Warum sind Neutronen nicht im Kommabereich möglich?
z.B die nummer 18 im Periodensystem hat eine Masse von 39,9 und 18 Elektronen und Protonen. Das heißt ja 39,9 -18 wären 21,9. Aber im Internet steht die Neutronen sind 22, sprich aufgerundet. Und dort steht Neutronen sind immer ganze Zahlen aber warum?
7 Antworten
Hallo dqwdwdq12,
natürlich ist die Anzahl der Neutronen in einem Atomkern eine Natürliche Zahl - wie sollte es sonst sein? Neutronen sind ja, wie Protonen, Nukleonen, d.h. elementare Bausteine von Atomkernen. Seine Masse ist etwas mehr als ein unit (u).
Das Unit ist als ¹/₁₂ der Masse eines Atoms (¹²C) mit 6 Protonen und 6 Neutronen definiert. So hat ein solches Atom genau 1u und eine bestimmte Anzahl (etwa 6,022×10²³) solcher Atome, ein Mol, genau 1g Masse.
Die Massenzahl des Atoms bzw. Atomkerns (die Elektronen haben eine Masse, die man aber vernachlässigen kann) gibt die Masse eines Atoms in u an, nicht die Gesamtzahl der Nukleonen im Atomkern, auch wenn die Zahlen ungefähr übereinstimmen. Deshalb ist auch eine Rechnung 'Massenzahl–Ordnungszahl' eigentlich nicht korrekt.
Gebrochene Zahlen können zwei unterschiedliche Gründe haben:
- Die Neutronenzahl für alle Atome eines Elements kann variieren (Stichwort: Isotope), sodass der Durchschnitt eine gebrochene Zahl sein kann.
- Masse ist kondensierte Energie (Stichworte: E=mc², Massendefekt), und die Bindungsenergie ist erheblich. Dies führt dazu, dass ein Atomkern weniger Masse hat als seine Bestandteile.
Einzelne Atomkernsorten, definiert durch die Anzahl der Protonen und der Neutronen getrennt voneinander, heißen übrigens Nuklide. Isotope sind Nuklide, die zum selben Element gehören. Daneben gibt es noch Isobare, ihre Gesamt-Nukleonenzahl ist gleich. Trotz ihres Namens sind ihre Massen es nicht, jedenfalls nicnt genau.
Neutronen sind quantenmechanische Teilchen. (Wie auch Protonen und Elektronen, die anderen Bausteine der Atome.) In dem Sinne, dass sie sich auch nicht näherungsweise wie irgendwas aus unsere Alltagserfahrung verhalten.
Zwar können sich quantenmechanische Teilchen gleichzeitig an verschiedenen Stellen "aufhalten", aber nur, solange man nicht nachsieht. Sobald man nachsieht, ob an einer bestimmten Stelle ein Teilchen ist oder nicht, ist es entweder ganz dort oder überhaupt nicht dort, aber nicht zum Teil dort. Deshalb sind nur ganze Neutronen in einem Atomkern.
Die (relative) Atommasse kommt dadurch zustande, dass man dem Kohlenstoff (genauer: seinem Isotop mit 6 Protonen und 6 Neutronen) willkürlich die relative Atommasse 12,00000000 zuweist. Alle anderen Atommassen bezieht man hierauf.
Ein Proton ist ein wenig leichter als ein Neutron, deshalb ist es (in einer ersten Überlegung) kein Wunder, dass Atome, die unterschiedliche Anzahlen von Protonen und Neutronen haben, keine ganzzahlige relative Atommasse haben.
Aber das ist nur eine erste Überlegung, und sie stimmt leider nicht einmal vom Vorzeichen her.
Jetzt kommt die spezielle Relativitätstheorie ins Spiel: hier kann man die Natur nur so erklären, dass auch "reine Energie" eine Masse hat, d. h. schwer und träge ist. Bei Alltagsenergien kann man das nicht messen, aber im Atomkern sind die positiv geladenen Protonen so dicht gepackt, dass man die Energie wiegen kann, die man braucht, um sie so dicht zusammen zu bringen.
Damit die Protonen trotzdem zusammenhängen, braucht man also eine noch stärkere Kraft. Offensichtlich hält ein Atomkern zusammen, also gibt es tatsächlich eine solche Kraft. (Weil man mit ihr hauptsächlich in Atomkernen zu tun hat und sie dort entdeckt hat, heißt sie "Kernkraft", und weil sie so viel stärker ist als die elektrostatische Kraft, heißt sie "starke Kraft".)
Wenn sich Moleküle bilden, wird die Bildungsenergie (in der Chemie für gewöhnlich genauer Bildungsenthalpie) in die Umgebung abgegeben. (Wenn man den Zusammenhalt des Moleküls betrachtet, spricht man von Bindungsenergie.) Genauso wird auch bei der Bildung von Atomkernen Energie frei. Bei Molekülen ist das so wenig Energie, dass man sie nicht wiegen kann, aber bei Atomkernen liegt sie nahe genug an der Massenenergie der Atomkerne, dass man sie sehr wohl wiegen kann.
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Übrigens hat die Starke Kraft eine sehr geringe Reichweite, gerade einmal bis zum benachbarten Nukleon. Die Coulomb-Kraft, die elektrostatische Kraft, wirkt unendlich weit. Deshalb wird bei großen Kernen die Coulomb-Abstoßung stärker als die Starke Anziehung und die Kerne zerlegen sich -- das nennt man Radioaktivität. Hier kommt wieder die Quantenmechanik ins Spiel -- weil die Protonen selber nicht so genau "wissen", wo sie sind, "wissen" sie auch nicht genau, welche Kraft gerade überwiegt, und brauchen eine gewisse Zeit, um sich zu "entscheiden", ob sie nun den Kern verlassen oder nicht. Hier würde es zu weit führen, darauf einzugehen, warum diese Zeit zwischen winzigen Sekundenbruchteilen und Weltaltern liegt und wieso die Protonen lieber zu zweit und dabei zusammen mit zwei Neutronen den Kern verlassen als allein.)
"Hier würde es zu weit führen, darauf einzugehen, [...] und wieso die Protonen lieber zu zweit und dabei zusammen mit zwei Neutronen den Kern verlassen als allein.)"
die frage hast du doch quasi schon mit dem hinweis beantwortet, dass die "starke kraft" ungeheuer stark ist und nur etwa bis zum nächsten nukleon reicht. da liegt es doch auf der hand, dass sie nur in sehr stabilen kompakten paketen davon kommen.
"Nummer 18" ist Argon. 18 ist die Ordnungszahl.
Masse von 39,948 ist das Atomgewicht.
Die kannst Du nicht addieren.
Halbe Neutronen gibt es nicht.
Du wiegst 55,5 kg. Außerdem bist Du das 2. von 3 Kindern. Aber Du kannst jetzt nicht 55,5 + 2 rechnen. Das ist sinnfrei.
Kurz und knapp: Ein Nukleus hat weniger Masse als die Summe seiner Protonen und Neutronen. Das wird als Massendefekt bezeichnet. Durch die Kernfusion entstehen Wechselwirkungen zwischen den einzelnen Protonen und Neutronen. Die Energie dieser Wechselwirkung entsprechen dem energetischen Betrag dieser Massendifferenz, was du als Formel E=m·c² kennen könntest (wenig Masse ist also sehr viel Energie. Deswegen braucht man sehr viel Energie um Kerne zu spalten. Sehr viel heißt in einer deutlich höheren Größenordnung als chemische und elektrostatische Wechselwirkungen).
Weiterhin solltest du wissen das Masse und Anzahl nicht ganz gleichzusetzen sind, denn Protonen und Neutronen haben unterschiedlich viel Masse. Deswegen hinkt die Rechnung etwas, auch wenn ich deinen Gedankengang trotzdem verstehe. Masse verhält sich etwas anders als makroskopische Masse. Dieser Massendefekt heißt nicht dass da Bruchteile von subatomaren Partikel im Kern sind, aber er ist messbar. Du solltest das der verständnishalber das so aufassen, dass der 40-Argonkern aus 22 Neutronen und 18 Protonen zusammengesetzt ist.
> Aber im Internet steht die Neutronen sind 22, sprich aufgerundet.
Passt beim Argon - aber nicht immer.
Erstens: Halbe Neutronen gibt es nicht, wenn man ein Neutron teilt, haben die entstehenden Teile (u.a. ein Proton und ein Elektron) ganz andere Eigenschaften.
Zweitens: Es gibt noch weitere Gründe für nicht-ganzzahlige Atommassen, aber der mit dem weitaus größten Einfluss ist dieser:
Die Masse im PSE gibt die mittlere Atommasse der natürlich vorkommenden Isotopenmischung an. Beispiel Chlor mit Masse 35,5 - das liegt daran, dass im natürlichen Chlor etwa 75% Atome mit der Masse 35,0 und 25% mit der Masse 37,0 vorkommen. Beide Atomsorten haben gleichviele Protonen, somit auch gleichviele Elektronen, und deshalb wiederum identisches chemisches Verhalten.