Im Inneren eines Atoms

Wäre ein Atom so groß wie ein Fußballstadion, wäre sein Kern in der Mitte etwa so groß wie eine Erbse.

Schneide ein Stück Alufolie in der Mitte durch, dann noch einmal, und mach immer so weiter. Lange bevor dir die Folie ausgeht, würdest du bei einem Stück ankommen, das so klein ist, dass ein weiterer Schnitt kein Aluminium mehr ergäbe. Dieses kleinste Stück ist ein Atom. Ein einzelnes Atom hat etwa ein Zehnmilliardstel Meter Durchmesser, viel zu klein für jedes Lichtmikroskop, und trotzdem ist jedes Atom aus nur drei Teilchenarten gebaut.

Drei Teilchen

Protonen und Neutronen sind in einem winzigen Kern in der Mitte zusammengepackt, der fast die gesamte Masse des Atoms enthält. Die Elektronen verteilen sich um ihn herum und nehmen fast den gesamten Raum des Atoms ein. Ein Kern hat einen etwa 10 000- bis 100 000-mal kleineren Durchmesser als das ganze Atom. Laut NIST ist das Proton 1836.15-mal so schwer wie das Elektron. Selbst ein Atom mit vielen Elektronen bezieht deshalb deutlich weniger als 1% seiner Masse von ihnen.

Entgegengesetzte Ladungen ziehen sich an, deshalb werden die negativen Elektronen in der Nähe des positiven Kerns gehalten. Protonen stoßen sich aber gegenseitig ab, und ein Kern mit mehreren von ihnen würde auseinanderfliegen, wenn nur die elektrische Kraft wirken würde. Eine viel stärkere Kraft, die starke Kernkraft, hält Protonen und Neutronen zusammen, allerdings nur über die winzigen Abstände innerhalb eines Kerns.

Die Ordnungszahl

Die Anzahl der Protonen entscheidet, zu welchem Element ein Atom gehört. Jedes Atom mit 6 Protonen ist Kohlenstoff, jedes mit 8 Sauerstoff. Diese Zahl ist die Ordnungszahl, und das Periodensystem ist nach ihr geordnet, von Wasserstoff mit 1 aufwärts. In einem neutralen Atom ist die Anzahl der Elektronen gleich der Anzahl der Protonen, also heben sich die Ladungen auf. Verliert oder gewinnt ein Atom Elektronen, wird es zu einem Ion: Natrium, das ein Elektron verloren hat, hat 11 Protonen und 10 Elektronen und trägt deshalb die Ladung +1.

Massenzahl und Isotope

Protonen plus Neutronen ergeben die Massenzahl. Atome eines Elements können verschieden viele Neutronen haben. Das sind Isotope. Kohlenstoff-12 hat 6 Neutronen, und Kohlenstoff-14, mit dem man alte Gegenstände datiert, hat 8. Die Zahl hinter dem Namen ist die Massenzahl, also ist die Neutronenzahl immer Massenzahl minus Ordnungszahl.

Wie man es herausgefunden hat

Niemand hat je durch eine Linse ein Proton gesehen. Jedes Teilchen wurde aus Experimenten erschlossen. 1897 zeigte J. J. Thomson am Cavendish-Laboratorium in Cambridge, dass Kathodenstrahlen aus winzigen negativen Teilchen bestehen, die viel leichter sind als jedes Atom: Elektronen. Das Team von Ernest Rutherford schoss schnelle Alphateilchen auf eine dünne Goldfolie, und einige prallten fast genau zurück. 1911 erklärte Rutherford das mit einem kleinen, schweren, positiven Kern. James Chadwick wies 1932 nach, dass der Kern auch Teilchen ohne Ladung enthält, die Neutronen, und erhielt dafür 1935 den Nobelpreis für Physik.