Aufbau der Materie

Nukleonen, Kernladungszahl und Massenzahl

Proton, Neutron und Elektron im Vergleich sowie das Ablesen von Protonen-, Neutronen- und Elektronenzahl aus dem Nuklidsymbol.

Prüfungsrelevanz: gut zu wissen ✓ gelesen
Das Wichtigste in Kürze5 Punkte
  • Nukleonen sind die Kernteilchen Proton und Neutron; zusammen mit den Elektronen der Hülle bauen sie jedes Atom auf.
  • Das Neutron ist elektrisch neutral, die Coulomb-Kraft wirkt nur zwischen Proton (\(+e\)) und Elektron (\(-e\)).
  • Proton und Neutron wiegen je etwa 1 u (\(\frac{1}{12}\) der Masse von \(\ce{^{12}C}\)), das Elektron ist rund 1836-mal leichter.
  • Im Nuklidsymbol steht oben die Massenzahl \(A\) (Protonen + Neutronen), unten die Kernladungszahl \(Z\); es gilt \(N = A - Z\).
  • Im neutralen Atom ist die Zahl der Hüllenelektronen gleich der Protonenzahl, etwa 17 bei \(\ce{^{35}_{17}Cl}\).

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Worum es geht

Jedes Atom besteht aus drei Teilchensorten, die sich in Ladung und Masse deutlich unterscheiden. Wer die Nuklidschreibweise lesen kann, bestimmt daraus in Sekunden den Aufbau eines Kerns. Das braucht man später für Isotope, Zerfallsgleichungen und Radiopharmaka wie \(\ce{^{99m}Tc}\).

Proton, Neutron, Elektron

Ein Atomkern besteht aus Protonen und Neutronen. Beide zusammen heißen Nukleonen, also Kernteilchen. Die Hülle enthält die Elektronen, wie in Atombau und Bohr’sches Atommodell beschrieben.

Das Proton trägt die positive Elementarladung \(+e\), das Elektron die negative \(-e\). Das Neutron ist elektrisch neutral. Die Coulomb-Kraft wirkt aber nur zwischen geladenen Teilchen. Im Tritiumatom zieht deshalb das eine Proton das eine Elektron an. Die beiden Neutronen tragen zu dieser Wechselwirkung nichts bei.

Schema eines Tritiumatoms mit einem Proton, zwei Neutronen im Kern und einem Elektron, Kraftpfeil zwischen Proton und Elektron.

Tritium: Coulomb-Anziehung zwischen Proton und Elektron, Neutronen ungeladen.

Teilchenmassen gibt man bequem in der atomaren Masseneinheit u an. Sie ist als \(\frac{1}{12}\) der Masse eines \(\ce{^{12}C}\)-Atoms festgelegt, das sind \(1\,\mathrm{u} \approx 1{,}66 \cdot 10^{-27}\) kg. Proton und Neutron wiegen jeweils etwa 1 u. Das Elektron ist rund 1836-mal leichter und fällt bei der Atommasse kaum ins Gewicht.

Teilchen Ladung Masse in u
Proton \(+e\) 1,0073
Neutron 0 1,0087
Elektron \(-e\) 0,00055

Das Positron trägt wie das Proton die Ladung \(+e\). Als Antiteilchen des Elektrons hat es aber dessen winzige Masse und nicht die des Protons.

Nuklidschreibweise

Ein Nuklid ist eine Atomsorte mit festgelegter Protonen- und Neutronenzahl. Man schreibt es als Elementsymbol mit zwei Zahlen links davon. Unten steht die Kernladungszahl \(Z\), die Zahl der Protonen. Sie entspricht der Ordnungszahl, Zinn hat etwa \(Z = 50\). Oben steht die Massenzahl \(A\), auch Nukleonenzahl genannt: die Summe aus Protonen und Neutronen. Die Neutronenzahl \(N\) ist die Differenz.

\[N = A - Z\]

Chlorsymbol Cl mit hochgestellter 35 und tiefgestellter 17 links, Pfeile beschriften Massenzahl und Kernladungszahl.

Nuklidschreibweise: Massenzahl A oben, Kernladungszahl Z unten, Neutronenzahl N = A − Z.

Weil jedes Nuklid über \(Z\) und \(A\) definiert ist, besitzt auch jedes radioaktive Nuklid eine wohldefinierte Nukleonenzahl. Da \(Z\) schon im Elementsymbol steckt, lässt man es oft weg.

Im neutralen Atom gleicht die Zahl der Hüllenelektronen der Protonenzahl. Nur so heben sich die Ladungen auf. Mit Neutronen- oder Massenzahl hängt sie nicht zusammen. So geht man bei \(\ce{^{56}_{26}Fe}\) vor:

  1. Protonen: Unten steht 26, also 26 Protonen.
  2. Neutronen: \(56 - 26 = 30\) Neutronen.
  3. Elektronen: Das neutrale Atom hat 26, das Ion \(\ce{Fe^3+}\) nur 23.
Nuklid Protonen Neutronen Elektronen (neutral)
\(\ce{^{3}_{1}H}\) (Tritium) 1 2 1
\(\ce{^{4}_{2}He}\) 2 2 2
\(\ce{^{13}_{6}C}\) 6 7 6
\(\ce{^{35}_{17}Cl}\) 17 18 17
\(\ce{^{120}_{50}Sn}\) 50 70 50

Tritium ist ein Isotop des Wasserstoffs: gleiches \(Z\), aber zwei zusätzliche Neutronen.

Quiz

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Aussage 1

Die atomare Masseneinheit ist als ein Zwölftel der Masse eines \(\ce{^{12}C}\)-Atoms definiert, ein Proton wiegt ungefähr 1 u.

So ist u festgelegt (\(\approx 1{,}66 \cdot 10^{-27}\) kg). Die Protonenmasse beträgt etwa 1,0073 u.

Aussage 2

Im Tritiumatom tragen die beiden Neutronen nicht zur Coulomb-Anziehung zwischen Kern und Elektron bei.

Neutronen sind elektrisch neutral. Die Coulomb-Kraft wirkt nur zwischen dem Proton und dem Elektron.

Aussage 3

Ein neutrales Atom des Nuklids \(\ce{^{40}_{20}Ca}\) besitzt 40 Hüllenelektronen.

Die Elektronenzahl im neutralen Atom entspricht der Protonenzahl \(Z = 20\), nicht der Massenzahl. Es sind also 20 Elektronen.

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