur eindeutigen Identifikation von AtomkernenZur einfachen und eindeutigen Beschreibung des Atomkerns eines Elements \(\rm{X}\) mit seiner Ordnungszahl \(Z\) und seiner Nukleonenzahl \(A\) wird die folgende Darstellung genutzt: \[\rm{}^{A}_{Z}{X}\] Dabei ist \(\rm{X}\) das Elementsymbol, \(Z\) die Protonenzahl und \(A\) die Nukleonenzahl des Atomkerns. Aus der Differenz von Nukleonenzahl \(A\) und Protonenzahl \(Z\) ergibt sich die Neutronenzahl \(N: \quad N=A-Z\) Beispiel\(\rm{}^{14}_{6}{C}\) besagt: Es handelt sich um Kohlenstoff mit der Kernladungszahl \(\rm Z=6\), der Nukleonenzahl \(\rm A=14\) und der Neutronenzahl \(\rm N=14-6=8\). KurzschreibweisenDa die Information über die Ordnungszahl bereits im chemischen Symbol \(\rm{X}\) steckt, benutzt man gelegentlich auch die Schreibweisen \(\rm{}^{14}_{}{C}\) bzw. \(\text{C-14}\) um einen Atomkern zu beschreiben. AufgabeMarkiere alle zutreffenden Aussagen über das Atom mit der Bezeichnung \(\rm{}^{35}_{17}{Cl}\). Lösungsvorschläge Es handelt sich um das Element Chlor. Richtige Antwort Das Atom besitzt \(N=17\) Neutronen. Das Atom besitzt \(Z=17\) Protonen. Richtige Antwort Das Atom besitzt \(A=35\) Nukleonen. Richtige Antwort Das Atom ist ein Isotop von \(\rm{}^{16}_{34}{S}\). Lösung Beim Atom mit der Bezeichnung \(\rm{}^{35}_{17}{Cl}\) handelt sich um ein Chlor-Atom mit \(A=35\) Nukleonen und \(Z=17\) Protonen. Die Neutronenzahl \(N\) ergibt sich aus \(N=A-Z\Rightarrow N=35-17=18\). Das Atom besitzt also 18 Neutronen. Wie nennt man Atome des gleichen Elements die sich in ihrer Neutronenzahl unterscheiden?Arten des gleichen Atoms, die sich nur in der Anzahl der Neutronen unterscheiden, werden Isotope genannt. Die Anzahl an Protonen und die Anzahl an Neutronen zusammen bestimmen die Massenzahl: Massenzahl = Protonen + Neutronen.
Wie nennt man Nuklide mit gleicher Neutronenzahl?Solche mit gleicher Neutronenzahl heißen Isotone. Nuklide mit gleichermaßen Zahl heißen Isobare. Außerdem gibt es Spiegelkerne, das sind Nuklide, bei denen die Neutronen- und Protonenzahl vertauscht sind. Dies ist ein Spezialfall der Isobare.
Was ist der Unterschied zwischen Isotopen und Nukliden?Nuklide mit gleicher Protonenzahl gehören zum selben chemischen Element und werden Isotope genannt. Wegen der gleichen Kernladungszahl haben diese Isotope auch die gleiche Anzahl an Elektronen in der Atomhülle . Daher ist der Begriff Nuklid die Verallgemeinerung des älteren Begriffs Isotop.
Welche Atome sind Isotope?Isotope sind Atome eines Elements, die eine gleiche Anzahl von Protonen und Elektronen haben, sich jedoch in der Anzahl von Neutronen unterscheiden. Der Unterschied der Neutronenanzahl führt zu einer unterschiedlichen Atommasse. Du kannst Isotope in langlebige (stabile) und kurzlebige (instabile) Isotope unterteilen.
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Wie nennt man Atome mit unterschiedlicher Neutronenzahl?
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