12.1 Atomaufbau, Periodensystem, Isotope, Ionen

Quelle: Mitschrift §3.1–§3.2

✎ Worum geht es? Bevor wir Zerfälle rechnen, müssen wir wissen, woraus ein Kern besteht und welche Zahl ihn beschreibt. Genau das leistet dieser Abschnitt: drei Kennzahlen ($Z$, $N$, $A$), und daraus die Begriffe Isotop und Ion.

Ein Atom besteht aus einem winzigen, dichten Kern (Protonen + Neutronen) und einer Elektronenhülle. Ein Atom ist normalerweise neutral, weil sich die positiven Protonen und die negativen Elektronen zahlenmäßig ausgleichen (gleich viele Protonen wie Elektronen). Die Protonen tragen je $+e$, die Elektronen je $-e$ — derselbe Betrag $e=1,6\cdot {10}^{-19}$ C (Elementarladung); deshalb ist die Summe bei gleicher Anzahl genau null.

Das Periodensystem ordnet die Elemente nach Kennzahlen:

Größe	Symbol	Bedeutung
Ordnungszahl	$Z$	Anzahl Protonen im Kern (bei neutralem Atom = Elektronenzahl)
Neutronenzahl	$N$	Anzahl Neutronen (selten gleich $Z$!)
Nukleonenzahl	$A$	$A=Z+N$ (Nukleon = Proton oder Neutron)

✎ Schreibweise (wichtig fürs Verständnis der Zerfälle): Ein Nuklid schreibt man ${}_Z^A\text{X}$ — links oben die Nukleonenzahl $A$, links unten die Ordnungszahl $Z$. Beispiel: ${}_6^{14}\text{C}$ hat $Z=6$ Protonen und $N=A-Z=14-6=8$ Neutronen. Genau diese beiden Zahlen ändern sich (oder bleiben) bei jedem Zerfall — deshalb lohnt sich die Schreibweise.

Isotope sind Atome desselben Elements mit gleichem $Z$, aber verschiedenem $N$.

• Warum chemisch (fast) gleich? Die Chemie eines Atoms wird von der Elektronenhülle bestimmt, und die Elektronenzahl hängt (beim neutralen Atom) nur an $Z$. Da Isotope dasselbe $Z$ haben, haben sie dieselbe Hülle → fast identisches chemisches Verhalten.
• Warum trotzdem unterschiedlich gefährlich? Die Stabilität des Kerns hängt vom Verhältnis $N/Z$ ab. Ein zu hohes oder zu niedriges $N$ bringt den Kern aus dem Gleichgewicht → er wird radioaktiv (siehe §12.3). Beispiel: ${}^{12}\text{C}$ (6p, 6n) ist stabil, ${}^{14}\text{C}$ (6p, 8n) zerfällt.

Ionen sind Atome/Moleküle mit veränderter Elektronenzahl (nicht: veränderter Protonenzahl!): negativ bei Elektronenüberschuss, positiv bei Elektronenmangel. Ionisierung entsteht durch hohe Energie, Temperatur, elektrische Ladung, Radioaktivität oder chemische Reaktionen. Merke den Unterschied: Ein Ion ändert die Hülle (Elektronen), ein Isotop den Kern (Neutronen) — das eine ist Chemie/Physik der Hülle, das andere Kernphysik.