Warum sind Atommassen ungerade?

Warum sind Atommassen selten ganze Zahlen?

Protonen und Neutronen, die Bausteine des Atomkerns, bestimmen die Masse eines Atoms. Intuitiv könnte man annehmen, dass die Atommasse, ausgedrückt in atomaren Masseneinheiten (u), einfach die Summe der Protonen und Neutronen ist. Doch ein Blick ins Periodensystem offenbart: Atommassen sind selten ganze Zahlen. Warum ist das so?

Die Erklärung liegt in einem komplexen Zusammenspiel mehrerer Faktoren:

1. Der Massendefekt: Bei der Bildung eines Atomkerns aus einzelnen Protonen und Neutronen wird Energie freigesetzt, die sogenannte Bindungsenergie. Gemäß Einsteins berühmter Formel E=mc² ist diese Energie mit einem Massenverlust verbunden. Die Masse des Kerns ist also geringer als die Summe der Massen seiner Bestandteile. Dieser Unterschied wird als Massendefekt bezeichnet. Je stärker die Kernbindung, desto größer der Massendefekt und desto niedriger die resultierende Atommasse.

2. Die unterschiedlichen Massen von Proton und Neutron: Protonen und Neutronen haben zwar ähnliche, aber nicht identische Massen. Ein Neutron ist minimal schwerer als ein Proton. Die genaue Zusammensetzung des Kerns – das Verhältnis von Protonen zu Neutronen – beeinflusst daher die Gesamtmasse.

3. Isotope: Die meisten Elemente existieren in der Natur als eine Mischung verschiedener Isotope. Isotope eines Elements haben die gleiche Anzahl an Protonen, aber unterschiedliche Anzahlen an Neutronen. Da die Neutronenzahl variiert, unterscheiden sich auch die Massen der Isotope. Die im Periodensystem angegebene Atommasse ist ein gewichteter Mittelwert der Massen aller natürlich vorkommenden Isotope eines Elements, berücksichtigt also deren relative Häufigkeit. Daher ergibt sich selten eine ganze Zahl.

Beispiel Chlor:

Chlor hat zwei häufig vorkommende Isotope: ³⁵Cl (75,77%) und ³⁷Cl (24,23%). ³⁵Cl besitzt 17 Protonen und 18 Neutronen, ³⁷Cl 17 Protonen und 20 Neutronen. Die Atommasse von Chlor im Periodensystem beträgt 35,45 u. Dieser Wert spiegelt die Mischung der beiden Isotope wider und ist deutlich keine ganze Zahl.

Zusammenfassend lässt sich sagen: Die Atommasse ist kein einfaches Addieren von Protonen- und Neutronenmassen. Der Massendefekt, die unterschiedlichen Massen von Proton und Neutron sowie das Vorkommen von Isotopen führen dazu, dass die Atommassen im Periodensystem meist von ganzzahligen Werten abweichen. Diese Abweichungen bieten wertvolle Einblicke in die Kernphysik und die Zusammensetzung der Elemente.