Haben alle Atome die gleiche Masse?

Haben alle Atome die gleiche Masse? – Ein Blick in den Atomkern

Die Frage, ob alle Atome die gleiche Masse besitzen, ist mit einem klaren “Nein” zu beantworten. Obwohl die Vorstellung eines einheitlichen, kleinsten Bausteins der Materie lange Zeit vorherrschte, offenbart die moderne Physik ein komplexeres Bild. Die Masse eines Atoms wird primär durch die Anzahl von Protonen und Neutronen in seinem Kern bestimmt, wobei die Masse der Elektronen vernachlässigbar gering ist.

Ein Atom wird durch seine Ordnungszahl, also die Anzahl der Protonen im Kern, eindeutig definiert und bestimmt sein Element. Alle Atome eines bestimmten Elements – beispielsweise alle Wasserstoffatome – besitzen die gleiche Protonenzahl. Hier liegt jedoch der springende Punkt: Die Neutronenzahl kann variieren. Atome desselben Elements mit unterschiedlicher Neutronenzahl werden als Isotope bezeichnet.

Wasserstoff beispielsweise existiert in mehreren Isotopenformen: Protium (¹H) mit einem Proton und keinem Neutron, Deuterium (²H) mit einem Proton und einem Neutron und Tritium (³H) mit einem Proton und zwei Neutronen. Obwohl alle drei Isotope chemisch identisch reagieren, unterscheiden sie sich deutlich in ihrer Masse. Tritium ist beispielsweise etwa dreimal so schwer wie Protium. Diese Massendifferenz, verursacht durch die unterschiedliche Neutronenzahl, hat Auswirkungen auf die physikalischen Eigenschaften der Isotope, zum Beispiel die Dichte oder die Reaktionsgeschwindigkeit in bestimmten Prozessen.

Die Aussage, dass Atome in chemischen Reaktionen erhalten bleiben, ist ein zentraler Bestandteil des Gesetzes der Massenerhaltung. In chemischen Reaktionen werden lediglich die Bindungen zwischen Atomen umgeformt, die Atome selbst bleiben jedoch unverändert. Im Gegensatz dazu können Atome bei Kernreaktionen, wie zum Beispiel Kernspaltung oder Kernfusion, entstehen oder vergehen. Hierbei ändern sich die Anzahl der Protonen und Neutronen im Kern, was zu einer Veränderung der Masse und der Bildung neuer Elemente führt. Die dabei freiwerdende oder benötigte Energie wird durch die berühmte Formel E=mc² von Einstein beschrieben.

Zusammenfassend lässt sich sagen: Atome desselben Elements haben die gleiche Protonenzahl, aber unterschiedliche Isotope mit variierender Neutronenzahl und damit unterschiedlicher Masse. Während die Atome bei chemischen Reaktionen erhalten bleiben, unterliegen sie bei Kernreaktionen Umwandlungen, bei denen sich sowohl ihre Masse als auch ihre Identität ändern kann. Die Masse eines Atoms ist daher keine feste, unveränderliche Größe, sondern hängt von seiner Isotopenzusammensetzung ab.