Sie mögen bereits von chemischen Elementen gehört haben. Jedes der Materialien, die uns jeden Tag umgeben, sogar unsere eigenen Knochen und Organe, sind aus diesen überraschend wenigen Elementen aufgebaut.

Was unterscheidet die Elemente voneinander?
Diese Frage wird vollständiger beantwortet werden können, sobald wir mehr über die innere Struktur von Atomen erfahren haben. Elemente unterscheiden sich auf atomarem Level; Gold hat andere Eigenschaften als Magnesium, weil die einzelnen Atome ein wenig anders aufgebaut sind. Diese mikroskopischen Unterschiede beeinflussen die physikalischen Eigenschaften, wie zum Beispiel das Erscheinungsbild (Gold ist glänzend-gelb und verhältnismäßig hart, während Magnesium silberfarben und leicht biegbar ist), aber auch die chemischen Eigenschaften (Gold reagiert außerordentlich wenig mit anderen chemischen Substanzen, während Magnesium sogar in Wasser stark reagiert). Die unterschiedliche Atomstruktur beeinflusst, mit welchen anderen Elementen Bindungen eingegangen werden können. Ein sehr nützliches Werkzeug ist das Periodensystem, das die Elemente nach ihrer Struktur und folglich ihren Eigenschaften ordnet. Auch hierauf werden wir später erneut zurückkommen.

Die Elemente, die alles um uns herum hervorbringen, können nicht künstlich produziert werden. Woher kommt dann all der Kohlenstoff aus dem unser Körper aufgebaut ist? Alle stabilen Elemente, die wir um uns sehen, haben Ihre Herkunft lange vor der Entstehung der Erde. Die leichten Elemente bis hin zu Eisen werden in einem Prozess mit dem Namen Nukleosynthese, im Inneren von Sternen produziert. Die schwereren Elemente entstehen, wenn Sterne in gigantischen Explosionen, sog. Supernovae sterben. Beide Vorgänge werden in einem späteren Abschnitt genauer vorgestellt. Sie könnten jedoch bereits eine Idee davon haben, warum es mehr Kohlenstoff als Gold im Weltall gibt, denn nur die allerschwersten Sterne sind in der Lage, schwere Elemente wie Gold umzusetzen und in Supernovae überzugehen.

Atome wurden bereits im alten Griechenland postuliert, genauer als der Philosoph Demokrit feststellte, dass er sein Brot ab einem bestimmten Punkt nicht mehr weiter zerteilen konnte: Es war nicht mehr sichtbar. Er hatte daraufhin vorgeschlagen, dass alles aus kleinsten Bausteinen besteht, die nicht weiter teilbar sind und die er ‚atomos‘ nannte, was im Griechischen so viel wie ‚das Unteilbare‘ heißt.
Das modernere Verständnis von Atomen kommt aus der Chemie, als John Dalton feststellte, dass acht Gramm Sauerstoff immer mit genau einem Gramm Wasserstoff reagierten. Dies führte zu der Theorie, dass eine bestimmte Anzahl von Bausteinen auf dieser kleinsten Ebene immer mit einer genau bestimmten Anzahl anderer Bausteine reagierte und dass beide Bausteine sich maßgeblich voneinander unterscheiden mussten. Diese Vorstellung entwickelte sich bald zu der Idee von Atomen und während es die Chemiker waren, die die ersten Hinweise auf Atome hatten, so waren es doch die Physiker, die herausfanden, dass es bei diesen Atomen um weitaus mehr ging als zuvor angenommen.

Die Entdeckung des Atomkerns
Als das Konzept des Atoms als kleinste Struktur der Materie an Akzeptanz gewann, begannen die Wissenschaftler darüber nachzudenken, was den Atomen ihre Eigenschaften verleiht; warum Goldatome sich anders verhalten als Magnesiumatome. Eines der weitverbreitetsten theoretischen Ansätze war das ‚Rosinenkuchen‘-Modell. Dieses Modell beschrieb das Atom als ein positiv geladenes Medium, welches durch negative Ladungen kompensiert wurde, die wie Rosinen in einem Kuchen verteilt waren.
Dass die tatsächliche Struktur vollkommen anders ist, hat Rutherford in einem Experiment im Jahr 1911 erstmals bewiesen. In einem sehr berühmten Versuchsaufbau beschoss er eine hauchdünne Goldfolie mit positiv geladenen Projektilen, die damals als Alphateilchen bekannt waren und von denen wir heute wissen, dass es sich um Heliumkerne handelt. Rutherford beobachtete, dass die Alphateilchen nicht direkt in den Detektor zurückreflektiert wurden (nur sehr wenige taten dies), sondern dass einige der Teilchen leicht abgelenkt wurden, während andere ungestört durch die Folie hindurchflogen. Diese Beobachtung führte Rutherford zu dem Schluss, dass Atome eigentlich aus einem sehr kleinen Bereich im Zentrum bestehen, der positiv geladen ist und der die positiv geladenen Alphateilchen zurückstößt, wenn er getroffen wird. Außerdem folgerte er, dass ein großer Teil des Atoms mit leerem Raum gefüllt sein muss, der dafür sorgt, dass der Hauptteil der Teilchen geradeaus durch die Folie fliegen kann. Die Teilchen, die nur leicht abgelenkt wurden mussten folglich nahe am positiv geladenen Atomzentrum vorbeigeflogen sein, wo sie durch die Ladungsgleichheit abgestoßen wurden.
Letztendlich entwickelte er das Modell des Atoms mit einem winzigen Ball positiver Ladungen im Zentrum, dem Atomkern, um den herum die negativen Elektronen wie Planeten auf Umlaufbahnen um die Sonne kreisen und für die Ladungsneutralität sorgen. Dieses Modell war für einige Zeit weit verbreitet und akzeptiert, bis etwas moderne Experimente aus der Quantenphysik zeigten, dass es nicht alle Eigenschaften beschreiben konnte.

Der Atomkern
Wie der Name bereits verrät, beschäftigen sich Kernphysiker mit den Eigenschaften des Atomkerns, es ist daher besonders wichtig für sie, die Struktur des Atomkerns zu verstehen. Das Elektron wurde schon vorher von J.J. Thomson entdeckt, als er nachweisen konnte, dass Kathodenstrahlen aus negativ geladenen Teilchen bestehen. Das genaue Verhältnis der Masse zur Ladung dieser Teilchen wurde von Millikan später in einem berühmten Experiment mit geladenen Öltröpfchen gemessen. Schon lange vor Rutherfords Experiment wurde vorgeschlagen, dass alle Atome aus Wasserstoffatomen bestehen, was gar nicht so falsch ist. 1917 erweiterte Rutherford seinen Versuchsaufbau und schoss nun Alphateilchen (LINK TO ALPHA PARTICLES IN GLOSSARY) in reines Stickstoffgas. In seinen Detektoren konnte er daraufhin das charakteristische Signal für Wasserstoffkerne nachweisen, weshalb er schlussfolgerte, dass diese von den Stickstoffkernen nach der Kollision mit Alphateilchen freigelassen wurden. Er entschied, dass dies bedeuten müsse, dass der Stickstoffkern Wasserstoffkerne oder Protonen enthält. Dies war die erste Aufzeichnung einer Kernreaktion.
Zu diesem Zeitpunkt hatten Wissenschaftler bereits das Konzept der Massenzahl und der Ordnungszahl entwickelt.
Die Massezahl ist eigentlich die Masse des Atoms (wir können dabei annehmen, dass es sich hierbei um die Masse des Atomkerns handelt, weil die Elektronen eine vernachlässigbar kleine Masse besitzen). Die Ordnungszahl oder auch Kernladungszahl beschreibt die Anzahl von Protonen im Atomkern, bzw. die Anzahl der Elektronen im Atom. Die Existenz des Neutrons wurde 1920 erstmals von Rutherford vorgeschlagen, um den Unterschied zwischen der Kernladungszahl und der Massezahl erklären zu können. Es war aber erst im Jahr 1932, als James Chadwick zeigen konnte, dass eine bestimmte Art der Strahlung, die zuvor fälschlicherweise für Gammastrahlung gehalten wurde, eigentlich aus neutralen Teilchen besteht, deren Masse ungefähr der Masse der Protonen entspricht. Diese Teilchen wurden daraufhin Neutronen genannt und in die Kerntheorie eingegliedert, um dem Atomkern die fehlende Masse zu verleihen.
Der gemeinsame Name von Protonen und Neutronen ist Nukleonen, da sich beide im Nucleus (lat. Kern) aufhalten. Die Nukleonen werden von der Starken Kernkraft zusammen gehalten, die eine der vier fundamentalen Wechselwirkungen des Universums ist. Diese besondere Kraft ist ungefähr 10³⁸-mal stärker, als die Gravitationskraft und wirkt nur bis zu einem Abstand von 10^-15 m. Im Kern sorgt die Starke Kernkraft dafür, die elektrostatische Abstoßung zwischen den Protonen zu kompensieren und die Nukleonen zusammenzuhalten.
WWir können die Größe des Atomkernes bestimmen, indem wir Elektronen auf den Atomkern schießen und danach das entstandene Beugungsmuster untersuchen. In diesem Experiment können wir mithilfe der Impulserhaltung den Kernradius errechnen. Es hat sich aber gezeigt, dass der Kernradius mit der folgenden Gleichung noch genauer berechnet werden kann:

R = r₀ A^1/3

Hier ist R der gesuchte Radius, A die Zahl der Nukleonen im Atomkern und r₀ is eine Konstante (Radius eines Nucleons ≈ 1.3 fm).