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Definition
Ein Atom ist das kleinste elektrisch neutrale Teilchen eines chemischen Elementes, durch
dessen Eigenschaften das charakteristische chemische und physikalische Verhalten des
Elements bestimmt wird. Stabile Atome sind mit chemischen Mitteln nicht weiter teilbar,
doch mit physikalischen können sie in Elementarteilchen gespalten werden. Atome bestehen
aus einem positiv geladenen Atomkern, und dieser wiederum aus Protonen und Neutronen,
sowie einer gleich stark negativ geladenen Elektronenhülle, die auch die chemischen
Eigenschaften des Atoms bestimmt.
Frühe Atomvorstellungen
Schon um etwa 400 v. Chr. prägte der griechische Philosoph Demokrit den Begriff “atomos”
für unteilbare Teilchen. Obwohl rein vom philosophischen Standpunkt ausgehend, begründete
er die Vorstellung von kleinsten, nicht weiter teilbaren Teilchen.
Demgegenüber meinte Aristoteles um etwa 300 v. Chr., das alles aus den 4 Grundelementen
Erde, Wasser, Feuer und Luft aufgebaut wäre.
Der Engländer John Dalton (1766 - 1844) griff zu Beginn des 19. Jahrhunderts die
Atomhypothese wieder auf. Seine Beobachtungen über Massenverhältnisse bei chemischen
Reaktionen ließen sich sehr gut mit der Vorstellung von unteilbaren kleinsten Einheiten in
Einklang bringen. Dalton ordnete jedem Element ein bestimmtes Atom zu, die Atome
verschiedener Elemente unterscheiden sich in Größe und Masse. Dalton konnte allerdings
seine Atome nicht nachweisen, und sein Modell konnte auch nicht Phänomene wie
Elektrizität oder die 1896 von Antoine Henri Becquerel (1852 - 1908) entdeckte
Radioaktivität erklären.
John Dalton (1766 – 1844)
Aufbau der Atome
Der Engländer Ernest Rutherford (1871 - 1937) entwickelte 1911 aus der Beobachtung der
Ablenkung radioaktiver Strahlen beim Durchgang durch Materie sein Kern-Hülle-Modell.
Bei seinem Versuch, der heute “Rutherfordscher Streuversuch” genannt wird, bestrahlte er
eine Goldfolie mit durch Radium erzeugten α-Strahlen. Dabei konnte er beobachten, wie die
α-Strahlen vom Kern reflektiert oder in der Nähe des Kerns abgelenkt wurden. Die weitaus
meisten jedoch durchdrangen ungehindert die Hülle. Daraus schloss er, das sich die Masse des
Atoms in einem kompakten Kern vereinigt, der von Elektronen umkreist wird.
Ernest Rutherford (1871 - 1937)
Der Atomkern besteht aus Protonen (p+) und Neutronen (n), den so genannten Nukleonen
(Kernteilchen), in der Hülle befinden sich die Elektronen (e-). Protonen und Elektronen sind
Träger der elektrischen Elementarladung. Da alle Ladungen von materiellen Teilchen nur
Vielfache der Elementarladung sein können, geht man von Elementarladungen von +1 bzw. 1 aus. Neutronen sind ungeladen. Bei elektrisch neutralen Atomen ist die Anzahl der Protonen
und Elektronen gleich groß.
Die Masse eines Atoms befindet sich fast zur Gänze im Kern, die Hüllenmasse macht nur
etwa ein Viertausendstel der Gesamtmasse des Atoms aus.
Die Elementarteilchen im Kern liegen sehr dicht beisammen, wobei die neutralen Neutronen
die Protonen, die sich sonst aufgrund ihrer gleichen Ladung abstoßen würden,
zusammenhalten. Die Hülle ist etwa 104 - 105 mal so groß wie der Kern.
Radioaktivität
Beim Rutherfordschen Kern-Hülle-Modell spielen elektrische Wechselwirkungskräfte eine
große Rolle. Die Hülle mit den negativ geladenen Elektronen wird vom positiv geladenen
Kern angezogen, weswegen die Elektronen auf stabilen Bahnen um den Kern bleiben.
Allerdings müssten sich dann eigentlich die Protonen gegenseitig abstoßen.
Da der Abstand zwischen den Protonen 104 - 105 mal kleiner als der Abstand zwischen dem
Kern und den Hüllenelektronen ist, muss die abstoßende Kraft zwischen den Protonen (104)²
bis (105)², also etwa 1 Milliarde mal größer sein als die anziehende Kraft zwischen Kern und
Hülle. Die Atomkerne würden also zerfallen, würden sie nicht von der starken
Kernbindungskraft zusammengehalten. Diese Kraft ist nur zwischen benachbarten
Kernteilchen wirksam und überwiegt die Protonenabstoßung deutlich. Deshalb enthalten alle
Kerne außer Wasserstoff (nur 1 Proton !) Neutronen. Allerdings kann die Neutronenanzahl
nicht beliebig groß werden.
Ein freies Neutron zerfällt in ein Proton und ein Elektron, deshalb gibt es nur eine beschränkte
Zahl stabiler Nuklide. Ein Kern mit zu wenigen Neutronen zerfällt ebenso wie einer mit zu
vielen, bei dem dann die Kernneutronen zerfallen.
Es gibt 3 Arten radioaktiver Strahlung: α-, β- und γ-Strahlung. Schwere Kerne mit
Neutronenmangel sind häufig α-Strahler. Dabei zerfällt der Kern in einen 4He2+-Kern, der
mit 6% der Lichtgeschwindigkeit emittiert wird, und den Restkern. Dieses α-Teilchen
ionisiert Atome und wird durch Einfang von zwei Elektronen zu einem Helium-Atom. Der
Restkern gibt dann seine zwei überschüssigen Elektronen an die ionisierten Atome ab. Kerne
mit Neutronenüberschuss sind β-Strahler. Dabei zerfällt im Kern ein Neutron in ein Proton
und ein Elektron, das mit 96% der Lichtgeschwindigkeit emittiert wird. Auch die β-Teilchen
ionisieren Atome. γ-Strahlung sind elektromagnetische Wellen sehr hoher Frequenz und
werden auch Röntgenstrahlen genannt. Sie breiten sich mit Lichtgeschwindigkeit aus (als
masselose Teilchen können sie das) und werden in Form eines γ-Quants aus Atomkernen
emittiert. γ-Strahlung tritt häufig als Begleitstrahlung zu α- oder β-Strahlung auf. Es gibt noch
weitere Arten des radioaktiven Zerfalls, die aber auf der Erde keine Rolle spielen.[4]
Die Halbwertszeit gibt die Zeit an, in der sich die Hälfte der ursprünglich vorhandenen Atome
eines Radionuklids umwandelt, parallel dazu sinkt auch die Strahlung auf die Hälfte. Aus der
Halbwertszeit lassen sich Rückschlüsse auf das Alter eines Gegenstands ziehen, worauf unter
anderem die C14-Methode basiert.
Zeichen für Radioaktive Strahlung
Aufbau der Hülle
Alle für die Chemie wichtigen Eigenschaften der Atome sind im Aufbau der Elektronenhülle
begründet, so zum Beispiel die chemische Bindung, Färbigkeit oder Lichtdurchlässigkeit.
Isotope haben identische chemische Eigenschaften, da sie identische Elektronenhüllen
besitzen. Das erste Modell der Hülle wurde 1913 von Niels Bohr (1885 - 1962) entwickelt. Er
nahm an, dass die Elektronen vom Kern elektrostatisch angezogen wurden und sich auf
stabilen Kreisbahnen um den Kern bewegten.
Allerdings müssten beschleunigte elektrische Ladungen eigentlich in den Kern fallen, da die
sich auf gekrümmten Bahnen bewegenden Elektronen ihre Energie eigentlich in Form von
elektromagnetischer Strahlung abgeben und damit kinetische Energie verlieren müssten,
weshalb beim Bohrschen Atommodell eine Stabilität der Atome nicht gegeben wäre.
Außerdem widersprechen Elektronen auf Kreisbahnen der Heisenbergschen
Unschärferelation, nach der es unmöglich ist, Ort und Impuls (und damit Energie) eines
Teilchens gleichzeitig genau anzugeben. Dies wäre aber in Bohrs Modell sehr wohl möglich.
Da man über den Energiezustand eines Elektrons sehr genaue Angaben machen muss, wird
deshalb die Angabe des Ortes sehr unscharf.
Bohrsche Atommodell
Niels Bohr (1885 – 1962)
Chemie Referat über
Atome
von
Valentina Brnardic
Klasse W 1 a
Herr Dürr