Im Jahr 1919 entdeckte Ernest Rutherford, dass durch Alpha-Teilchen (Heliumkerne) aus einem radioaktiven Präparat Kernreaktionen ausgelöst werden können. Konkret beobachtete er, dass bei Beschuss von Stickstoff mit Alpha-Teilchen Wasserstoffkerne emittiert werden. Aus einem Stickstoffkern und einem Heliumkern waren ein Sauerstoffkern und ein Wasserstoffkern entstanden. Damit war neben der Möglichkeit, ein Element in ein anderes umzuwandeln, ein experimenteller Nachweis geführt, dass Atomkerne tatsächlich die Kerne des Wasserstoffatoms "enthalten". Rutherford betrachtete demnach den Kern des Wasserstoffatoms als fundamentalen Kernbaustein und schlug den Namen Proton (von griechisch: protos, das Erste) vor.
Bei allen Atomkernen mit Ausnahme des Wasserstoffkerns ist die Masse zwar annähernd ein ganzzahliges Vielfaches der Protonenmasse, allerdings ist sie größer, als es der Ladung eines nur aus Protonen aufgebauten Kerns entspricht. So hat z.B. ein Aluminiumkern die Ladung von 13 Protonen, aber die Masse von 27. Bereits 1920 wurde die Existenz eines elektrisch neutralen Teilchens mit etwa der gleichen Masse wie das Proton postuliert. Daneben gab es auch Spekulationen, dass Atomkerne aus Protonen und einer geringeren Anzahl von Elektronen bestehen könnten, wobei die negative Ladung der Elektronen die positive Ladung der Protonen teilweise kompensiert.
Entdeckung des Neutrons
Im Jahre 1930 war eine bislang unbekannte "Strahlung" entdeckt worden, die beim Beschuss von Beryllium mit Alpha-Teilchen (Heliumkernen) emittiert wurde. Keinesfalls konnte es sich um die Emission von geladenen Teilchen (also z.B. Protonen) handeln. James Chadwick wies 1931 nach, dass diese "Beryllium-Strahlung" nicht eine Art Gamma-Strahlung war, sondern die Emission elektrisch neutraler Teilchen mit einer Masse, die etwas größer als die des Protons ist. Es wurde also die folgende Kernreaktion beobachtet:
Im Februar 1932 berichtete er in der auch heute noch erscheinenden Fachzeitschrift Nature über die mögliche Existenz eines Neutrons (Possible Existence of a Neutron). Kurz darauf wurde von Werner Heisenberg das uns heute geläufige Proton-Neutron-Modell des Atomkernes formuliert. Als Sammelbegriff für die Kernbausteine Proton und Neutron hat sich der Begriff Nukleon eingebürgert. Die Anzahl der Nukleonen in einem Atomkern wird als Massenzahl A bezeichnet, die Anzahl der Protonen ist gleich der Kernladungszahl Z, die Anzahl der Neutronen ist dann N = A - Z. Die übliche Schreibweise für einen beliebigen Atomkern ist dann , wobei X das chemische Elementsymbol des entsprechenden Kernes ist, z.B. . Da chemisches Element und Kernladungszahl eindeutig zusammenhängen, wird die Kernladungszahl meistens weggelassen, also z.B. 27Al geschrieben.
Die Originalarbeit von James Chadwick aus dem Jahr 1932 kann auf LEIFI Physik nachgelesen werden.
Eigenschaften der Nukleonen
Das Neutron ist etwas schwerer als das Proton und kann (als freies, das heißt nicht in einem Atomkern gebundenes, Teilchen) durch Beta-Zerfall in ein Proton, ein Elektron und ein Antineutrino zerfallen. Tatsächlich wurde der Beta-Zerfall von freien Neutronen mit einer Halbwertszeit von ca. 10 Minuten beobachtet. Protonen sind im Bezug auf Beta-Zerfall stabil, allerdings gibt es Theorien, nach denen eine andere Zerfallsart des Protons in andere Elementarteilchen nicht ausgeschlossen werden kann. Einen experimentellen Nachweis für den Protonenzerfall gibt es nicht; nach den bisher vorliegenden experimentellen Ergebnissen müsste für den Fall eines instabilen Protons dessen Halbwertszeit größer als 1033 Jahre sein. (Zum Vergleich: Das Alter des Universums beträgt etwa 1,5.1010 Jahre.)
Kräfte zwischen den Nukleonen
Da Atomkerne trotz der elektrostatischen Abstoßung der Protonen zusammenhalten, muss es eine zusätzliche anziehende Kraft zwischen den Nukleonen geben. Diese stark anziehende Kraft wird als Kernkraft oder starke Wechselwirkung bezeichnet. Die Kernkraft ist von kurzer Reichweite (etwa 1,5.10-15m) und stark anziehend. Sie wirkt für Protonen und Neutronen gleich, ist also von der Ladung des Nukleons unabhängig. Die Beobachtung der Streuung von Neutronen an Wasserstoff, also der Wechselwirkung von jeweils einem Neutron mit einem Proton, sowie der Eigenschaften des Deuterons (), ein aus einem Neutron und einem Proton bestehender "schwerer" Wasserstoffkern) gibt über grundlegende Eigenschaften der Kernkräfte Aufschluss.
