Aufgaben: Subatomare Teilchen und Isotope

Im Brettspiel „Baue ein Atom“ gibt es drei Arten von Spielsteinen: Protonen, Neutronen und Elektronen. Gib die elektrische Ladung der drei Teilchen an: positiv, negativ oder ungeladen.

Wenn das Atom ein Fußballstadion wäre, wäre der Atomkern eine Murmel in der Mitte des Spielfelds. Welche Teilchen befänden sich in dieser „Murmel“? Und welche Teilchen würden sich auf den Rängen um den Atomkern herum bewegen?

Ergänze den Satz mit den fehlenden Wörtern: „Das Proton hat eine $\dots$e Ladung, das Elektron hat eine $\dots$e Ladung und das Neutron hat keine $\dots$.“

Die Ordnungszahl $Z$ ist wie der Personalausweis eines Elements. Erkläre, was die Zahl $Z$ zählt, und gib an, welchen Wert sie für ein Atom mit $6$ Protonen hat.

Wenn du atmest, gelangen Sauerstoffatome in deine Lunge, die $8$ Protonen haben. Wenn ein Sauerstoffatom neutral ist, wie viele Elektronen hat es? Erkläre, warum.

Die Massenzahl $A$ zählt die „schweren“ Teilchen des Atoms. Ein Kohlenstoffatom hat $6$ Protonen und $6$ Neutronen, wie die Abbildung zeigt.

Welchen Wert hat seine Massenzahl $A$? Welche Teilchen des Atoms gehen in diese Rechnung nicht ein?

Kohlenstoff-12 und Kohlenstoff-14 sind wie zwei Geschwister: Sie gehören zum selben Element, „wiegen“ aber nicht gleich viel. Erkläre, was die beiden Atome gemeinsam haben und worin sie sich unterscheiden. Wie nennt man die Beziehung zwischen ihnen?

Kochsalz enthält Natriumatome mit $11$ Protonen und $12$ Neutronen im Atomkern, wie die Abbildung zeigt.

Berechne die Massenzahl $A$ von Natrium.

Bengalische Feuer leuchten mit einem intensiven weißen Licht, weil sie Magnesium verbrennen. Ein neutrales Magnesiumatom hat $Z = 12$ und $A = 24$. Berechne, wie viele Protonen, Neutronen und Elektronen es hat.

Das Chlor, das zum Desinfizieren von Schwimmbädern verwendet wird, hat $Z = 17$ und $A = 35$. Berechne, wie viele Neutronen sein Atomkern hat und wie viele Elektronen ein neutrales Chloratom hat.

Die Aluminiumfolie, die wir in der Küche benutzen, besteht aus Atomen mit $Z = 13$ und $A = 27$. Berechne die Anzahl der Protonen, Neutronen und Elektronen eines neutralen Aluminiumatoms.

Das Eisen in Linsen hilft, den Sauerstoff im Blut zu transportieren. Ein neutrales Eisenatom hat $Z = 26$ und $A = 56$. Wie viele Neutronen hat es im Atomkern? Und wie viele Elektronen um ihn herum?

Ein neutrales Calciumatom, das Mineral der Knochen, hat $20$ Elektronen und eine Massenzahl $A = 40$. Berechne seine Ordnungszahl $Z$ und die Anzahl der Neutronen in seinem Atomkern.

Wasserstoff hat drei bekannte Isotope: Protium ($A = 1$), Deuterium ($A = 2$), das im sogenannten „schweren Wasser“ vorkommt, und Tritium ($A = 3$). Alle haben $Z = 1$, wie die Abbildung zeigt.

Berechne, wie viele Neutronen jedes Isotop hat, und erkläre, warum alle drei dasselbe Element sind.

Kohlenstoff-12 hat $A = 12$ und Kohlenstoff-14 hat $A = 14$; beide haben $Z = 6$, wie die Abbildung zeigt.

1. a) Berechne die Neutronen, die jedes Isotop hat.
2. b) Erkläre, was die beiden Atome gemeinsam haben und was sie zum selben Element macht.

Der Geruch fauler Eier kommt von einem Gas, das Schwefel enthält. Ein neutrales Schwefelatom hat $16$ Elektronen und $16$ Neutronen. Berechne seine Ordnungszahl $Z$ und seine Massenzahl $A$.

Wissenschaftler untersuchen das Klima der Vergangenheit, indem sie das Eis von Gletschern analysieren, in dem Sauerstoff-16 ($Z = 8$, $A = 16$) und Sauerstoff-18 ($Z = 8$, $A = 18$) vorkommen.

1. a) Ergänze die Anzahl der Protonen, Neutronen und Elektronen jedes Isotops, wenn die Atome neutral sind.
2. b) Erkläre, warum beide dasselbe Element sind, obwohl sie unterschiedliche Massen haben.

Die Akkus von Handys enthalten Lithium. Sein Symbol mit den Zahlen des Atoms wird so geschrieben: ${}^{7}_{3}\text{Li}$. Die obere Zahl ist $A$ und die untere ist $Z$.

1. a) Wie viele Protonen, Neutronen und Elektronen hat ein neutrales Lithiumatom?
2. b) Beryllium hat $4$ Protonen und $5$ Neutronen: Schreibe sein Symbol im selben Format.

Kalium ist ein Mineral, das in Bananen reichlich vorkommt. Ein neutrales Kaliumatom mit $Z = 19$ verliert eines seiner Elektronen, wie die Abbildung zeigt.

1. a) Wie viele Protonen und wie viele Elektronen bleiben dem Atom?
2. b) Ist es immer noch Kalium? Begründe, indem du überlegst, was ein Element bestimmt.
3. c) Welche Gesamtladung hat das Atom jetzt? Erkläre das Ergebnis, indem du seine positiven und negativen Ladungen vergleichst.

Archäologen finden einen Mammutstoßzahn und wollen sein Alter wissen. Um es zu berechnen, verwenden sie das Kohlenstoff-14, das in den Überresten übrig ist.

1. a) Kohlenstoff-14 ist ein Isotop des Kohlenstoffs: Erkläre, was das bedeutet, und sprich dabei von Protonen und Neutronen.
2. b) Alle Lebewesen enthalten Kohlenstoff, und nach dem Tod nimmt ihr Kohlenstoff-14 mit den Jahren nach und nach ab. Begründe, warum man dadurch abschätzen kann, wie lange der Tod des Tieres zurückliegt.

Ein neutrales Atom hat die Massenzahl $A = 31$ und $16$ Neutronen im Atomkern.

1. a) Berechne seine Ordnungszahl $Z$ und seine Anzahl an Elektronen.
2. b) Finde mithilfe dieser Liste heraus, um welches Element es sich handelt: Sauerstoff ($Z = 8$), Natrium ($Z = 11$), Silicium ($Z = 14$), Phosphor ($Z = 15$) oder Chlor ($Z = 17$).
3. c) Die Köpfe von Streichhölzern enthalten dieses Element. Erkläre, warum die Zahl $Z$ und nicht die Anzahl der Neutronen darüber entscheidet, von welchem Element ein Atom ist.

Ein Proton hat fast dieselbe Masse wie ein Neutron, und jedes von ihnen hat eine etwa $2000$-mal so große Masse wie ein Elektron.

1. a) Ein Kohlenstoff-12-Atom hat $6$ Protonen, $6$ Neutronen und $6$ Elektronen: Erkläre, warum praktisch seine gesamte Masse im Atomkern konzentriert ist.
2. b) Schätze ab, wievielmal schwerer der Atomkern dieses Atoms ist als alle seine Elektronen zusammen.

Drei Atome haben diese Teilchen: Atom X hat $6$ Protonen und $6$ Neutronen; Atom Y hat $6$ Protonen und $8$ Neutronen; Atom Z hat $7$ Protonen und $7$ Neutronen.

1. a) Welche von ihnen sind dasselbe Element? Warum?
2. b) Welches Paar bildet ein Beispiel für Isotope?
3. c) Berechne die Massenzahl $A$ jedes der drei Atome.

Ein Rätsel in einer Zeitschrift stellt diese Aufgabe: Baue aus losen Protonen, Neutronen und Elektronen ein neutrales Berylliumatom, das $Z = 4$ und $A = 9$ hat, wie die Abbildung zeigt.

1. a) Wie viele Teilchen jeder Art brauchst du?
2. b) Wenn du versehentlich ein Elektron zu viel hinzufügst, wäre das Atom dann noch neutral? Welche Gesamtladung hätte es? Begründe.
3. c) Und wenn du ein Neutron wegnehmen würdest, würde sich das Element ändern? Würde sich etwas am Atom ändern? Begründe deine Antworten.