Warum ist die relative Atommasse nicht ganzzahlig?

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Warum die relative Atommasse keine ganze Zahl ist: Ein Blick auf Isotope, Massendefekt und die Komplexität der Atomkerne

Die relative Atommasse ist eine fundamentale Größe in der Chemie. Sie gibt an, wie viel schwerer ein Atom eines bestimmten Elements im Durchschnitt im Vergleich zu einem Zwölftel der Masse eines Kohlenstoff-12-Atoms ist. Studiert man das Periodensystem, fällt jedoch auf: Die relativen Atommassen sind fast nie glatte, ganze Zahlen. Warum ist das so? Die Antwort liegt in der komplexen Natur der Atome selbst.

Isotope: Die Vielfalt innerhalb eines Elements

Ein Schlüsselfaktor sind Isotope. Isotope sind Atome desselben Elements, die sich in der Anzahl ihrer Neutronen unterscheiden. Während die Anzahl der Protonen (die die Ordnungszahl und damit das Element selbst bestimmt) gleich bleibt, variiert die Neutronenzahl. Zum Beispiel existieren von Chlor zwei stabile Isotope: Chlor-35 (mit 17 Protonen und 18 Neutronen) und Chlor-37 (mit 17 Protonen und 20 Neutronen).

Die relative Atommasse eines Elements ist nun ein gewichteter Durchschnitt der Massen seiner Isotope, wobei die Gewichtung durch die natürliche Häufigkeit jedes Isotops bestimmt wird. Chlor-35 macht etwa 75,76 % des natürlichen Chlorvorkommens aus, während Chlor-37 etwa 24,24 % ausmacht. Daher berechnet sich die relative Atommasse von Chlor wie folgt:

(0,7576 34,9689 u) + (0,2424 36,9659 u) ≈ 35,45 u

Hierbei ist “u” die atomare Masseneinheit. Das Ergebnis ist eben keine ganze Zahl.

Massendefekt: Einsteins E=mc² im Atomkern

Aber selbst wenn ein Element nur ein einziges Isotop hätte, wäre die relative Atommasse wahrscheinlich keine perfekte ganze Zahl. Der Grund dafür ist der Massendefekt.

Protonen und Neutronen (die Nukleonen) werden durch die starke Kernkraft im Atomkern zusammengehalten. Diese Kraft ist enorm stark, und um sie zu überwinden und den Kern in seine einzelnen Nukleonen zu zerlegen, wäre eine erhebliche Energiemenge erforderlich.

Woher kommt diese Energie? Sie stammt aus einem winzigen Massenverlust, der auftritt, wenn sich die Nukleonen zum Atomkern vereinen. Einsteins berühmte Formel E=mc² erklärt diesen Zusammenhang: Ein Teil der Masse wird in Energie umgewandelt und freigesetzt. Die Masse des Atomkerns ist also geringfügig kleiner als die Summe der Massen seiner einzelnen Nukleonen.

Dieser Massendefekt beeinflusst die relative Atommasse, da die Masse des Kerns eben nicht einfach die Summe der Massen der Protonen und Neutronen ist.

Die leicht unterschiedlichen Massen von Protonen und Neutronen

Es ist wichtig zu erwähnen, dass Protonen und Neutronen selbst nicht exakt die gleiche Masse haben. Ein Neutron ist etwas schwerer als ein Proton. Dieser Unterschied trägt ebenfalls zu den Abweichungen von ganzzahligen Werten bei den relativen Atommassen bei.

Fazit: Eine komplexe Wechselwirkung

Die relative Atommasse ist also das Ergebnis einer komplexen Wechselwirkung verschiedener Faktoren:

• Das Vorhandensein von Isotopen mit unterschiedlichen Massen und Häufigkeiten.
• Der Massendefekt, der durch die Bindungsenergie im Atomkern entsteht.
• Die leicht unterschiedlichen Massen von Protonen und Neutronen.

Diese Faktoren führen dazu, dass die relativen Atommassen fast aller Elemente keine glatten, ganzen Zahlen sind. Sie spiegeln die Vielfalt und Komplexität der Atomkerne wider und liefern wertvolle Informationen über die Zusammensetzung und Stabilität der Elemente.