Größe, Dichte, Bestandteile, Bezeichnungen

Der Atomkern befindet sich, anschaulich gesprochen, im Zentrum des Atoms; sein Durchmesser beträgt etwa ¹⁄_20.000 bis ¹⁄_150.000 des Durchmessers der Elektronenhülle. Ein Helium-Atomkern z. B. ist rund 1 fm (Femtometer) groß. Der Atomkern konzentriert aber in sich mehr als 99,9 Prozent der Masse des gesamten Atoms.

Die Dichte des Kerns (das Verhältnis von Kernmasse zu Kernvolumen) ist für alle Kerne annähernd gleich und beträgt rund 2·10¹⁷ kg/m³.^[1] Um diese Dichte zu erreichen, müsste man beispielsweise den Eiffelturm auf die Größe eines Sandkorns zusammendrücken.

Der Kern ist aufgebaut aus Protonen und Neutronen, die zusammen auch Nukleonen genannt werden. Die Zahl der Protonen wird Kernladungszahl, die Gesamtzahl der Nukleonen Massenzahl des Kerns genannt (für Genaueres zur Masse des Kerns siehe Kernmasse oder Massendefekt). Die Massenzahlen der auf der Erde natürlich vorkommenden Atome variieren von 1 (Wasserstoff) bis 244 (Plutonium). Die makroskopische Dichte der kondensierten Materie dagegen variiert viel weniger, weil der Atomradius von der Atomhülle bestimmt wird, die stärker mit dem chemischen Charakter der Atome variiert als mit der Massenzahl. Trotzdem gehören so genannte schwere Atomkerne auch zu umgangssprachlich/technisch schweren Elementen. Beispielsweise hat Lithium (Massenzahlen 6 und 7) eine Dichte von 0,53 g/cm³, Gold (Massenzahl 197) dagegen von 19,3 g/cm³.

Protonen sind elektrisch positiv geladen, Neutronen ungeladen. Daher ist der Atomkern positiv geladen und kann durch die Coulombkraft negativ geladene Elektronen an sich binden. Da die elektrische Ladung des Elektrons bis auf das Vorzeichen gleich der Ladung des Protons ist, muss ein nach außen hin elektrisch neutrales Atom ebenso viele Elektronen in der Atomhülle besitzen wie Protonen im Kern. Da die Atomhülle weitgehend die chemischen Eigenschaften bestimmt, legt die Kernladungszahl auch fest, zu welchem Element das Atom gehört, sie ist die chemische Ordnungszahl. Neutronen haben etwa die gleiche Masse wie Protonen. Ihre Zahl hat nur geringen Einfluss auf die chemischen Eigenschaften des Atoms, ist aber entscheidend für die Stabilität oder Instabilität (Radioaktivität) des Kerns. Werden durch chemische oder physikalische Effekte Elektronen entfernt oder hinzugefügt, ist das Atom nach außen hin elektrisch geladen und wird Ion genannt. Im Atomkern ändert sich dadurch nichts. Abgesehen vom radioaktiven Zerfall – der spontan eintritt – kann sich die Zahl der Protonen oder Neutronen im Kern nur durch eine Kernreaktion ändern, also infolge eines Zusammenstoßes mit anderen Teilchen.

Eine durch Ordnungszahl und Massenzahl festgelegte Atom- oder Atomkernsorte wird Nuklid genannt. Als Isomere werden Atomkernsorten in langlebigen Anregungsstufen des Kerns (siehe unten) bezeichnet; sie zählen als eigene Nuklide.^[2] 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 z. B. das häufigste Kohlenstoffisotop ¹²C oder das häufigste Eisenisotop ⁵⁶Fe (bei Isomeren noch mit einem Zusatz wie „m“ für „metastabil“). Üblich, aber redundant ist auch die Schreibweise mit Massenzahl und Ordnungszahl: ${\displaystyle {}_{26}^{56}\mathrm {Fe} }$.

Es sind (Stand von 2003) insgesamt etwa 3200 langlebige Nuklide bekannt,^[3] die sich auf etwa 2700 Isotope^[4] und 118 bekannte Elemente von Wasserstoff bis zum Oganesson verteilen. Darunter gibt es ca. 250 stabile Isotope. Die Stabilität eines Nuklids hängt von der Zahl der Protonen und der Neutronen ab. Ist die Protonenzahl gleich 43 oder 61, oder größer als 82, oder ist das Verhältnis beider Zahlen ungünstig, ist der Kern instabil, d. h. radioaktiv, und wandelt sich in einen stabileren Kern um.

Kernkraft und Coulombkraft

Die positiv geladenen Protonen im Kern stoßen sich aufgrund der Coulombkraft gegenseitig ab. Da der Kern trotzdem nicht auseinanderfliegt, muss im Kern eine weitere Kraft existieren, mit der sich die Nukleonen gegenseitig anziehen und die stärker als die Coulombkraft ist. Diese Kraft wird als Kernkraft bezeichnet (nicht zu verwechseln mit dem umgangssprachlichen Ausdruck „Kernkraft“ für Kernenergie); sie ist eine Restwechselwirkung der Starken Wechselwirkung. Die Kernkraft ist bis heute nur näherungsweise beschrieben. Ihre Aufklärung ist unter anderem Gegenstand der Kernphysik. Gesichert ist allerdings die sehr kurze Reichweite der Kernkraft, die in der Größenordnung des Nukleon-Durchmessers (etwa 1 fm = 10⁻¹⁵ m) liegt. Die sehr kurze Reichweite begrenzt die mögliche Größe von Atomkernen, denn ein Proton an der „Oberfläche“ eines großen Kerns spürt nur die Anziehung seiner nächsten Nachbar-Nukleonen, die Coulomb-Abstoßung hingegen von allen anderen Protonen des Kerns. Sind genügend viele andere Protonen vorhanden, überwiegt daher schließlich die Abstoßung. Mit der Protonenzahl 82 ist Blei das letzte Element mit stabilen Isotopen, alle weiteren sind radioaktiv (s. Zerfallsreihe). Die größte in natürlichen Vorkommen beobachtete Kernladung ist 92 (Uran). Kerne mit noch mehr Protonen (Transurane) „leben“ nicht lange genug, um als primordiale Nuklide vorzukommen; sie können nur nach künstlicher Herstellung in Kernreaktionen beobachtet werden.

Bindungsenergie

Die Bindungsenergie entspricht der Arbeit, die aufgewandt werden müsste, um den Kern in seine einzelnen Nukleonen zu zerlegen. Umgekehrt würde diese Bindungsenergie freigesetzt, wenn es gelänge, einen Atomkern aus freien Protonen und Neutronen zusammenzusetzen. Wegen der Äquivalenz von Masse und Energie führt die Bildung des Kerns zu einem Massendefekt. Das heißt, jeder Atomkern (außer ¹H) hat eine geringere Masse, als sich beim Addieren der ihn bildenden – ungebundenen – Nukleonen ergibt.

Die Bindungsenergie pro Nukleon ist in verschiedenen Kernen verschieden hoch. Auf diesen Unterschieden der Bindungsenergie pro Nukleon beruht der Energiegewinn oder -verlust bei Kernreaktionen, also insbesondere die Möglichkeit, Energie im technischen Maßstab aus Kernreaktionen zu gewinnen. Bei der Fusion von He-4 aus kleineren Kernen ist diese Energie besonders hoch, was für die technische Kernfusion ausgenutzt werden soll. Energie wird frei bei Kernfusionen bis zur Entstehung von Eisen, weshalb die Fusionen in Sternen dort enden. Für die Fusion zu Elementen höherer Ordnungszahlen ist dagegen Energiezufuhr notwendig, wie sie erst bei der Explosion am Lebensende großer Sterne als Supernova zur Verfügung steht. Hingegen wird bei der Spaltung dieser schweren Atomkerne Energie frei, was bei U-235 und anderem spaltbaren Material technisch zur Energiegewinnung ausgenutzt wird.

Energieniveaus

Atomkerne haben wie die Elektronenhülle diskrete Energieniveaus. (Die Folge dieser Niveaus setzt sich auch oberhalb der Bindungsenergie eines Nukleons noch fort, was sich beispielsweise in den Resonanzen der Anregungsfunktion von Kernreaktionen zeigt.) Ein ungestörter Kern befindet sich normalerweise in seinem tiefsten Energieniveau, dem Grundzustand. Die höheren Niveaus (angeregte Zustände) sind nicht stabil, sondern der Kern geht früher oder später von dort in einen stabileren Zustand über, meist den Grundzustand, wobei die Energiedifferenz als Photon (Gammastrahlung) oder an ein Elektron der K-Schale abgegeben wird. Besonders langlebige (metastabile) angeregte Zustände werden als Isomere bezeichnet.

Radioaktivität

Der Begriff Radioaktivität bezeichnet die Eigenschaft instabiler Atomkerne, sich spontan unter Energieabgabe umzuwandeln. Von den meisten Elementen existieren nur wenige stabile Isotope oder sogar nur eins; bei den Ordnungszahlen 43 (Technetium), 61 (Promethium) und allen oberhalb 82 (Blei) gibt es keine stabilen Isotope.

Bei den instabilen Atomkernen werden im Wesentlichen drei Zerfallsarten unterschieden:

• Zerfall unter Aussendung von Nukleonen (z. B. Alphazerfall),
• Umwandlung unter Aussendung von Elektronen oder Positronen (Betazerfälle) und
• Übergang zwischen zwei Zuständen ein und desselben Nuklids unter Emission von Gammastrahlung.

Wegen der oben genannten Existenz von kurzreichweitigen anziehenden und langreichweitigen abstoßenden Kräften im Kern verringert sich die Bindungsenergie pro Nukleon zu hohen Massenzahlen hin. Daher tritt bei manchen Nukliden mit Massenzahlen oberhalb etwa 140 Alphazerfall auf, oberhalb etwa 230 auch spontane Spaltung. Beide Zerfallsarten führen zu Nukliden mit geringeren Massenzahlen.

Beim Betazerfall wird aus dem Kern eines Radionuklids ein Elektron oder Positron abgegeben. Dieses entsteht, indem sich im Kern eines der Neutronen in ein Proton, ein Elektron-Antineutrino und ein Elektron (Beta-Minus-Zerfall) bzw. eines der Protonen in ein Neutron, ein Elektron-Neutrino und ein Positron (Beta-Plus-Zerfall) umwandelt. Die Summe der elektrischen Ladungen und die Anzahl der Nukleonen bleibt dabei erhalten, aber die chemische Ordnungszahl ändert sich um ±1.

Die Abgabe von Gammastrahlung setzt voraus, dass der Kern in einem angeregten Zustand ist (vgl. Abschnitt Energieniveaus) und tritt daher hauptsächlich unmittelbar nach einem Alpha- oder Betazerfall auf, sofern dieser nicht direkt zum Grundzustand des Tochterkerns führt. Deshalb wird die Gamma-Emission analog den anderen Prozessen der Radioaktivität manchmal als Gamma„zerfall“ bezeichnet.