Dieses Quiz als Battle spielen: Deutsch, Klasse 7-8, G-Niveau

Atomkern - Physik

Einleitung

Der Atomkern ist das sehr kleine, massereiche Zentrum eines Atoms. Er besteht fast immer aus Protonen und 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 Element das Atom gehört. Die Zahl der Neutronen beeinflusst unter anderem die Stabilität des Kerns.

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.

Entdeckung des Atomkerns

Zu Beginn des 20. Jahrhunderts stellte man sich Atome noch als gleichmäßig verteilte positive Materie mit eingebetteten Elektronen vor. Der 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.

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.

Aufbau des Atomkerns

Protonen und Neutronen

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.

Kernladungszahl, Neutronenzahl und Massenzahl

Die Kernladungszahl oder Ordnungszahl $Z$ gibt die Anzahl der Protonen an. Die Neutronenzahl $N$ gibt die Anzahl der Neutronen an. Die Massenzahl $A$ ist die Gesamtzahl aller Nukleonen:

$A = Z + N$

Daraus folgt:

$N = A - Z$

Ein Nuklid wird häufig so geschrieben:

$_{Z}^{A} X$

Dabei ist $X$ das Elementsymbol. Beim Kohlenstoffisotop Kohlenstoff-14 gilt zum Beispiel:

$_{6}^{14} C$

Der Kern enthält sechs Protonen und acht Neutronen, denn $14 - 6 = 8$ .

Größe und Masse

Ein Atom besitzt typischerweise einen Durchmesser in der Größenordnung von $1 0^{- 10} m$ . Ein Atomkern ist nur ungefähr $1 0^{- 15}$ bis $1 0^{- 14} m$ 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.

Kräfte im Atomkern

Positiv geladene Protonen stoßen sich durch die elektrische Kraft gegenseitig ab. Trotzdem bleiben viele Kerne stabil. Der Grund ist die anziehende Kernkraft zwischen benachbarten Nukleonen. Sie ist eine Folge der 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.

Isotope und Nuklide

Atome desselben Elements besitzen immer dieselbe Protonenzahl. Sie können sich aber in ihrer Neutronenzahl unterscheiden. Solche Varianten eines Elements heißen 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.

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.

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

$E = m c^{2}$

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.

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.

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.

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.
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.

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.

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.

Halbwertszeit

Die Halbwertszeit $T_{1 / 2}$ ist die Zeit, nach der im statistischen Mittel nur noch die Hälfte der ursprünglich vorhandenen radioaktiven Kerne nicht zerfallen ist.

$N (t) = N_{0} \cdot 2^{- \frac{t}{T_{1 / 2}}}$

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.

Kernreaktionen

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.

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.

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

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.

Interaktive Aufgaben

Quiz: Teste Dein Wissen

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

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

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)

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)

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

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)

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

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)

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)

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)

Memory

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

Drag and Drop

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

Kreuzworträtsel

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?

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Lückentext

Der Atomkern besteht aus Protonen und

. Protonen und Neutronen werden gemeinsam

genannt. Die Anzahl der Protonen wird durch die Kernladungszahl

beschrieben. Die Gesamtzahl aller Nukleonen heißt

. Isotope besitzen dieselbe Protonenzahl, aber eine unterschiedliche

. Die anziehende Wechselwirkung zwischen benachbarten Nukleonen wird als

bezeichnet. Die Differenz zwischen der Kernmasse und der Summe der freien Nukleonenmassen heißt

. Bei einem Alpha-Zerfall wird ein

ausgesendet. Die Zeit bis statistisch die Hälfte der radioaktiven Kerne zerfallen ist, heißt

. Bei der Fusion verschmelzen leichte Kerne zu einem

Kern.

Offene Aufgaben

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.

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.

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.

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.

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.

OERs zum Thema

Verknüpfte Lernbereiche

Atomkern - Physik

aiMOOC-Projekte

Schulfach+

Prüfungsliteratur 2026
Bundesland	Bücher	Kurzbeschreibung
Baden-Württemberg	Abitur Der zerbrochne Krug - Heinrich von Kleist Heimsuchung - Jenny Erpenbeck Mittlere Reife Der Markisenmann - Jan Weiler oder Als die Welt uns gehörte - Liz Kessler Ein Schatten wie ein Leopard - Myron Levoy oder Pampa Blues - Rolf Lappert	Abitur Dorfrichter-Komödie über Wahrheit/Schuld; Roman über einen Ort und deutsche Geschichte. Mittlere Reife Wahllektüren (Roadtrip-Vater-Sohn / Jugendroman im NS-Kontext / Coming-of-age / Provinzroman).
Bayern	Abitur Der zerbrochne Krug - Heinrich von Kleist Heimsuchung - Jenny Erpenbeck	Abitur Lustspiel über Machtmissbrauch und Recht; Roman als Zeitschnitt deutscher Geschichte an einem Haus/Grundstück.
Berlin/Brandenburg	Abitur Der zerbrochne Krug - Heinrich von Kleist Woyzeck - Georg Büchner Der Biberpelz - Gerhart Hauptmann Heimsuchung - Jenny Erpenbeck	Abitur Gerichtskomödie; soziales Drama um Ausbeutung/Armut; Komödie/Satire um Diebstahl und Obrigkeit; Roman über Erinnerungsräume und Umbrüche.
Bremen	Abitur Nach Mitternacht - Irmgard Keun Mario und der Zauberer - Thomas Mann Emilia Galotti - Gotthold Ephraim Lessing oder Miss Sara Sampson - Gotthold Ephraim Lessing	Abitur Roman in der NS-Zeit (Alltag, Anpassung, Angst); Novelle über Verführung/Massenpsychologie; bürgerliche Trauerspiele (Moral, Macht, Stand).
Hamburg	Abitur Der zerbrochne Krug - Heinrich von Kleist Das kunstseidene Mädchen - Irmgard Keun	Abitur Justiz-/Machtkritik als Komödie; Großstadtroman der Weimarer Zeit (Rollenbilder, Aufstiegsträume, soziale Realität).
Hessen	Abitur Der zerbrochne Krug - Heinrich von Kleist Woyzeck - Georg Büchner Heimsuchung - Jenny Erpenbeck Der Prozess - Franz Kafka	Abitur Gerichtskomödie; Fragmentdrama über Gewalt/Entmenschlichung; Erinnerungsroman über deutsche Brüche; moderner Roman über Schuld, Macht und Bürokratie.
Niedersachsen	Abitur Der zerbrochene Krug - Heinrich von Kleist Das kunstseidene Mädchen - Irmgard Keun Die Marquise von O. - Heinrich von Kleist Über das Marionettentheater - Heinrich von Kleist	Abitur Schwerpunkt auf Drama/Roman sowie Kleist-Prosatext und Essay (Ehre, Gewalt, Unschuld; Ästhetik/„Anmut“).
Nordrhein-Westfalen	Abitur Der zerbrochne Krug - Heinrich von Kleist Heimsuchung - Jenny Erpenbeck	Abitur Komödie über Wahrheit und Autorität; Roman als literarische „Geschichtsschichtung“ an einem Ort.
Saarland	Abitur Heimsuchung - Jenny Erpenbeck Furor - Lutz Hübner und Sarah Nemitz Bahnwärter Thiel - Gerhart Hauptmann	Abitur Erinnerungsroman an einem Ort; zeitgenössisches Drama über Eskalation/Populismus; naturalistische Novelle (Pflicht/Überforderung/Abgrund).
Sachsen (berufliches Gymnasium)	Abitur Der zerbrochne Krug - Heinrich von Kleist Woyzeck - Georg Büchner Irrungen, Wirrungen - Theodor Fontane Der gute Mensch von Sezuan - Bertolt Brecht Heimsuchung - Jenny Erpenbeck Der Trafikant - Robert Seethaler	Abitur Mischung aus Klassiker-Drama, sozialem Drama, realistischem Roman, epischem Theater und Gegenwarts-/Erinnerungsroman; zusätzlich Coming-of-age im historischen Kontext.
Sachsen-Anhalt	Abitur (keine fest benannte landesweite Pflichtlektüre veröffentlicht; Themenfelder)	Abitur Schwerpunktsetzung über Themenfelder (u. a. Literatur um 1900; Sprache in politisch-gesellschaftlichen Kontexten), ohne feste Einzeltitel.
Schleswig-Holstein	Abitur Der zerbrochne Krug - Heinrich von Kleist Heimsuchung - Jenny Erpenbeck	Abitur Recht/Gerechtigkeit und historische Tiefenschichten eines Ortes – umgesetzt über Drama und Gegenwartsroman.
Thüringen	Abitur (keine fest benannte landesweite Pflichtlektüre veröffentlicht; Orientierung am gemeinsamen Aufgabenpool)	Abitur In der Praxis häufig Orientierung am gemeinsamen Aufgabenpool; landesweite Einzeltitel je nach Vorgabe/Handreichung nicht einheitlich ausgewiesen.
Mecklenburg-Vorpommern	Abitur (Quelle aktuell technisch nicht abrufbar; Beteiligung am gemeinsamen Aufgabenpool bekannt)	Abitur Land beteiligt sich am länderübergreifenden Aufgabenpool; konkrete, veröffentlichte Einzeltitel konnten hier nicht ausgelesen werden.
Rheinland-Pfalz	Abitur (keine landesweit einheitliche Pflichtlektüre; schulische Auswahl)	Abitur Keine landesweite Einheitsliste; Auswahl kann schul-/kursbezogen erfolgen.