Durch den Rutherfordschen Streuversuch fand man heraus, dass ein Atom aus einem Atomkern und einer Atomhülle besteht. Der Atomkern im Zentrum des Atoms nimmt dabei nur einen extrem kleinen Raum ein, besitzt jedoch fast die gesamte Masse des Atoms. Sein Durchmesser liegt im Bereich von . Der Gesamtdurchmesser eines Atoms liegt in der Größenordnung von . Stellt man sich das gesamte Atom in der Größe eines Fußballfeldes vor, so wäre der Atomkern nur so groß wie eine Erbse auf dem Mittelpunkt.
Bestandteile
Der Kern besteht aus den sogenannten Nukleonen oder Kernteilchen. Dies sind Protonen und Neutronen. Da Neutronen ungeladen und Protonen positiv geladen sind, ist der Atomkern als Ganzes ebenso positiv geladen. Die Anzahl der Protonen gibt dabei die Vielfachheit der positiven Ladung an und wird daher auch als Kernladungszahl bezeichnet. Die Neutronenanzahl wird als dargestellt. Die Gesamtanzahl der Nukleonen gibt die Massenzahl an.
Die Protonenzahl bestimmt, welche chemisches Element der Kern entspricht. Sie ist gleich der Ordnungszahl im Periodensystem der Elemente. Die Neutronenanzahl bestimmt dagegen, welchen Isotops eines Elements der Kern entspricht.
Schreibweise
Ein Atomkern ist durch die Angabe der Protonen- und Massenzahl vollständig beschrieben, da man durch diese beiden Angaben auch die Neutronenanzahl als berechnen kann. Um in kurzer Form einen Atomkern zu bezeichnen, nutzt man folgendes Schema: , wobei für das chemische Symbol steht. Diese Schreibweise eignet sich auch, um schnell und eindeutig Veränderungen des Atomkerns (Radioaktivität) anzugeben. Da das chemische Symbol durch seine Ordnungszahl bereits die Protonenanzahl angibt, ist der Kern ebenfalls allein durch Angabe des Elementes und der Massenzahl eindeutig beschrieben.
Kernkraft
Da Protonen positiv geladen sind, wirkt zwischen ihnen in einem Atomkern die abstoßende Coulombkraft. Damit der Kern dennoch in seiner Form existieren kann, muss es eine weitere Kraft geben, die für Anziehung unter den Kernteilchen sorgt und stärker als die Coulombkraft ist. Diese Kraft nennt man Kernkraft.
Man kann sich dies mit zwei Magneten verdeutlichen. Bringt man zwei gleiche Pole zusammen, stoßen sich die Magnete eigentlich ab. Besitzt man jedoch genügend Kraft und bringt die Magnete aneinander und klebt sie mit Sekundenkleber zusammen, so bleiben sie trotz der abstoßenden magnetischen Kraft danach zusammen. So wirkt auch die Kernkraft.
Im Vergleich zu anderen Kräften wie der Coulombkraft oder Gravitationskraft ist ihre Reichweite jedoch extrem gering. Die Kernkraft wirkt nur zwischen zwei benachbarten Kernteilchen. Aufgrund dieser Eigenschaft können Atomkerne auch nicht beliebig groß werden. Je mehr Protonen hinzukommen, desto stärker wird die Coulombkraft. Die Kernkraft wirkt jedoch nur zwischen benachbarten Nukleonen und nimmt daher nicht wie die Coulombkraft zu. Bei einer gewissen Anzahl an Protonen wird die Coulombkraft daher größer als die Kernkraft und es kann kein Atomkern mehr existieren.
Stabilität
Am wichtigsten für die Stabilität eines Kerns ist das Verhältnis von Protonen- und Neutronenanzahl. Für leichte, stabile Atome liegt dieses ungefähr bei 1:1. Schwere Atome benötigen hingegen mehr Neutronen. Hier liegt das Verhältnis eher bei 1:2.
Weiterführende Kernmodelle
Möchte man Vorgänge im Kern genauer beschreiben, kann man sich verschiedener Kernmodelle bedienen. Wichtige Modelle sind hierbei das Tröpfchenmodell, um die Stabilität von Kernen zu untersuchen und das Potenzialtopfmodell, um Vorgänge auf der Ebene einzelner Nukleonen zu betrachten.
