Ein Atom besteht aus drei Teilchenarten. Protonen und Neutronen bilden den Atomkern und heißen zusammen Nukleonen. Die Elektronen bilden die Hülle.

Dabei ist e die Elementarladung ($1{,}6 \cdot 10^{-19}$ C, aus Klasse 7-8) und u die atomare Masseneinheit, etwa $1{,}66 \cdot 10^{-27}$ kg. Ein Atom ist nach außen ungeladen, wenn es genauso viele Elektronen wie Protonen hat. Hat es Elektronen zu viel oder zu wenig, ist es ein Ion.

Weil ein Elektron fast 2000-mal leichter ist als ein Nukleon, steckt über 99,9 % der Masse eines Atoms im Kern.

Das Kern-Hülle-Modell geht auf Versuche von Rutherford und seinen Mitarbeitern (1909 bis 1911) zurück. Sie beschossen eine hauchdünne Goldfolie mit schnellen, positiv geladenen Teilchen (Alpha-Teilchen, mehr dazu in der nächsten Lektion). Fast alle flogen geradeaus hindurch. Nur sehr wenige wurden stark abgelenkt, manche sogar zurückgeworfen. Daraus folgt: Die positive Ladung und fast die ganze Masse sitzen in einem sehr kleinen Kern. Der Rest des Atoms ist die Hülle mit den Elektronen und nahezu leer.

Die Größen unterscheiden sich gewaltig:

• Atom: Durchmesser etwa $10^{-10}$ m (0,1 nm)
• Atomkern: Durchmesser etwa $10^{-15}$ bis $10^{-14}$ m

Der Kern ist also etwa 10 000- bis 100 000-mal kleiner als das Atom. Kernmaterie ist entsprechend dicht: Ein Würfel aus reiner Kernmaterie mit 1 cm Kantenlänge hätte eine Masse von etwa 200 Millionen Tonnen.

Das Bild von Elektronen, die wie Planeten auf festen Bahnen kreisen, ist nur ein Hilfsbild. Die Elektronen halten sich in bestimmten Bereichen der Hülle auf. Die genaue Beschreibung gehört in die Oberstufe.

Ein Atomkern wird durch zwei Zahlen beschrieben:

• Die Kernladungszahl $Z$ ist die Zahl der Protonen. Sie ist die Ordnungszahl im Periodensystem und legt das Element fest.
• Die Massenzahl $A$ ist die Zahl der Nukleonen, also Protonen plus Neutronen. Mit der Neutronenzahl $N$ gilt $A = Z + N$.

Die Massenzahl ist eine reine Anzahl, keine Masse in Kilogramm. Eine Sorte von Atomkernen mit festem $Z$ und $A$ heißt Nuklid. Man schreibt es in der Nuklidschreibweise: Die Massenzahl steht links oben, die Kernladungszahl links unten am Elementsymbol. Kohlenstoff mit 6 Protonen und 6 Neutronen schreibt man so: $\,{}^{12}_{6}\text{C}$. Auch "Kohlenstoff-12" ist üblich.

Isotope sind Nuklide desselben Elements, also mit gleicher Protonenzahl, aber verschiedener Neutronenzahl. Sie haben deshalb dieselbe Elektronenhülle und verhalten sich chemisch praktisch gleich, haben aber verschiedene Massenzahlen.

Wasserstoff hat zum Beispiel drei Isotope: gewöhnlicher Wasserstoff (kein Neutron), Deuterium (ein Neutron) und Tritium (zwei Neutronen). Die in der Chemie angegebene relative Atommasse eines Elements ist ein Mittelwert über das natürliche Isotopengemisch. Darum steht dort oft keine ganze Zahl.

Protonen sind alle positiv geladen und stoßen sich ab, und im Kern sind sie nur etwa $10^{-15}$ m voneinander entfernt. Die elektrische Abstoßung ist dort gewaltig. Trotzdem fliegen Kerne nicht auseinander. Die Gravitation ist dafür viel zu schwach. Es muss also eine andere, stärkere Anziehung geben: die Kernkraft.

Sie hat zwei Eigenschaften. Sie wirkt zwischen allen Nukleonen, also auch zwischen Neutronen, die elektrisch neutral sind. Und sie hat eine sehr kurze Reichweite: Sie wirkt nur auf die nächsten Nachbarn im Kern, nicht auf weit entfernte Nukleonen. Die elektrische Abstoßung dagegen reicht weit. Wächst ein Kern, spürt jedes Proton die Abstoßung aller anderen Protonen, die Anziehung aber nur von den nahen Nukleonen.

Ein Kern ist stabil, wenn er sich von selbst nicht verändert. Ein instabiler Kern wandelt sich irgendwann von selbst um und sendet dabei Strahlung aus (Radioaktivität, nächste Lektion).

Neutronen wirken wie Kitt: Sie erhöhen die Anziehung durch die Kernkraft, aber nicht die elektrische Abstoßung. Deshalb gilt:

• Bei leichten stabilen Kernen sind etwa gleich viele Neutronen und Protonen vorhanden.
• Bei schweren stabilen Kernen braucht es deutlich mehr Neutronen als Protonen. Bei Blei-208 sind es 126 Neutronen auf 82 Protonen.
• Zu wenige oder zu viele Neutronen machen den Kern instabil.
• Alle Kerne mit mehr als 83 Protonen sind instabil. Die Kernkraft hält so große Kerne nicht dauerhaft zusammen.

"Instabil" sagt nicht, wie schnell der Kern sich umwandelt. Uran-238 hat im Mittel eine Lebensdauer von Milliarden Jahren.