Glossar Atombau

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Begriffe zum Atombau
Alphastrahlung
Hierbei wird von einem Atomkern ein Alphateilchen emittiert. Dieses ist Ph 9
ein Helium-Atomkern2 (4He2+), bestehend aus zwei Protonen und zwei
Neutronen. Alphastrahlung ist stark ionisierend und hat in Luft eine
Reichweite von wenigen Zentimetern.
Atom
Atome sind die Bausteine der Materie.
Jedes Atom besteht aus einem positiv
geladenen Atomkern und einer negativ
geladenen, im Vergleich zum Kern sehr
leichten Atomhülle. Es gibt über 100
chemische Elemente, deren Atome sich im
Aufbau unterscheiden.
Atome haben etwa einen Radius von einem
Zehnmillionstel Millimeter, also 1010 m. Der
Atomkern ist noch viel kleiner: Sein Radius
beträgt nur etwa ein Hunderttausendstel des Atomradius, also
1015 m. Wäre ein Atom so groß wie ein Fußballstadion, dann wäre
der Kern so groß wie ein Stecknadelkopf. Obwohl der Atomkern so
klein ist, macht seine Masse mehr als 99,9 % der Atommasse aus.
NT(Ph)7
Atomhülle
Die Elektronen umgeben den Atomkern aufgrund der elektrischen
Anziehung und bilden die Atomhülle. Die Anzahl der Elektronen in der
Hülle stimmt bei (ungeladenen) Atomen mit der Protonenzahl im Kern
überein. Elektronen, die sich überwiegend nahe am Kern aufhalten,
sind stark gebunden und heißen innere Elektronen. Die schwächer
gebundenen äußeren Elektronen können sich an chemischen
Reaktionen mit anderen Atomen beteiligen und heißen
Valenzelektronen oder Außenelektronen.
Ph 9
CNTG8
C9
Atomkern
Der Atomkern ist der zentrale, positiv geladene Teil des Atoms, der fast NT(Ph)7
die gesamte Masse des Atoms trägt. Er ist aus Kernbausteinen (Nukle- CNTG8
onen) zusammengesetzt, den Protonen und Neutronen.
C9
Betastrahlung
Von manchen Atomkernen wird beim Zerfall ein Elektron emittiert,
während sich ein Neutron in ein Proton umwandelt (n0 → p+ + e-).
Betastrahlung ionisiert nur schwach und hat in Luft eine Reichweite
von mehreren Metern.
biologische
Strahlenwirkung
Wenn Strahlung von einem Organismus absorbiert wird, können Zellen Ph 9
geschädigt werden. Die schädliche Wirkung hängt stark von den
Eigenschaften und der Energie der Strahlung ab. Bei einer Schädigung
des Erbgutes können auch nachfolgende Generationen betroffen sein.
Elektronen
Elektronen sind die Bausteine der Atomhülle. Sie haben im Vergleich
zum Atomkern eine sehr kleine Masse und tragen eine negative
Elementarladung. In festen Leitern (Metalle, Graphit) ist ein Teil der
Elektronen beweglich.
Element
Chemische Elemente bestehen aus Atomen mit gleicher Protonenzahl CNTG8
(= Ordnungszahl). Die Zahl der Protonen im Kern ist gleich der Zahl
C9
der Elektronen im ungeladenen Atom und bestimmt dessen chemische
Eigenschaften. Die meisten Elemente bestehen aus verschiedenen
Isotopen. Es gibt in der Natur 82 stabile Elemente. Elemente ab der
Ordnungszahl 83 sind radioaktiv. Bis jetzt (August 2008) wurden
Elemente bis zur Ordnungszahl 118 erzeugt.
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CNTG8
C9
Ph 9
Ph 9
NT(Ph)7
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Elementarladung Die Elementarladung e ist der kleinste Betrag der Ladung, die ein
freies Teilchen tragen kann. Die Ladung jedes Teilchens und jedes
Körpers ist stets ein ganzzahliges Vielfaches der Elementarladung. Ihr
Wert ist
e = 0,00000000000000000016022 As = 1,6022·10-19 As.
Typische Träger einer Elementarladung sind das Elektron (eine
negative Elementarladung) und das Proton (eine positive
Elementarladung).
Ph 8
CNTG8
C9
Energieaufnahme/-abgabe
Ein Atom kann Energie aufnehmen und wieder abgeben. Der Betrag
der Energieänderung kann aber nicht jeden beliebigen Wert
annehmen, sondern nur einzelne, für das jeweilige System (z. B. ein
einzelnes Atom) charakteristische Werte, die durch den
Energieunterschied
E
zwischen den
angeregter Zustand
beteiligten
Energiestufen bestimmt
sind. Deshalb treten im
Spektrum der Strahlung
EnergieEnergienur Photonen
aufnahme
abgabe
bestimmter
Energiewerte auf. Es
wird ein diskretes
Spektrum
Grundzustand
(Linienspektrum)
erzeugt.
Erklärung nach dem Energiestufenmodell (Schalenmodell):
Bei der Anregung, z. B. in einer Gasbrennerflamme, können
Elektronen der Atomhülle auf energetisch höhere Schalen wechseln.
Beim Zurückfallen auf eine Schale niedrigerer Energie werden
Photonen abgegeben, deren Energie genau dem Energieunterschied
zwischen den beiden Schalen entspricht. Nach steigender
Energiedifferenz ist das Infrarotstrahlung, sichtbares Licht oder UVStrahlung.
Wenn stark beschleunigte Elektronen auf Metallatome treffen, können
sie Elektronen aus den inneren Schalen herausschlagen. Die dadurch
entstehenden Lücken werden durch Elektronen aus weiter außen
liegenden Schalen aufgefüllt, wobei sehr kurzwellige Strahlung
entsteht, so genannte Röntgenstrahlung.
Ph 9
CNTG8
C9
Energiebilanz,
E = m·c²
Nach Einsteins berühmter Formel E = m·c² sind Masse und Energie
äquivalent. Bei Kernumwandlungen (z. B. Fusion, Spaltung, Zerfall)
werden besonders große Energiebeträge frei. Dabei beobachtet man,
dass die Gesamtmasse der Teilchen nach der Reaktion kleiner ist als
vor der Reaktion.
Beispiel: Bei der Fusion von vier Wasserstoffatomen entsteht ein
Helium-Atom, dessen Masse etwa um 0,7 % kleiner ist als die Summe
der Massen der vier Wasserstoffatome. Die der Massendifferenz
entsprechende Energie wird freigesetzt.
Ph 9
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Energiestufenmodell
(Schalenmodell)
Die Elektronen in der Atomhülle befinden sich auf bestimmten
CNTG8
Energiestufen (Energieniveaus). Diese Energiestufen werden auch als
C9
„Schalen“ bezeichnet. Nach steigender Energie sind dies die K-, L-, M-,
N-, O-, P- und Q-Schale.
Beispiel: Elektronenanordnung (Elektronenkonfiguration) eines
Natrium-Atoms (die Besetzung der Energiestufen erfolgt im
Grundzustand in der Reihenfolge zunehmender Energie):
E
M-Schale
L-Schale
K-Schale
Gammastrahlung Alpha- und Betastrahlung werden oft von der Emission energiereicher Ph 9
Photonen (Gammaquanten) begleitet. Diese Gammastrahlung
unterscheidet sich nur durch ihren Entstehungsprozess und ihre
Photonenenergie von Licht und Röntgenstrahlung. Sie besitzt eine sehr
große Reichweite und ionisiert nur schwach.
Halbwertszeit
Die Halbwertszeit eines Nuklids gibt an, nach welcher Zeit von einer
ursprünglich vorhandenen großen Anzahl von Atomen die Hälfte
zerfallen ist.
Beispiel: Das Cäsiumisotop 137Cs besitzt eine Halbwertszeit von 30
Jahren. Nach 30 Jahren ist noch die Hälfte, nach 60 Jahren ein Viertel
der Cäsiumatome übrig. Die anderen haben sich inzwischen durch
radioaktiven Zerfall in Bariumatome umgewandelt.
Ph 9
Ion
Ionen sind elektrisch geladene Teilchen, die aus Atomen oder
Molekülen durch Aufnahme oder Abgabe von Elektronen entstehen
können. Man unterscheidet zwischen Kationen und Anionen.
 Kationen sind positiv geladene Teilchen, da sie über weniger
Elektronen als Protonen verfügen.
 Anionen sind negativ geladene Teilchen, da sie über mehr
Elektronen als Protonen verfügen.
NT(Ph)7
Isotop
Atome, welche die gleiche Protonenzahl aufweisen und sich lediglich in Ph 9
der Neutronenzahl unterscheiden, verhalten sich chemisch gleich. Man
bezeichnet sie als Isotope eines chemischen Elementes.
Beispiel: 35Cl und 37Cl sind die beiden stabilen Isotope von Chlor.
35
Cl ist ein Nuklid mit 17 Protonen (Chlor: Ordnungszahl 17) und 18
Neutronen. Das Nuklid 37Cl hat ebenfalls 17 Protonen, aber 20
Neutronen.
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CNTG8
C9
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Kernfusion
Bringt man zwei leichte Atomkerne (die nur wenige Protonen und
Ph 9
Neutronen enthalten) dazu, sich zu berühren, so können sie zu einem
neuen Atomkern verschmelzen. Bei solchen Fusionsvorgängen wird
ein im Vergleich zu chemischen Umwandlungen millionenfach größerer
Energiebetrag frei. Die Sonne bezieht ihre Energie aus der in mehreren
Schritten ablaufenden Fusion von Wasserstoffkernen zu Heliumkernen.
Kernspaltung
Atomkerne, die besonders viele Protonen und Neutronen enthalten,
Ph 9
werden durch Absorption (Aufnahme) eines Neutrons instabil und
zerfallen in zwei Bruchstücke. Bei diesem Prozess werden zwei bis
drei Neutronen freigesetzt, die weitere Kerne spalten können
(Kettenreaktion). Bei Spaltprozessen wird ein ähnlich hoher
Energiebetrag wie bei der Kernfusion frei. Dies wird in Kernkraftwerken
genutzt. Leicht spaltbar sind bestimmte Isotope von Uran und
Plutonium.
Molekül
Ein Molekül ist ein Verband von Atomen, die durch chemische
CNTG8
Bindungen (Elektronenpaarbindung) zusammengehalten werden.
C9
Beispiele sind das Wasserstoffmolekül H2 (bestehend aus zwei
Wasserstoffatomen) und das Wassermolekül H2O (bestehend aus zwei
Wasserstoffatomen und einem Sauerstoffatom).
Nuklid
Ein Nuklid ist eine durch die Angabe der Protonenzahl (bzw. des
chemischen Symbols) und der Massenzahl festgelegte Atomsorte.
Gelegentlich wird der Begriff „Nuklid“ auch nur für eine Sorte von
Atomkernen verwendet.
Beispiel: 19F ist ein Nuklid mit 9 Protonen (Fluor: Ordnungszahl 9) und
10 Neutronen.
Ph 9
Orbital
Als Orbital bezeichnet man vereinfacht den Aufenthaltsraum, in dem
ein Elektron oder Elektronenpaar eines Atoms mit einer hohen
Wahrscheinlichkeit anzutreffen ist.
CNTG8
C9
Ordnungszahl
(Z)
Zahl der Protonen in den Atomkernen eines Elements (Protonenzahl,
Kernladungszahl)
Periodensystem
der Elemente
(PSE)
Auflistung der Elemente nach steigender Ordnungszahl, bei der
Elemente mit gleicher Valenzelektronenzahl untereinander in Gruppen
zusammengefasst werden. Nebeneinander stehende Elemente
gehören einer Periode an. Die Periodennummer entspricht der Anzahl
der Energiestufen eines Atoms dieser Periode.
CNTG8
C9
CNTG8
C9
Ausschnitt aus dem (gekürzten) PSE:
Periode
Gruppe
I
II
III
IV
V
VI
VII
VIII
3 (M)
H
Li
Na
Be
Mg
B
Al
C
Si
N
P
O
S
F
Cl
He
Ne
Ar
…
…
…
…
…
…
…
…
…
1 (K)
2 (L)
Glossar zum Themenbereich Atombau
Seite 4 von 6
Photon
Durch elektromagnetische Strahlung wird Energie stets nur portionsweise übertragen. Eine solche Strahlungsportion wird als Photon
bezeichnet. Die verschiedenen Bereiche der elektromagnetischen
Strahlung unterscheiden sich durch ihre Photonenenergie:
Ph 9
zunehmende Photonenenergie
infrarotes
Licht
sichtbares
Licht
UV-Licht
Röntgenstrahlung
Gammastrahlung
Beispiel: Die Photonenenergie von UV-Licht reicht aus, um Hautzellen
zu schädigen. Deshalb kann UV-Licht einen Sonnenbrand auslösen, im
Gegensatz zu sichtbarem Licht.
Proton, Neutron
Atomkerne bestehen aus Protonen und Neutronen (Sammelbegriff
dieser Kernbausteine: Nukleonen). Ein Proton trägt eine positive
Elementarladung, Neutronen sind elektrisch neutral. Protonen und
Neutronen haben jeweils etwa die Masse 1 u (atomare Masseneinheit
1 u = 1,66 10 –27 kg).
Die Summe aus Protonen- und Neutronenzahl heißt Massenzahl des
Atoms. Protonen und Neutronen sind ihrerseits aus noch
elementareren Bausteinen aufgebaut, den Quarks.
Quarks
Protonen und Neutronen sind ihrerseits aus elementaren Teilchen
Ph 9
aufgebaut, die als Quarks bezeichnet werden. Sie tragen die Ladungen
2
/3 e (up-Quark) und 1/3 e (down-Quark), treten aber in gewöhnlicher
Materie nur in Dreiergruppen auf, so dass sich ganzzahlige Vielfache
der Elementarladung ergeben.
Die Existenz dieser TeilProton
Neutron
chen wurde in Experimenten nachgewiesen, bei
 e
denen man zum Beispiel
+ e
Protonen mit sehr schnellen
+ e
+ e
Elektronen beschoss und
die Verteilung der gestreu e
 e
ten Elektronen untersuchte.
Radioaktivität,
Zerfall
Bestimmte Atomkerne zerfallen spontan, d. h. sie wandeln sich ohne
Ph 9
Einwirkung von außen in andere Atomkerne um und senden dabei
Strahlung aus. Diese Erscheinung heißt Radioaktivität. Je nach Art der
emittierten Teilchen unterscheidet man Alpha-, Beta- und
Gammastrahlung.
Glossar zum Themenbereich Atombau
CNTG 8
C9
Ph 9
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Spektrum
Wird elektromagnetische Strahlung durch eine geeignete Vorrichtung
Ph 9
(bei Licht: z. B. Prisma) nach der Photonenenergie aufgetrennt, so
ergibt sich ein Spektrum der Strahlung. Spektren werden oft als
Diagramme dargestellt, bei denen die Intensität gegen die
Photonenenergie aufgetragen ist.
Jede Strahlungsquelle erzeugt ein charakteristisches Spektrum
(Emissionsspektrum). Das Spektrum einer Glühlampe ist kontinuierlich,
d. h. in einem breiten Bereich kommen alle Photonenenergien vor.
Andere Strahlungsquellen (z. B. Gasentladungslampen) erzeugen ein
Linienspektrum, d. h., es sind nur einzelne (diskrete)
Photonenenergien vertreten.
kontinuierliches Spektrum
Intensität
Photonenenergie
Strahlenschutzmaßnahmen
Intensität
Photonenenergie
Um sich vor Strahlenschäden zu schützen, sollte man folgende
Grundregeln beim Umgang mit gefährlicher Strahlung beachten:
- Strahlenquelle (radioaktives Präparat) nicht in den Körper
aufnehmen, also nicht verschlucken oder einatmen.
- Abstand halten.
- Strahlung, wenn unvermeidbar, nur kurze Zeit einwirken lassen.
-
Strahlung
Linienspektrum
Ph 9
Abschirmung verwenden.
Manche Körper bzw. deren Atome senden Energie in Form von
Strahlung aus. Strahlung kann bestehen aus
Ph 9
-
materiellen Teilchen wie Heliumatomkernen (Alphastrahlung) oder
Elektronen (Betastrahlung).
-
Photonen: Sichtbares, Infrarot- oder UV-Licht, aber auch Röntgenund Gammastrahlung fallen in diese Kategorie. Diese Photonenstrahlung nennt man auch elektromagnetische Strahlung.
Valenzelektronen Als Valenzelektronen (Außenelektronen) bezeichnet man die (bis zu 8) CNTG 8
Elektronen der höchsten Energiestufe eines Atoms. Sie können sich an C 9
chemischen Reaktionen beteiligen.
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