Atome sind die Grundbausteine der Materie. Im Kern befinden sich Protonen und Neutronen, in der Hülle sind die Elektronen. Zur Darstellung des Atombaus dient das Schalenmodell.
Inhaltsverzeichnis
- Darstellung eines Atoms
- Die Masse eines Atoms
- Isotope
- Die Atomhülle
- Änderungen in der Außenschale
- Atome sichtbar machen
Arbeitsmittel
Arbeitsblatt
Darstellung eines Atoms
Die Atome eines Elements haben die gleiche Anzahl an positiv geladenen Teilchen, Protonen (p+), im Kern. Die Anzahl der Protonen bezeichnet man als Ordnungszahl (OZ, Kernladungszahl). Neben den Protonen liegen auch ungeladene Neutronen (n0) im Kern vor. Diese beiden Kernteilchen werden als Nukleonen bezeichnet.
In der Hülle sind die negativ geladenen Elektronen (e-) eines Atoms in Schalen verteilt. Ein Atom ist nach außen hin elektrisch neutral (ungeladen), d. h. es hat genau so viele negativ geladene Elektronen in der Hülle wie positiv geladene Protonen im Kern.
Abb. 1
Aufbau eines Atoms am Beispiel Kohlenstoff mit der Ordnungszahl 6. Kohlenstoff hat 6 Protonen im Kern und 6 Elektronen in der Hülle.
Verwende das Periodensystem der Elemente (PSE) und entscheide, welche Darstellungen stimmen!
Die Masse eines Atoms
Die Nukleonen (p+ und n0) machen die Hauptmasse eines Atome aus. Die Summe der Protonen und Neutronen in einem Atom wird als Massenzahl bezeichnet. Beispielsweise hat das Kohlenstoff-Atom inAbbildung 2eine Massenzahl von 12. Man kann es auch mit folgender Schreibweise darstellen:
Massenzahl
Ordnungszahl
Elementsymbol,z. B.$$ \large \ce{ ^{12}_{6}C } $$ (Kohlenstoff-12).
Abb. 2
Ein Kohlenstoff-Atom mit der Massenzahl 12
Ein Elektron ist etwa 2000-malleichter als ein Proton bzw. ein Neutron. Elektronen tragen daher nur zu 0,1 Prozent zur Masse des Atoms bei. Deshalb entspricht die Massenzahl annähernd der atomaren Masse. Diese wird mit der atomaren Masseneinheit unit [u] angegeben (1 u = 1,66 ∙ 10-27 kg). Ein u entspricht der Masse eines Protons bzw. eines Neutrons (da diese fast gleich schwer sind). Daher hat das Kohlenstoff-Atom in Abb. 2 mit6 Protonenund6 Neutroneneine atomare Masse von 12 u.
Isotope
Die Anzahl der Neutronen im Kern kann variieren. Isotope sind Atome mit gleicher Protonenzahl (also Atome des gleichen Elements) aber unterschiedlicher Anzahl an Neutronen. Beispielsweise sind die natürlichen Kohlenstoff-Isotope $$ \large \ce{ ^{12}_{6}C } $$, $$ \large \ce{ ^{13}_{6}C } $$ und $$ \large \ce{ ^{14}_{6}C } $$.
Das Beispiel Wasserstoff zeigt, dass manche Isotope eine eigene Bezeichnung erhalten (Protium, Deuterium, Tritium).
Abb. 3
Die Wasserstoff-Isotope Protium, Deuterium und Tritium
Überlege mit Hilfe von Abbildung 3, welche Aussagen zur Masse der Wasserstoff-Isotope getroffen werden können!
Antwort überprüfen
Bei den Wasserstoffisotopen ist der Unterschied in Bezug auf deren Massen erheblich! Deuterium ist doppelt so schwer wie Protium, Tritium ist sogar dreimal so schwer.
Die Atomhülle
Die Elektronen in den Schalen werden vom positiv geladenen Kern angezogen. Daher halten sie sich bevorzugt in dessen Nähe auf. In jeder Schale hat aber nur eine maximale Anzahl an Elektronen Platz:
- 1. Schale (K-Schale):
- 2 Elektronen
- 2. Schale (L-Schale):
- 8 Elektronen
- 3. Schale (M-Schale):
- 18 Elektronen
- 4. Schale (N-Schale):
- 32 Elektronen
Abb. 4
Aufbau eines Natriumatoms
Baue mit dem Wissen über den Kern und die Hülle ein Stickstoff-Atom!
neu startenÄnderungen in der Außenschale
Veränderungen in der Außenschale (Valenzschale) werden als chemische Reaktionen bezeichnet. Ein Beispiel dafür ist die Abgabe oder Aufnahme von Außenelektronen (Valenzelektronen). Dadurch entstehen geladene Atome, die man Ionen nennt. Bei der Abgabe von Elektronen entstehen positiv geladene Ionen (Kationen), bei der Aufnahme entstehen negativ geladene Ionen (Anionen).
Das Atom (von altgriechisch ἄτομος (ὕλη) átomos (hýle) „unteilbare (Materie)“) ist der kleinste chemisch nicht weiter teilbare Baustein der Materie. Im Laufe der Wissenschaftsgeschichte wurden unterschiedliche Atommodelle vorgeschlagen.
Atome bestehen aus einem elektrisch positiv geladenen Atomkern und einer Atomhülle aus negativ geladenen Elektronen. Atome sind im Normalzustand elektrisch neutral; die Anzahl von Protonen und Elektronen ist dann jeweils gleich. Sofern Atome eine elektrische Ladung tragen, werden sie als Ionen bezeichnet. Die Umwandlung eines neutralen Atoms in ein Ion (durch Entfernen oder Hinzufügen von Elektronen) heißt Ionisierung.
Der Atomkern ist aus positiv geladenen Protonen und elektrisch neutralen Neutronen aufgebaut. Atomsorten oder Nuklide, welche die gleiche Anzahl von Protonen (Kernladungszahl) und damit dieselbe Ordnungszahl besitzen, gehören zu ein und dem selben Element und heißen Isotope. Da die Eigenschaften der Atomhülle das chemische Verhalten eines Atoms bestimmen, sind Isotope ein und des selben Elements chemisch nicht unterscheidbar.
Nahezu die gesamte von uns wahrnehmbare, unbelebte und belebte Materie in unserer irdischen Umgebung besteht aus (neutralen oder ionisierten) Atomen. Daneben gibt es noch Neutronenmaterie von Neutronensternen und eventuell eine noch hypothetische Dunkle Materie bislang unbekannter Natur.
Weiteres empfehlenswertes Fachwissen
Aufbau
Der Kern ist im Vergleich zur Hülle winzig klein. Die Hülle hat mit einem Durchmesser von etwa 10-10 m einen ungefähr zehntausendfach größeren Durchmesser als der Kern (10-14 m). Zur Veranschaulichung: Würde man ein Atom auf die Größe einer Kathedrale aufblähen, so entspräche der Kern der Größe einer Fliege (wobei beinahe die gesamte Masse des Atoms auf diesen winzigen Kern entfällt). Der Atomkern nimmt nur etwa ein Billiardstel des Gesamtvolumens eines Atoms ein. Das Atom als Grundbaustein der Materie besteht somit fast ausschließlich aus leerem Raum.
Atome sind in erster Näherung kugelförmig und haben eine Größe von 0,1 bis 0,5 nm, also 0,000.000.000.1 m bis 0,000.000.000.5 m. Die Kernladungszahl bestimmt die Stellung des Elements im Periodensystem der chemischen Elemente, die daher auch Ordnungszahl genannt wird. Innerhalb des Periodensystems nehmen die Atomradien von links nach rechts ab (eine Ausnahme bilden die Edelgase) und von oben nach unten zu. Allerdings besteht kein linearer Zusammenhang zwischen Ordnungszahl und Atomradius.
Der Kern macht nahezu die gesamte Masse des Atom aus. Die Gesamtzahl der Protonen und Neutronen im Kern heißt deshalb Massenzahl. Eine Atomsorte oder Nuklid wird durch Angabe des Elements und der Massenzahl beschrieben, z. B. bezeichnet 16O das häufigste Sauerstoffisotop oder 56Fe das häufigste Eisenisotop. Die Masse eines Atoms beträgt je nach Massenzahl zwischen 10-24 und 10-22 g. Das kleinste und leichteste Atom ist das Wasserstoffatom 1H, dessen Kern aus einem einzelnen Proton besteht. Eines der schwersten natürlich vorkommenden Nuklide ist das Uranisotop 238U mit 92 Protonen (siehe Periodensystem). Das schwerste Nuklid, dessen Herstellung bisher (Stand Aug.2004) gelang, ist das Ununoctium 294Uuo mit 118 Protonen. Es ist jedoch mit einer Halbwertszeit von 0,89 ms extrem kurzlebig.
Energie-Größenordnungen
Den verschiedenen Größenordnungen der Durchmesser von Atomhülle und Atomkern entsprechen auch verschiedene Größenordnungen der Bindungsenergien, die den jeweiligen Aufbau bestimmen. Die Bindungsenergien, mit denen die Elektronen der Hülle an den Kern gebunden sind, reichen von wenigen Elektronenvolt (eV) bis zu Hunderten Kiloelektronenvolt (keV), während die Bindungsenergien innerhalb des Kerns stets viele Megaelektronenvolt (MeV) betragen. Vorgänge, die in einem physikalischen System nennenswerte Änderungen bewirken, weisen immer Energieumsätze in der Größenordnung der Bindungsenergie auf. Dementsprechend gibt es viele für die Hülle wichtige Vorgänge, die den Kern unbeeinflusst lassen. Hieraus ergibt sich eine natürliche Einteilung der Forschungs- und Anwendungsgebiete:
- Die Chemie beschäftigt sich mit den Verbindungen der Atome zu Molekülen. Typische Energieumsätze liegen hier im eV-Bereich.
- Die Atomphysik im engeren Sinne (Physik der Atomhülle) beschäftigt sich mit Aufbau und inneren Vorgängen der Atomhülle.
- Die Kernphysik beschäftigt sich mit Aufbau und inneren Vorgängen der Atomkerne.
- Schließlich beschäftigt sich die Elementarteilchenphysik -- durch Erforschung noch höherenergetischer Prozesse, im GeV-Bereich -- mit dem inneren Aufbau der Kernbestandteile Proton und Neutron und weiterer Elementarteilchen.
Energieniveaus
Der Energieinhalt eines Atoms (einer Atomhülle) kann, anders als bei makroskopischen physikalischen Systemen, nicht beliebige, sondern nur bestimmte, diskrete ("gequantelte") Werte annehmen. In einer gewissen Näherung kann man die Bindung jedes Elektrons an den Kern einzeln betrachten; statt von der Energie "des Atoms" spricht man daher oft von der Energie "eines Elektrons". Die Elektronen befinden sich also auf diskreten Energieniveaus. Diese entscheidend wichtige Eigenschaft wurde zuerst 1913 von Niels Bohr (siehe unten) im Widerspruch zu den bis dahin bekannten physikalischen Gesetzen angenommen, um die Linienspektren des von Atomen ausgehenden Lichtes erklären zu können. Die nachfolgende Entwicklung der Quantenmechanik führte zum heutigen theoretischen Verständnis dieser Eigenschaft. Die Quantenmechanik erklärt auch die genaue Lage der Energieniveaus und weitere Eigenschaften der Atomhülle (siehe Elektronenkonfiguration).
Auch der Atomkern hat diskrete Energieniveaus. Die Gammastrahlung, das kernphysikalische Gegenstück zur Lichtemission der Atomhülle, zeigt daher ebenfalls Linienspektren.
Geschichtlicher Abriss der Atom-, Kern- und Elementarteilchenphysik
Siehe auch: Atomismus und Atommodell
Die Geschichte der Idee des Atoms beginnt im antiken Griechenland um 400 vor Christus.
- um 400 vor Christus - Demokrit und das Teilchenmodell
- um 1400 - Die Alchemisten - Gold kann nicht hergestellt werden
- 1803 - John Dalton - Atomtheorie der Elemente
- 1896 - Becquerel - Radioaktivität
- 1897 - Joseph John Thomson - Elektron
- 1898 - Marie und Pierre Curie - radioaktive Umwandlung chemischer Elemente
- 1900 - Ludwig Boltzmann - Atomtheorie
- 1900 - Max Planck - Quanten
- 1905 - Albert Einstein - Erklärung der brownschen Bewegung
- 1906 - Ernest Rutherford - Experimente
- 1913 - Niels Bohr - Schalenmodell
- 1929 - Erwin Schrödinger, Werner Heisenberg und andere - Das Orbitalmodell
- 1929 - Ernest O. Lawrence - Der erste Teilchenbeschleuniger, das Zyklotron
- 1932 - Paul Dirac und David Anderson - Antimaterie
- 1932 - James Chadwick - Neutron
- 1933 - Irène und Frédéric Joliot-Curie - Energie wird zu Masse
- 1938 - Otto Hahn und Lise Meitner - Die erste Kernspaltung
- 1938 - Hans Bethe - Kernfusion in der Sonne
- 1942 - Enrico Fermi - Der erste Kernreaktor
- 1942 - Werner Heisenberg - Uranprojekt im nationalsozialistischen Deutschland
- 1942 - Albert Einstein und Leo Szilard - Roosevelt soll die Atombombe bauen
- 1945 - J. Robert Oppenheimer - Die erste Atombombe
- 1951 - Erwin Müller – das Feldionenmikroskop
- 1952 - Edward Teller - Die Wasserstoffbombe
- 1960 - Donald A. Glaser - Die Blasenkammer
- 1964 - Murray Gell-Mann - Die Quarks
- 1995 - Eric Cornell, Wolfgang Ketterle und Carl Wieman - Das Bose-Einstein-Kondensat
- 2000 - CERN - Das Higgs-Boson
- 2002 - Brookhaven - seltsame Materie
Zitate
- Nur scheinbar hat ein Ding eine Farbe, nur scheinbar ist es süß oder bitter; in Wirklichkeit gibt es nur Atome und den leeren Raum. – Demokrit (5. Jh. v. Chr.)
- Richard Feynman hat einmal gesagt, müsste er das wichtigste Ergebnis der modernen Naturwissenschaft in einem Satz zum Ausdruck bringen, entschiede er sich für: "Die Welt besteht aus Atomen." – Brian Greene (Der Stoff, aus dem der Kosmos ist, ISBN 3-88680-738-X, S. 255)
- Nach einigen Schätzungen hat jeder Mensch in seinem Körper ca. eine Milliarde Atome, die bereits einst zu Shakespeare gehörten, bzw. zu Dschingis Khan, Buddha oder Mozart. Durch den ewigen Kreislauf und die wohl enorme Langlebigkeit von Atomen, ist eine permant neue Verwendung als Tautropfen, Blatt oder neuer Mensch möglich. Aus Paul Davis, "Das fünfte Wunder".
Literatur
- Bernhard Bröcker u.a.: dtv Atlas Atomphysik: Tafeln und Texte. 6. Aufl. 1997. ISBN 3-423-03009-7.
Siehe auch
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