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Die aneinander gebundenen Protonen und Neutronen, auch mit dem Überbegriff Nukleonen bezeichnet, in einem Atom bilden den Atomkern. Diese zählen zu den Hadronen. Das Proton ist positiv geladen, Neutronen sind elektrisch neutral. Nach dem Standardmodell der Elementarteilchenphysik sind Protonen und Neutronen aus Elementarteilchen, den Quarks, aufgebaut. Die Quarks werden durch die starke Wechselwirkung zusammengehalten, die durch Gluonen vermittelt wird. Diese starke Wechselwirkung ist auch für den Zusammenhalt des Atoms verantwortlich, da diese in Abständen bis zu etwa 2,5 Femtometer deutlich stärker als die elektrostatische Abstoßung der Protonen ist. Der Radius des Kerns ist abhängig von der Anzahl Nukleonen und beträgt etwa

fm, (A: Anzahl der Nukleonen im Kern). Das ist sehr viel kleiner als der Radius des Atoms, der ungefähr im Bereich von 10 5 fm liegt. Nach dem Schalenmodell des Atomkerns sind Kerne mit bestimmten Nukleonenzahlen, beispielsweise Helium, Sauerstoff oder Blei, besonders stabil.

Für Elemente mit niedriger Ordnungszahl sind Kerne mit annähernd gleich vielen Neutronen wie Protonen am stabilsten. Bei größeren Ordnungszahlen sorgt die elektrostatische Abstoßung der Protonen dafür, dass Kerne derartige Kerne nicht mehr stabil sind und für den Zusammenhalt des Atoms mehr Neutronen benötigt werden. Das Verhältnis von Neutronen zu Protonen in den Kernen der stabilen Isotope steigt dabei für Elemente mit größeren Ordnungszahlen auf etwa 1,5. Ist das Verhältnis von Protonen und Neutronen ungünstig, so ist der Kern ist instabil und wandelt sich unter Energieabgabe spontan in stabilere Kerne um. Dieses Phänomen wird auch als Radioaktivität bezeichnet.

Masse

Da der Großteil der Atommasse von den Neutronen und Protonen stammt, wird die Gesamtzahl diese Teilchen in einem Atom als Massenzahl bezeichnet. Die Masse eines Atoms wird oft mittels der atomaren Masseneinheit angegeben. Diese Einheit entspricht einem Zwölftel der Masse des Kohlenstoffisotops 12 C und ist etwa 1,66 × 10 −27 kg. Ein Atom des leichtesten

Wasserstoffisotops hat eine Masse von 1,007825 u. Die Masse eines Atoms entspricht etwa dem Produkt aus der Massenzahl und der atomaren Masseneinheit. Das schwerste stabile Nuklid ist das Bleiisotop 208 Pb mit einer Masse von 207,9766521 u.

Da makroskopische Mengen einer Substanz sehr viele Atome enthalten und die Angabe ihrer Anzahl als natürliche Zahl unhandlich wäre, verwendet man für die Stoffmenge eine eigene Einheit, das Mol. Ein Mol eines Elements sind etwa 6,022 × 10 23 Atome. Diese Zahl wurde so gewählt, dass ein Mol eines Elementes mit der Atommasse 1 u eine Masse von 0,001 kg oder 1 g hat. 12 C hat beispielsweise eine Atommasse von 12 u, also hat ein Mol Kohlenstoff eine Masse von 0,012 kg. Daher ist es in der Chemie üblich, Atommassen auch indirekt in g/mol anzugeben.

Bildung und Zerfall

In welcher Art ein Atomkern zerfällt ist für das jeweilige Nuklid typisch. Mitunter kann ein Kern auch auf mehrere Arten zerfallen, so dass mehrere Zerfallsarten zu einem bestimmten Prozentsatz an einem Zerfall beteiligt sind. Die wichtigsten radioaktiven Zerfälle sind der Alpha-Zerfall, bei dem ein Helium-Atomkern aus zwei Protonen und zwei Neutronen abgegeben wird, der Beta-Zerfall, bei dem mittels der schwachen Wechselwirkung ein Neutron des Kerns in ein Proton oder umgekehrt umgewandelt wird und Elektronen und ein Antineutrino bzw. ein Positron und ein Neutrino ausgesendet werden, sowie der Gamma-Zerfall, bei dem ein Isomer unter Aussendung von Gammastrahlung in ein niedrigeres Energieniveau gelangt. Jedes radioaktive Isotop hat eine charakteristische Zerfallszeit – die Halbwertszeit – die angibt, wie lange es dauert bis die Hälfte einer Probe zerfallen ist.