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2026-07-28T13:46:12Z

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= Atomkern - Physik =

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= Einleitung =

Der '''Atomkern''' ist das sehr kleine, massereiche Zentrum eines [[Atom|Atoms]]. Er besteht fast immer aus [[Proton|Protonen]] und [[Neutron|Neutronen]]. Beide Teilchen werden zusammen '''Nukleonen''' genannt. Protonen sind positiv geladen, Neutronen sind elektrisch neutral.

Obwohl der Atomkern nur einen winzigen Teil des Atomvolumens einnimmt, enthält er fast die gesamte Masse des Atoms. Die Anzahl seiner Protonen bestimmt, zu welchem [[Chemisches Element|Element]] das Atom gehört. Die Zahl der Neutronen beeinflusst unter anderem die Stabilität des Kerns.

[[Datei:Nucleus drawing.svg|500px|rahmenlos|center]]

{{#ev:youtube| https://www.youtube.com/watch?v=QMcx9DgKR2I |500|center}}

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== Lernziele ==

Nach diesem aiMOOC kannst Du den Aufbau eines Atomkerns erklären, Kernschreibweisen lesen und einfache Zusammenhänge zwischen Protonenzahl, Neutronenzahl und Massenzahl herstellen. Du lernst außerdem, warum manche Kerne stabil und andere radioaktiv sind und wie bei [[Kernspaltung]] und [[Kernfusion]] Energie frei werden kann.

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= Entdeckung des Atomkerns =

Zu Beginn des 20. Jahrhunderts stellte man sich Atome noch als gleichmäßig verteilte positive Materie mit eingebetteten Elektronen vor. Der [[Rutherford-Streuung|Geiger-Marsden-Versuch]] führte zu einem neuen Bild.

Dabei wurden schnelle Alpha-Teilchen auf eine sehr dünne Goldfolie geschossen. Die meisten Teilchen flogen nahezu ungehindert hindurch. Einige wurden deutlich abgelenkt, sehr wenige sogar zurückgestreut.

[[Datei:Geiger-Marsden experiment expectation and result (German) v1.1.svg|600px|rahmenlos|center]]

[[Ernest Rutherford]] erklärte das Ergebnis im Jahr 1911: Fast die gesamte positive Ladung und Masse des Atoms muss in einem sehr kleinen Kern konzentriert sein. Der übrige Raum des Atoms gehört zur [[Atomhülle]].

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= Aufbau des Atomkerns =

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== Protonen und Neutronen ==

{| class="wikitable" style="margin:auto"
! Teilchen
! Symbol
! Elektrische Ladung
! Bedeutung
|-
| [[Proton]]
| p
| positiv
| Bestimmt das chemische Element
|-
| [[Neutron]]
| n
| neutral
| Beeinflusst Masse und Kernstabilität
|}

Ein Wasserstoffkern der häufigsten Wasserstoffart besteht nur aus einem Proton. Fast alle anderen Atomkerne enthalten sowohl Protonen als auch Neutronen.

{{#ev:youtube| https://www.youtube.com/watch?v=7kuUxo1xlw0 |500|center}}

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== Kernladungszahl, Neutronenzahl und Massenzahl ==

Die '''Kernladungszahl''' oder '''Ordnungszahl''' <math>Z</math> gibt die Anzahl der Protonen an. Die '''Neutronenzahl''' <math>N</math> gibt die Anzahl der Neutronen an. Die '''Massenzahl''' <math>A</math> ist die Gesamtzahl aller Nukleonen:

<math>A = Z + N</math>

Daraus folgt:

<math>N = A - Z</math>

Ein Nuklid wird häufig so geschrieben:

<math>{}^{A}_{Z}\mathrm{X}</math>

Dabei ist <math>\mathrm{X}</math> das Elementsymbol. Beim Kohlenstoffisotop Kohlenstoff-14 gilt zum Beispiel:

<math>{}^{14}_{6}\mathrm{C}</math>

Der Kern enthält sechs Protonen und acht Neutronen, denn <math>14 - 6 = 8</math>.

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== Größe und Masse ==

Ein Atom besitzt typischerweise einen Durchmesser in der Größenordnung von <math>10^{-10}\,\mathrm{m}</math>. Ein Atomkern ist nur ungefähr <math>10^{-15}</math> bis <math>10^{-14}\,\mathrm{m}</math> groß. Der Atomradius ist damit etwa hunderttausendmal größer als der Kernradius.

Trotz seiner geringen Größe enthält der Kern mehr als 99,9 Prozent der Atommasse. Ein Modellbild kann die Größenverhältnisse deshalb nie maßstabsgerecht zeigen.

[[Datei:Helium atom QM DE.svg|500px|rahmenlos|center]]

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= Kräfte im Atomkern =

Positiv geladene Protonen stoßen sich durch die [[Elektromagnetische Wechselwirkung|elektrische Kraft]] gegenseitig ab. Trotzdem bleiben viele Kerne stabil. Der Grund ist die anziehende '''Kernkraft''' zwischen benachbarten Nukleonen. Sie ist eine Folge der [[Starke Wechselwirkung|starken Wechselwirkung]].

Die Kernkraft wirkt nur über sehr kurze Entfernungen. Innerhalb des Atomkerns kann sie die elektrische Abstoßung der Protonen übertreffen. Bei sehr großen Kernen reicht ihre stabilisierende Wirkung jedoch nicht immer aus.

[[Datei:Forces-in-nucleus.svg|500px|rahmenlos|center]]

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= Isotope und Nuklide =

Atome desselben Elements besitzen immer dieselbe Protonenzahl. Sie können sich aber in ihrer Neutronenzahl unterscheiden. Solche Varianten eines Elements heißen '''[[Isotop|Isotope]]'''.

Beispiele für Wasserstoffisotope sind:

# [[Protium]]: ein Proton und kein Neutron
# [[Deuterium]]: ein Proton und ein Neutron
# [[Tritium]]: ein Proton und zwei Neutronen

Ein '''Nuklid''' bezeichnet eine eindeutig festgelegte Kombination aus Protonenzahl und Neutronenzahl. Die Nuklidkarte ordnet bekannte Kerne nach diesen beiden Größen.

[[Datei:Table of nuclides (mul).svg|550px|rahmenlos|center]]

Bei leichten stabilen Kernen sind Protonen- und Neutronenzahl häufig ähnlich groß. Schwere stabile Kerne benötigen meist mehr Neutronen als Protonen, weil die elektrische Abstoßung zwischen den vielen Protonen zunimmt.

{{#ev:youtube| https://www.youtube.com/watch?v=AkZUpfRh7L0 |500|center}}

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= Kernbindung und Massendefekt =

Ein gebundener Atomkern besitzt eine geringere Masse als die Summe der Massen seiner einzeln gedachten Protonen und Neutronen. Diese Differenz heißt '''[[Massendefekt]]'''.

Nach Einsteins Beziehung

<math>E = m c^2</math>

entspricht der fehlenden Masse eine Energie. Diese Energie wird beim Aufbau des Kerns frei und heißt '''Bindungsenergie'''. Um den Kern vollständig in einzelne Nukleonen zu zerlegen, müsste dieselbe Energiemenge wieder zugeführt werden.

Die Bindungsenergie pro Nukleon ist ein Maß für die Festigkeit der Kernbindung. Besonders fest gebundene Kerne liegen im Bereich von Eisen und Nickel.

[[Datei:Binding energy curve - common isotopes-de.svg|650px|rahmenlos|center]]

Aus der Bindungsenergiekurve lässt sich erklären, warum bei der Fusion leichter Kerne und bei der Spaltung sehr schwerer Kerne Energie frei werden kann: Die Reaktionsprodukte sind pro Nukleon stärker gebunden.

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= Radioaktive Atomkerne =

Ein Atomkern ist '''radioaktiv''', wenn er sich ohne äußeren Zwang in einen anderen Zustand oder ein anderes Nuklid umwandelt. Dabei wird ionisierende Strahlung ausgesendet.

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== Alpha-, Beta- und Gammastrahlung ==

# [[Alphastrahlung]]: Der Kern sendet ein Teilchen aus zwei Protonen und zwei Neutronen aus. Die Massenzahl sinkt um vier, die Kernladungszahl um zwei.
# [[Betastrahlung|Beta-Minus-Strahlung]]: Im Kern wird ein Neutron in ein Proton umgewandelt. Dabei entstehen ein Elektron und ein Antineutrino. Die Massenzahl bleibt gleich, die Kernladungszahl steigt um eins.
# [[Gammastrahlung]]: Ein angeregter Kern gibt Energie als Gammaquant ab. Protonenzahl und Neutronenzahl bleiben unverändert.

[[Datei:Alpha-beta-gamma decay.png|600px|rahmenlos|center]]

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== Durchdringungsvermögen ==

Alpha-, Beta- und Gammastrahlung unterscheiden sich stark in ihrer Reichweite. Alpha-Strahlung wird bereits durch Papier oder die äußere Hautschicht abgeschirmt. Beta-Strahlung kann beispielsweise durch dünnes Metall deutlich abgeschwächt werden. Für Gamma-Strahlung sind dichtere und dickere Schutzschichten nötig.

[[Datei:Alfa beta gamma radiation penetration.svg|650px|rahmenlos|center]]

Eine geringe Reichweite bedeutet nicht automatisch geringe Gefahr. Alpha-Strahler können besonders schädlich sein, wenn sie in den Körper gelangen. Beim Strahlenschutz sind daher '''Abstand''', '''Aufenthaltsdauer''', '''Abschirmung''' und die Art der Strahlungsquelle wichtig.

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== Halbwertszeit ==

Die '''[[Halbwertszeit]]''' <math>T_{1/2}</math> ist die Zeit, nach der im statistischen Mittel nur noch die Hälfte der ursprünglich vorhandenen radioaktiven Kerne nicht zerfallen ist.

<math>N(t)=N_0 \cdot 2^{-\frac{t}{T_{1/2}}}</math>

Nach einer Halbwertszeit bleibt die Hälfte übrig, nach zwei Halbwertszeiten ein Viertel und nach drei Halbwertszeiten ein Achtel. Der Zerfall eines einzelnen Kerns ist nicht vorhersagbar. Für eine große Anzahl von Kernen lässt sich das Verhalten jedoch zuverlässig statistisch beschreiben.

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= Kernreaktionen =

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== Kernspaltung ==

Bei der [[Kernspaltung]] zerfällt ein schwerer Atomkern in zwei mittelschwere Kerne. Zusätzlich können Neutronen und Energie frei werden. Treffen die freigesetzten Neutronen auf weitere spaltbare Kerne, kann eine [[Kettenreaktion]] entstehen.

Kontrollierte Kettenreaktionen werden in Kernreaktoren genutzt. Eine unkontrollierte Kettenreaktion kann sehr schnell große Energiemengen freisetzen.

{{BR}}
== Kernfusion ==

Bei der [[Kernfusion]] verschmelzen leichte Atomkerne zu schwereren Kernen. In der [[Sonne]] fusionieren Wasserstoffkerne über mehrere Reaktionsschritte zu Helium. Ein Teil der Masse wird dabei in Energie umgewandelt.

[[Datei:Nuclear fusion.svg|600px|rahmenlos|center]]

Für Fusionsreaktionen müssen sich positiv geladene Kerne sehr nahe kommen. Dazu sind sehr hohe Temperaturen und geeignete Einschlussbedingungen erforderlich.

{{#ev:youtube| https://www.youtube.com/watch?v=6NYryh8AIZg |500|center}}

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= Bedeutung des Atomkerns =

Kenntnisse über Atomkerne werden in vielen Bereichen genutzt. Dazu gehören die [[Nuklearmedizin]], die Altersbestimmung mit radioaktiven Isotopen, die Materialprüfung, die Energiegewinnung, die Strahlentherapie und die Forschung über den Aufbau der Materie.

Der Umgang mit ionisierender Strahlung erfordert sorgfältige Sicherheitsmaßnahmen. Nutzen, Risiken und langfristige Folgen müssen deshalb fachlich und gesellschaftlich abgewogen werden.

{{BR}}
= Interaktive Aufgaben =

{{BR}}
== Quiz: Teste Dein Wissen ==

{{MC}}

'''Welche Teilchen werden zusammen als Nukleonen bezeichnet?'''
(Protonen und Neutronen)
(!Protonen und Elektronen)
(!Neutronen und Photonen)
(!Elektronen und Positronen)

{{E}}
<br>

{{MC}}

'''Was gibt die Kernladungszahl Z an?'''
(Die Anzahl der Protonen)
(!Die Anzahl der Neutronen)
(!Die Anzahl aller Nukleonen)
(!Die Anzahl der Elektronenschalen)

{{E}}
<br>

{{MC}}

'''Wie lautet der Zusammenhang zwischen Massenzahl A, Protonenzahl Z und Neutronenzahl N?'''
(A gleich Z plus N)
(!A gleich Z minus N)
(!A gleich Z mal N)
(!A gleich N geteilt durch Z)

{{E}}
<br>

{{MC}}

'''Was kennzeichnet Isotope desselben Elements?'''
(Gleiche Protonenzahl und unterschiedliche Neutronenzahl)
(!Unterschiedliche Protonenzahl und gleiche Neutronenzahl)
(!Gleiche Massenzahl und unterschiedliche Protonenzahl)
(!Unterschiedliche Protonenzahl und unterschiedliche Elementsymbole)

{{E}}
<br>

{{MC}}

'''Welche Kraft hält benachbarte Nukleonen im Kern zusammen?'''
(Die Kernkraft)
(!Die Reibungskraft)
(!Die Gewichtskraft)
(!Die Federkraft)

{{E}}
<br>

{{MC}}

'''Was geschieht bei einem Alpha-Zerfall?'''
(Ein Kern aus zwei Protonen und zwei Neutronen wird ausgesendet)
(!Nur ein Elektron wird ausgesendet)
(!Ein Proton wird in ein Neutron ohne weitere Teilchen umgewandelt)
(!Die Protonenzahl und Neutronenzahl bleiben immer unverändert)

{{E}}
<br>

{{MC}}

'''Was bleibt bei einer Gamma-Emission unverändert?'''
(Protonenzahl und Neutronenzahl)
(!Die Energie des Kerns)
(!Der Anregungszustand des Kerns)
(!Die ausgesendete Strahlungsart)

{{E}}
<br>

{{MC}}

'''Was beschreibt die Halbwertszeit?'''
(Die Zeit bis statistisch die Hälfte der radioaktiven Kerne zerfallen ist)
(!Die Zeit bis jedes Atom vollständig verschwindet)
(!Die Zeit bis sich die Masse eines Protons halbiert)
(!Die Zeit bis Strahlung ihre Geschwindigkeit halbiert)

{{E}}
<br>

{{MC}}

'''Warum kann bei Kernspaltung oder Kernfusion Energie frei werden?'''
(Die Produkte sind pro Nukleon stärker gebunden)
(!Elektronen werden vollständig vernichtet)
(!Die elektrische Ladung verschwindet)
(!Die Lichtgeschwindigkeit wird kleiner)

{{E}}
<br>

{{MC}}

'''Welche Aussage zum Größenverhältnis von Kern und Atom ist richtig?'''
(Der Atomkern ist viel kleiner als das gesamte Atom)
(!Der Atomkern ist größer als die Atomhülle)
(!Atomkern und Atom sind gleich groß)
(!Der Atomkern füllt fast das gesamte Atomvolumen aus)

{{E}}
<br>

{{BR}}
== Memory ==

<div class="memo-quiz">
{|
|-
| Proton || Positiv geladenes Nukleon
|-
| Neutron || Elektrisch neutrales Nukleon
|-
| Massenzahl || Summe aus Protonen und Neutronen
|-
| Isotop || Variante eines Elements mit anderer Neutronenzahl
|-
| Halbwertszeit || Zeitraum bis statistisch die Hälfte zerfallen ist
|-
| Massendefekt || Differenz zwischen Kernmasse und Summe der Nukleonenmassen
|}
{{E}}
<br>

{{BR}}
== Drag and Drop ==

<div class="lueckentext-quiz">

{| class="wikitable"
! Ordne die richtigen Begriffe zu.
! Thema
|-
| '''Kernladungszahl'''
| Anzahl der Protonen
|-
| '''Neutronenzahl'''
| Anzahl der Neutronen
|-
| '''Massenzahl'''
| Gesamtzahl der Nukleonen
|-
| '''Alphazerfall'''
| Aussendung eines Heliumkerns
|-
| '''Betaminuszerfall'''
| Umwandlung eines Neutrons in ein Proton
|-
| '''Gammaemission'''
| Abgabe eines energiereichen Photons

|}
{{E}}

<br>
<br />

{{BR}}
== Kreuzworträtsel ==

<div class="kreuzwort-quiz">
{|
|-
| Proton || Welches positiv geladene Teilchen befindet sich im Atomkern?
|-
| Neutron || Welches elektrisch neutrale Teilchen gehört zu den Nukleonen?
|-
| Nukleonen || Wie heißen Protonen und Neutronen gemeinsam?
|-
| Isotop || Wie heißt eine Variante eines Elements mit anderer Neutronenzahl?
|-
| Halbwertszeit || Wie heißt die Zeitspanne bis statistisch die Hälfte der Kerne zerfallen ist?
|-
| Massendefekt || Wie heißt die Massendifferenz zwischen Kern und freien Nukleonen?
|}
{{E}}
<br>

{{BR}}
== LearningApps ==

<iframe> https://learningapps.org/index.php?s=Atomkern+Physik </iframe>

{{BR}}
== Lückentext ==

<quiz display=simple>
{'''Vervollständige den Text.'''<br>
|type="{}"}
Der Atomkern besteht aus Protonen und { Neutronen }. Protonen und Neutronen werden gemeinsam { Nukleonen } genannt. Die Anzahl der Protonen wird durch die Kernladungszahl { Z } beschrieben. Die Gesamtzahl aller Nukleonen heißt { Massenzahl }. Isotope besitzen dieselbe Protonenzahl, aber eine unterschiedliche { Neutronenzahl }. Die anziehende Wechselwirkung zwischen benachbarten Nukleonen wird als { Kernkraft } bezeichnet. Die Differenz zwischen der Kernmasse und der Summe der freien Nukleonenmassen heißt { Massendefekt }. Bei einem Alpha-Zerfall wird ein { Heliumkern } ausgesendet. Die Zeit bis statistisch die Hälfte der radioaktiven Kerne zerfallen ist, heißt { Halbwertszeit }. Bei der Fusion verschmelzen leichte Kerne zu einem { schwereren } Kern.
</quiz>

<br>

{{BR}}
= Offene Aufgaben =

{{BR}}
=== Leicht ===

# [[Atomkernmodell]]: Baue aus Knete oder Papier ein Modell eines Atomkerns und kennzeichne Protonen und Neutronen.
# [[Größenvergleich]]: Zeichne einen Vergleich zwischen Atomkern und Atom und erkläre, warum eine maßstabsgerechte Darstellung schwierig ist.
# [[Kernschreibweise]]: Erstelle fünf Karten mit Nuklidsymbolen und notiere jeweils Protonen-, Neutronen- und Massenzahl.
# [[Isotope im Alltag]]: Suche ein Isotop mit einer medizinischen oder technischen Anwendung und gestalte einen kurzen Steckbrief.

{{BR}}
=== Standard ===

# [[Rutherford-Versuch]]: Erstelle eine beschriftete Skizze des Streuversuchs und erkläre die Beobachtungen mit dem Kern-Hülle-Modell.
# [[Nuklidkarte]]: Vergleiche mehrere stabile leichte und schwere Nuklide und beschreibe, wie sich das Verhältnis von Neutronen zu Protonen verändert.
# [[Halbwertszeit-Experiment]]: Simuliere radioaktiven Zerfall mit Münzen oder Würfeln und stelle die Ergebnisse in einem Diagramm dar.
# [[Strahlenschutz]]: Entwickle ein Informationsplakat zu Abstand, Aufenthaltsdauer und Abschirmung.

{{BR}}
=== Schwer ===

# [[Bindungsenergie]]: Erkläre mithilfe der Bindungsenergiekurve, warum sowohl Kernfusion als auch Kernspaltung Energie liefern können.
# [[Massendefekt berechnen]]: Recherchiere geeignete Teilchenmassen und führe für einen einfachen Kern eine überschlägige Berechnung der Bindungsenergie durch.
# [[Kernenergie-Debatte]]: Plane eine strukturierte Diskussion über Chancen und Risiken der Kernenergienutzung und trenne naturwissenschaftliche Aussagen von Werturteilen.
# [[Nuklearmedizin-Interview]]: Entwickle Fragen für ein Interview mit einer Fachperson aus Medizin, Strahlenschutz oder Physik und werte die Antworten aus.

{{:Offene Aufgabe - MOOC erstellen}}

{{BR}}
= Lernkontrolle =

# [[Modellkritik Atomkern]]: Beurteile, welche Eigenschaften eines Atomkerns ein Kugelmodell gut zeigt und welche es verfälscht.
# [[Rutherford-Transfer]]: Erkläre, welche Beobachtung im Streuversuch nicht zu einem Atom ohne konzentrierten Kern passen würde.
# [[Isotopenvergleich]]: Vergleiche Kohlenstoff-12 und Kohlenstoff-14 hinsichtlich Aufbau, chemischem Verhalten und Kernstabilität.
# [[Kräftegleichgewicht]]: Begründe, warum sehr große Atomkerne trotz der Kernkraft häufig instabiler sind als kleinere Kerne.
# [[Energieumwandlung]]: Erkläre den Zusammenhang zwischen Massendefekt, Bindungsenergie und frei werdender Energie.
# [[Strahlenschutz-Fall]]: Entwickle für eine fiktive radioaktive Quelle geeignete Schutzmaßnahmen und begründe jede Maßnahme physikalisch.

<br>
<br>

{{BR}}
= Lernnachweis =

Für einen Lernnachweis solltest Du:

# den Aufbau des Atomkerns mit Protonen, Neutronen und Nukleonen fachsprachlich erklären,
# Kernladungszahl, Neutronenzahl und Massenzahl sicher unterscheiden,
# einfache Nuklidschreibweisen auswerten,
# Isotope und Nuklide an Beispielen beschreiben,
# Kernkraft und elektrische Abstoßung miteinander vergleichen,
# Massendefekt und Bindungsenergie in einen Zusammenhang bringen,
# Alpha-, Beta- und Gammastrahlung unterscheiden,
# das Konzept der Halbwertszeit erklären und auf einfache Situationen anwenden,
# die Energiefreisetzung bei Spaltung und Fusion mithilfe der Bindungsenergie begründen,
# Modelle, Anwendungen und Risiken der Kernphysik sachlich beurteilen.

<br>
<br>

{{BR}}
= OERs zum Thema =

<iframe> https://de.m.wikipedia.org/wiki/Atomkern </iframe>

<br>

{{BR}}
= Verknüpfte Lernbereiche =

{| align=center
{{:D-Tab}}
'''[[Atomkern - Physik]]'''
# [[Atom]]
# [[Atomhülle]]
# [[Proton]]
# [[Neutron]]
# [[Isotop]]
# [[Nuklid]]
# [[Radioaktivität]]
# [[Halbwertszeit]]
# [[Massendefekt]]
# [[Bindungsenergie]]
# [[Kernspaltung]]
# [[Kernfusion]]
# [[Strahlenschutz]]
|}

[[Kategorie:Physik]]
[[Kategorie:Atomphysik]]
[[Kategorie:Kernphysik]]
[[Kategorie:Radioaktivität]]
[[Kategorie:Schule]]
[[Kategorie:Sekundarstufe I]]
[[Kategorie:Klasse 8-10]]

{{BR}}
= aiMOOC-Projekte =
[[Kategorie:AI_MOOC]] [[Kategorie:GPT aiMOOC]]
{{MT}}

Atomkern - Physik - Versionsgeschichte

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