Der Atomkern besteht aus Protonen und Neutronen. Das Wort "Kern" heißt lateinisch "Nukleus", weswegen Protonen und Neutronen, die den Atomkern bilden, auch "Nukleonen" genannt werden.
- Protonen sind elektrisch positiv geladen. Die Ladung eines Protons ist eine Elementarladung mit \(e = 1,6022 \cdot 10^{-19} \, \text{C}\).
- Die Masse eines Protons ist \(m_\text{p} = 1,67262 \cdot 10^{-27} \, \text{kg}\). Damit hat ein Proton eine 1836 mal größere Masse als ein Elektron.
- Neutronen sind nicht elektrisch geladen (neutral).
- Die Masse eines Neutrons ist \(m_\text{n} = 1,67493 \cdot 10^{-27} \, \text{kg}\).
Ein Proton/Neutron ist keine Erbse mit einer stofflichen Masse, wie in unserer makroskopischen Vorstellung. Ein Proton/Neutron ist ein Quantenobjekt und muss ähnlich modelliert werden, wie ein Photon oder ein Elektron. Die Masse eines Protons/Neutrons kann wegen \(E = m \cdot c^2\) der Energie gleichgesetzt werden. Dem Proton/Neutron wird eine Ruhenergie von etwa \(940 \, \text{MeV}\) zugeordnet.
Die Masse eines Kernbausteins wird in der Atomphysik meist in der atomaren Masseneinheit \(\rm u\) angegeben. Die atomare Masseneinheit \(\rm u\) ist festgelegt als \(\frac{1}{12}\) der Masse eines neutralen Kohlenstoffatoms \(\ce{ ^{12}_{6}C }\). Die Avogadro-Konstante \(N_\text{A} = 6,02214 \cdot 10^{23}\) gibt die Anzahl der Atome in \(12 \, \text{g}\) reinem Kohlenstoff \(\ce{ ^{12}_{6}C }\) an. Daher gilt
\[ 1 \, \text{u} = \frac{1}{12} \cdot \left( \frac{12 \, \text{g}}{6,02214 \cdot 10^{23}} \right) = 1,66054 \cdot 10^{-27} \, \text{kg}\]
Mit Hilfe der Formel von Einstein (\(E = m \cdot c^2\)) kann der Zusammenhang zwischen der atomaren Masseneinheit \(\rm u\) und der Energieinheit \(\rm eV\) berechnet werden:
\[ E = m \cdot c^2 = 1 \, \text{u} \cdot c^2 = 1,66054 \cdot 10^{-27} \, \text{kg} \cdot (2,99792 \cdot 10^{8} \, \tfrac{\text{m}}{\text{s}})^2 = 1,49241 \cdot 10^{-10} \, \text{J}\]
Rechnet man diese Energie in Elektronenvolt um, dann folgt, dass der Masse von \(1 \, \rm u\) eine Energie von
\[ E = \frac{4,97817 \cdot 10^{-19} \, \text{J}}{1,6022 \cdot 10^{-19} \, \text{C}} = 931478195 \, \text{eV} = 931,5 \, \text{MeV}\]
entspricht.
Für die Masse eines Protons gilt: \(m_\text{p} = 1,67262 \cdot 10^{-27} \, \text{kg} = 1,00728 \, \text{u} = 938,3 \, \text{MeV}\).
Für die Masse eines Neutrons gilt: \(m_\text{n} = 1,67493 \cdot 10^{-27} \, \text{kg} = 1,00866 \, \text{u} = 939,6 \, \text{MeV}\).
Für die Masse eines Elektrons gilt: \(m_\text{e} = 9,10938 \cdot 10^{-31} \, \text{kg} = 5,48580 \cdot 10^{-4} \, \text{u} = 0,511 \, \text{MeV}\).
Wenn man die Massenangabe für ein Elektron und ein Proton/Neutron in GeV rundet, kann man sich die Zahl leicht merken:
- Ein Elektron hat eine Ruhemasse/Ruheenergie von etwa 0,5 MeV = 0,5 Mega-Elektronen-Volt
- Ein Proton/Neutron hat eine Ruhemasse/Ruheenergie von etwa 1000 MeV = 1 GeV = 1 Giga-Elektronen-Volt
Der Begriff Ruhemasse/Ruheenergie beschreibt den Zustand eines ruhenden Atombausteins. Wenn ein Elektron/Proton/Neutron beschleunigt wurde, muss noch die kinetische Energie addiert werden, um die Gesamtenergie/Gesamtmasse anzugeben.
Die Ruhemasse/Ruheenergie eines Elektrons entspricht der Energiemenge, die man einem Elektron zuführt, wenn es bei einer Beschleunigungsspannung von \(U_\text{B} = 0,5 \, \text{MV} = 0,5 \cdot 1.000.000 \, \text{V} = 500.000 \, \text{V}\) beschleunigt werden würde.
Die Ruhemasse/Ruheenergie eines Protons entspricht der Energiemenge, die man einem Elektron zuführt, wenn es bei einer Beschleunigungsspannung von \(U_\text{B} = 1 \, \text{GV} = 1.000.000.000 \, \text{V}\) beschleunigt werden würde.