Welcher Zusammenhang besteht zwischen der Anzahl der Protonen im Atomkern der Anzahl der Elektronen in der Atomhülle und der Ordnungszahl?

Q: Welcher Zusammenhang besteht zwischen der Anzahl der Protonen im Atomkern?

Dabei gilt: Die Anzahl der Protonen im Atomkern ist gleich der Ordnungszahl im Periodensystem der Elemente. Sie wird auch als Kernladungszahl bezeichnet, da die Anzahl der Protonen die Ladung des Kerns bestimmt. Die Anzahl der Neutronen im Atomkern ergibt sich als Differenz aus der Massenzahl und der Protonenzahl.

Q: Welcher Zusammenhang besteht zwischen elektronenzahl Kernladungszahl und Ordnungszahl?

Ordnungszahl einfach erklärt Im Periodensystem sind alle Elemente nach aufsteigender Kernladungszahl geordnet. Die Ordnungszahl entspricht der Anzahl der Protonen im Atomkern. Ist dein Atom elektrisch neutral, so entspricht die Kernladungszahl ebenfalls der Anzahl der Elektronen eines jeden Atoms.

Q: Wie ist das Verhältnis zwischen den Protonen im Kern und den Elektronen in der Hülle?

In einem Atom entspricht die Anzahl der Elektronen in der Hülle immer der Anzahl der Protonen im Kern.

Q: Was befindet sich zwischen dem Atomkern und der Atomhülle?

Zwischen Kern und Hülle befinden sich die Elektronen.

Grundwissen

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Aufbau von Atomkernen
Welcher Zusammenhang besteht zwischen der Anzahl der Protonen im Atomkern?
Welcher Zusammenhang besteht zwischen elektronenzahl Kernladungszahl und Ordnungszahl?
Wie ist das Verhältnis zwischen den Protonen im Kern und den Elektronen in der Hülle?
Was befindet sich zwischen dem Atomkern und der Atomhülle?

Das Wichtigste auf einen Blick

Atomkerne bestehen aus elektrisch positiven Protonen und elektrische neutralen Neutronen. Protonen und Neutronen sind Nukleonen.
Ein chemisches Element hat eine feste Protonenzahl \(Z\), kann aber mehrere Isotope mit unterschiedlicher Neutronenzahl \(N\) besitzen.
Zur eindeutigen Identifikation von Kernen nutzt man die Schreibweise \[\rm{}^{Nukleonenzahl}_{Protonenzahl}{Elementsymbol}\quad \text{also z.B.}\quad \rm{}^{14}_{6}{C}\]

Aufgaben Aufgaben

Aufbau von Atomkernen aus Protonen und Neutronen

Abb. 1 Protonen und Neutronen bezeichnet man als Nukleonen

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.

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 Neutron

Die 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 Elektron

Teilchen	Masse	Ladung	Durchmesser
Proton	\({1{,}6727\cdot10^{-27}\,\rm{kg}}\approx {1\cdot \rm{u}}\)	\({+1{,}6022\cdot 10^{-19}\,\rm{As}}=+e\)	\(\text{ca. }1\cdot10^{-15}\,\rm{m}\)
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

Abb. 2 Aufbau des Protons aus zwei Up- und einem Down-Quark

cc-by-sa Netzwerk Teilchenwelt, Joachim Herz Stiftung

Abb. 3 Aufbau eines Neutrons aus einem Up- und zwei Down-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 Nuklid

Jeder 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 Element

Die 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 Isotop

Die 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.

Abb. 2 Atomkerne der Wasserstoffisotope und von Helium

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.

Zur 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 \(\rm N=14-6=8\).

Kurzschreibweisen

Da 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.

Markiere alle zutreffenden Aussagen über das Atom mit der Bezeichnung \(\rm{}^{35}_{17}{Cl}\).

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Welcher Zusammenhang besteht zwischen der Anzahl der Protonen im Atomkern?

Dabei gilt: Die Anzahl der Protonen im Atomkern ist gleich der Ordnungszahl im Periodensystem der Elemente. Sie wird auch als Kernladungszahl bezeichnet, da die Anzahl der Protonen die Ladung des Kerns bestimmt. Die Anzahl der Neutronen im Atomkern ergibt sich als Differenz aus der Massenzahl und der Protonenzahl.

Welcher Zusammenhang besteht zwischen elektronenzahl Kernladungszahl und Ordnungszahl?

Ordnungszahl einfach erklärt Im Periodensystem sind alle Elemente nach aufsteigender Kernladungszahl geordnet. Die Ordnungszahl entspricht der Anzahl der Protonen im Atomkern. Ist dein Atom elektrisch neutral, so entspricht die Kernladungszahl ebenfalls der Anzahl der Elektronen eines jeden Atoms.