• Beitrags-Kategorie:Chemie / Physik
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Schon die alten Griechen fragten sich vor über 2000 Jahren, aus welchen Bestandteilen unsere Welt aufgebaut ist. Schon damals mutmaßte man, dass alle Stoffe aus kleinsten, unteilbaren Teilchen bestehen, die Atome genannt wurden (vom griechischen atomos: unteilbar).

Heute wissen wir, dass Atome tatsächlich existieren und die Eigenschaften der Materie bestimmen. Unteilbar sind sie aber nicht: sie bestehen ihrerseits aus noch kleineren Bestandteilen. In diesem Beitrag werden wir uns den Atomaufbau näher ansehen und die wichtigsten Eigenschaften von Atomen erläutern.

  1. Atome sind die kleinsten Teile chemischer Elemente
  2. Atome bestehen aus einem Kern und einer Hülle
  3. Auch der Atomkern hat einen inneren Aufbau
  4. Einfluss auf das chemische Verhalten
  5. Quiz

Für alle Ungeduldigen gibt es hier die wichtigsten Takeaways:

  • 1/12

    Atome sind die kleinsten Teile eines chemischen Elements.

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  • 2/12

    Atome haben einen massereichen Kern aus Protonen und Neutronen (zusammen: Nukleonen), der von massearmen Elektronen umgeben ist ("Atomhülle").

  • 3/12

    Protonen und Neutronen werden durch die sog. Starke Kraft, die bei kleinen Abständen größer als die elektrische Kraft ist, zusammen gehalten.

  • 4/12

    Ein Proton besitzt eine positive, ein Elektron eine gleich große negative elektrische Elementarladung (ca. \(1,602\cdot 10^{19}\) C). Neutronen tragen keine Ladung, sind also elektrisch neutral.

  • 5/12

    Neutronen sind zur Stabilisierung des Atomkerns wichtig. Je mehr Protonen im Kern, desto mehr Neutronen sind zur Stabilisierung notwendig.

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    Ein neutrales Atom hat gleich viele Protonen und Elektronen.

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    Elektronen werden aufgrund der elektrostatischen Anziehung an den Atomkern gebunden (positive und negative Ladungen ziehen sich an).

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    Die chemischen Elemente unterscheiden sich in der Anzahl ihrer Protonen im Kern bzw. Elektronen in der Hülle.

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    Viele Elemente haben Atome mit einer unterschiedlichen Anzahl von Neutronen im Kern (Isotope). Reinelemente bestehen aus nur einem Isotop.

  • 10/12

    Die Struktur von Protonen und Neutronen hat keinen Einfluss auf das chemische Verhalten eines Elements.

  • 11/12

    Die Neutronen im Atomkern beeinflussen das chemische Verhalten nur wenig (am stärksten bei den leichtesten Elementen).

  • 12/12

    Das chemische Verhalten wird fast ausschließlich durch die Eigenschaften der Elektronenhülle bestimmt.

Atome sind die kleinsten Teile chemischer Elemente

Es gibt reine Stoffe und Gemische. Wasser beispielsweise ist ein reiner Stoff; Felsen, Fleisch oder Milch sind Gemische und bestehen aus verschiedenen reinen Stoffen. Ein Gemisch kann man durch physikalische Verfahren (Destillation, Filtration, Aussortieren etc.) in seine Bestandteile auftrennen, reine Stoffe nicht. Reine Stoffe können jedoch durch chemische Verfahren weiter in unterschiedliche Bestandteile zerlegt werden (Beispiel: Wasser kann durch Elektrolyse in die Gase Wasserstoff und Sauerstoff gespalten werden).

Im Laufe einer sehr langen und komplizierten Entwicklung stellte sich heraus, dass es eine Handvoll reiner Stoffe gibt, die auch mit chemischen Methoden nicht weiter zerlegbar sind. Diese Stoffe, von denen es in der Natur 92 gibt, werden chemische Elemente genannt. Sie bestehen jeweils aus einer einzigen Atomsorte. Die bei der Wasserelektrolyse entstehenden Gase (Wasserstoff und Sauerstoff) sind zwei Beispiele. Aber auch Metalle wie Eisen, Kupfer und Lithium oder der so wichtige Kohlenstoff gehören zu den Elementen.

Elemente haben in der Chemie Abkürzungen: H steht für Wasserstoff (vom griechischen hydrogenium, Wasserbildner), O für Sauerstoff (oxygenium), C für Kohlenstoff (carbonium) etc.

Atomar aufgelöstes Bild einer Graphit-Oberfläche
Kohlenstoffatome von Graphit, aufgenommen mit einem Rastertunnelmikroskop)

Chemische Verbindungen sind dagegen Reinstoffe, deren kleinste Bestandteile Moleküle sind. Moleküle ihrerseits bestehen aus verschiedenen Atomen, die fest miteinander verbunden sind. Ein Wassermolekül besteht beispielsweise aus einem Sauerstoffatom, das mit zwei Wasserstoffatomen fest verbunden ist.

Atome verbinden sich zu Molekülen am Beispiel Wasser
Wassermoleküle bestehen aus einem O- und zwei H-Atomen

Die Atome der 92 Elemente sind also die kleinsten Materie-Bestandteile, die nicht durch chemische Methoden zerlegbar sind. Aus diesen 92 Atomsorten besteht alle Materie: die Sonne, unsere Erde, Pflanzen, Tiere, Menschen – alles!

Inzwischen gibt es noch weitere künstlich hergestellte Elemente, die in der Natur nicht vorkommen. Bekanntestes Beispiel ist das Plutonium, das in Kernreaktoren „erbrütet“ werden kann. Andere künstliche Elemente können in Teilchenbeschleunigern erzeugt werden. Einzelheiten dazu ersparen wir uns an dieser Stelle.

Um es zur Sicherheit noch einmal zu sagen: Bis auf die Elemente bestehen alle reinen Stoffe aus Molekülen und alle Moleküle aus Atomen. So wie literarische Texte aus Wörter und diese aus Buchstaben bestehen.

Buchstaben ↔ Atome
Wörter ↔ Moleküle
Texte ↔ Stoffe

Atome bestehen aus einem Kern und einer Hülle

Ende des 19. Jahrhunderts war ziemlich klar, dass Atome existieren. Klar war auch, dass Atome verschiedener Elemente unterschiedliche Massen haben. Unklar war, wie diese unterschiedlichen Massen zustande kommen. Man wusste auch, dass es verschiedene Elementarteilchen gibt. Zum Beispiel das Elektron, das erheblich weniger Masse als ein Atom und eine negative elektrische Ladung hat und das viel massereichere Alphateilchen mit einer positiven Ladung. Diese Informationen konnte man aus der Bewegung der Teilchen in einem Magnetfeld ableiten (positive und negative bewegte Ladungen werden in entgegengesetzter Richtung abgelenkt und die Ablenkung ist umso größer je weniger Masse die Teilchen haben).

Die Eigenschaften des Elektrons führten zur Vermutung, dass Elektronen Bestandteile der Atome sind. Da Atome elektrisch neutral sind, musste es auch positive Ladungen im Atom geben. Wenn das stimmte, waren Atome doch nicht unteilbar.

Es stellte sich die Frage, wie sich positive und negative Ladungen im Atom verteilen. Man vermutete, dass ein Atom so ähnlich wie ein Rosinenbrötchen aufgebaut ist: negative „Elektronenrosinen“ schwimmen im positiven „Atomteig“.

Rosinenmodell eines Atoms
"Rosinenmodell" des Atoms

Um diese Vermutung zu untersuchen, wurden Alphateilchen auf dünne Goldfolien geschossen (Gold ist ein Element mit sehr schweren Atomen; sehr viel schwerer als Alphateilchen) und die Streuung der Teilchen gemessen. Zur großen Verblüffung der Experimentatoren flogen fast alle Alphateilchen ohne Probleme geradeaus durch die Goldfolie hindurch. Nur wenige wurden aus ihrer Schussrichtung abgelenkt. Noch größer aber war die Verblüffung, dass einige Teilchen sogar zurück gestreut wurden, als wären sie an irgendetwas abgeprallt. Diese Ergebnisse passten nicht zum Rosinenteig-Modell.

Der englische Physiker Ernest Rutherford, der die Experimente durchführte, kam zu folgenden Schlüssen:

  • Es gibt einen kleinen, massereichen Kern im Atom, an dem die Alphateilchen in den seltenen Fällen eines Treffers abprallen können. Aus der Häufigkeit des Abprallens schloss er, dass der Durchmesser des Atomkerns ca. hunderttausendmal kleiner ist als ein Atom!
  • Atome sind ansonsten im Wesentlichen leer (deshalb fliegen die meisten Alphateilchen ungebremst durch die Goldfolie hindurch).
  • Der Kern ist von Elektronen umgeben, die die postitve Kernladung ausgleichen; da Elektronen eine sehr kleine Masse haben, können sie die massereichen Alphateilchen nicht aus ihrer Flugbahn ablenken.
  • Vereinfacht gesagt: Ein Atom sieht nach Rutherford’s Vorstellung so ähnlich aus wie das Sonnensystem: das Sonnensystem ist im Wesentlichen leer, die Sonne entspricht dem Kern und die Elektronen den Planeten. Der Gravitation als anziehende Kraft entspricht die elektrische Anziehung (Coulombkraft) zwischen negativen Elektronen und positivem Kern. Das
    Elektron braucht eine gewisse Geschwindigkeit, um die Anziehung des Kerns durch die Zentrifugalkraft zu kompensieren und dadurch zu verhindern, in den Kern zu stürzen.
Größenvergleich Atomkern mit Atomhülle
Größendimensionen von Atomkern und Atomhülle
Schalenmodell (analog Sonnensystem) eines Atoms

Heute wissen wir, dass die Vorstellung von einem Sonnensystem-ähnlichen Aufbau der Atome nicht ganz richtig ist: Elektronen, die um den Atomkern kreisen, müssten nach den Gesetzen der Elektrodynamik permanent durch Aussendung elektromagnetischer Wellen Energie verlieren und spiralförmig in den Kern stürzen. Atome wären instabil – was sie offensichtlich nicht sind. Dieser Widerspruch wurde erst durch die Entdeckung der Quantenmechanik aufgelöst.

für Besserwisser...

Nur ein paar kurze Andeutungen, wie heutzutage die Atomhülle beschrieben wird:

Die Elektronen werden als Teilchen betrachtet, deren Aufenthaltsort grundsätzlich nicht bekannt sein kann. Es kann nur die Wahrscheinlichkeit angegeben werden, das Elektron in einem gegebenen Volumen anzutreffen (wenn man seinen Ort messen würde/könnte). Die Aufenthaltswahrscheinlichkeit wird durch eine Wellenfunktion beschrieben (daher der Ausdruck Wellenmechanik).

Wenn die Wahrscheinlichkeitswelle um den Atomkern eine stehende Welle ist, befindet sich das Elektron in einem stationärem Zustand (ansonsten würde sich die Wellenform und damit die Aufenthaltswahrscheinlichkeit dauernd ändern). In einem stationären Zustand besitzt das Elektron eine bestimmte Energie und unterliegt nicht den Maxwell’schen Gesetzen (keine Strahlungsemission). Je wahrscheinlicher es ist, das Elektron gemäß seiner Wellenfunktion nahe am Atomkern anzuftreffen, desto niedriger ist seine Energie (kommen sich positive und negative Ladungen näher, wird ihre potentielle Energie aufgrund der Anziehungskraft erniedrigt).

Die Energe der stationären Zustände kann nicht beliebige Werte annehmen. Deshalb ist die Energie der Elektronen – wie man sagt – gequantelt (daher Quantenmechanik). Beim Übergang zwischen zwei stationären Zuständen wird entweder elektromagnetische Strahlung ausgesendet oder absorbiert – je nachdem ob auf eine niedrigere oder höhere Energie gewechselt wird. Das ist der Grund für die Linienspektren von Gasen (z.B. Fraunhoferlinien im Licht der Sonne).

Die Existenz eines sehr kleinen, positiv geladenen Atomkerns, in dem praktisch die gesamte Masse des Atoms steckt und die negativ geladene Elektronenhülle, die die Größe des Atoms bestimmt, entspricht aber nach wie vor der heutigen Vorstellung.

Auch der Atomkern hat einen inneren Aufbau

Mit der Entdeckung eines Atomkerns und der Elektronen in der Atomhülle ist es aber noch nicht getan. Denn während Elektronen nach heutigem Wissen wirklich nicht weiter teilbar sind, besteht der Atomkern aus zwei noch kleineren Teilchensorten: den Protonen und Neutronen. Und auch diese sind noch weiter teilbar. Schauen wir uns das Ganze näher an…

Vergleich Protonen und Neutronen
Vergleich von Protonen und Neutronen

Das Rutherford’sche Atommodell bedeutete, dass im  Atomkern ebenso viele positive Ladungen vorhanden sein müssen wie Elektronen in der Atomhülle. Aufgrund der Kleinheit des Kerns stoßen sich die positiven Ladungen gemäß Coulomb-Gesetz mit enormer Kraft ab. Zwei Protonen im Kern stoßen sich mit 200 N ab; das entspricht der Kraft, die man aufwenden muss um ein 20 kg Gewicht gegen die Schwerkraft halten zu können!

Es ist deshalb völlig klar, dass es eine extrem starke Kraft geben muss, um die Atomkerne stabil zu halten. Man nennt diese Kraft – nahe liegender Weise – Starke Kernkraft. Ihre Reichweite liegt im Bereich des Durchmessers eines Atomkerns. Sie fällt außerhalb des Atomkerns schnell ab, so dass dort die abstoßende Coulombkraft überwiegt. Deshalb ist es so schwierig, in Fussionsreaktoren Wasserstoffkerne miteinander zu verschmelzen, obwohl dabei sehr viel Energie frei wird. Denn es muss erst die Coulombkraft der stoßenden Kerne überwunden werden, bevor die Starke Kernkraft „übernehmen“ und die Protonen aneinander binden kann. In der Natur finden diese Reaktionen nur im Inneren von Sonnen statt, wo extrem hohe Temperaturen für die nötige kinetische Energie der Kerne sorgt, um die Coulomb-Barriere überwinden zu können.

Summe aus Starker Kernkraft und Coulombkraft
Starke Kernkraft und Coulombkraft zweier Protonen addieren sich zur resultierenden Gesamtkraft; bei kleinen Abständen überwiegt die Anziehung, bei größeren die Abstoßung

Doch selbst die Starke Kernkraft würde es nicht schaffen, Atomkerne mit mehreren Protonen stabil zu halten. Hier kommt ein weiteres Elementarteilchen ins Spiel, das Neutron genannt wird und das wie das Proton der Starken Kernkraft unterliegt. Es hat fast die gleiche Masse wie ein Proton, ist aber elektrisch ungeladen. Auch wenn das Bild physikalisch nicht wirklich richtig ist, kann man sich vorstellen, dass sich die Neutronen zwischen die Protonen zwängen und sie so etwas auseinander rücken lassen. Zudem wirkt die Starke Kernkraft auch zwischen Neutronen und Protonen bzw. zwischen Neutronen untereinander, ohne dass die Coulombabstoßung größer wird. Die Protonen werden also auch von den Neutronen im Kern sehr stark angezogen. Sind genügend Neutronen im Kern vorhanden ist die Summe der Starken Kernkräfte zwischen den Nukleonen größer als die Summe der Coulombkräfte zwischen den Protonen und der Kern ist stabil.

Bei großen Atomkernen mit vielen Protonen kommt ein weiterer Effekt hinzu: gegenüber liegende Protonen bzw. Neutronen sind so weit vorneinander entfernt, dass die Starke Kernkraft aufgrund ihrer extrem kleinen Reichweite zwischen ihnen kaum mehr anziehend ist. Die anziehende Starke Kernkraft wirkt also nur bei unmittelbaren Nachbarn. Die Coulombabstoßung ist dagegen noch voll wirksam. In diesen Fällen kann die gesammelte Coulombabstoßung die Wirkung der Starken Kernkraft übersteigen und Atomkerne destabilisieren.

An dieser Stelle kommen wir noch mal auf die 92 Elemente zu sprechen: sie unterscheiden sich durch die Anzahl der Protonen im Kern. Wasserstoff (H) hat nur ein Proton, Helium (He) hat zwei, Kohlenstoff (C) 6, Sauerstoff (O) 8 usw. Uran (U), das schwerste natürlich vorkommende Element, glänzt mit 92 Protonen.

Atomaufbau von H, He, C und O
Atomaufbau von Wasserstoff, Helium, Kohlenstoff und Sauerstoff

Die Frage ist: wieviele Neutronen sind im Atomkern der Elemente vorhanden? In den leichtesten Atomkernen finden sich meist gleich viele Protonen wie Neutronen. Helium hat jeweils 2, Kohlenstoff jeweils 6 und Sauerstoff jeweils 8 Protonen und Neutronen. Sehr schwere Kerne wie Uran weisen dagegen ca. zweieinhalb mal so viele Neutronen wie Protonen auf.

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Übrigens:

Manche Elemente können – bei gleicher Protonenzahl – eine unterschiedliche Zahl von Neutronen im Kern aufweisen. Wasserstoffkerne enthalten meistens kein Neutron. 0,015% der natürlich vorkommenden Wasserstoffatome haben aber zusätzlich ein Neutron im Kern. Und es gibt noch – sehr selten – Wasserstoffatome mit 2 Neutronen (allerdings ist solch ein Kern nicht stabil; er wandelt sich – im Mittel nach ca. 12 Jahren – in einen Heliumkern um, indem eins seiner Neutronen zu einem Proton wird). Zinn ist Rekordhalter unter den Elementen: es besitzt 10 stabile Isotope (Kerne eines Elements mit unterschiedlichen Neutronenzahlen).

Wasserstoffisotope
Vergleich der Kerne von Wasserstoff, Deuterium und Tritium

Um einen Atomkern eindeutig spezifizieren zu können, muss man also die Anzahl der Protonen und der Neutronen angeben. Beide werden übrigens zusammenfassend Nukleonen genannt. Zur Kennzeichnung eines Isotops wird die Protonenzahl unten und die Gesamtzahl der Nukleonen (also Protonen und Neutronen zusammen) oben vor das chemische Symbol geschrieben. Die Differenz der beiden Zahlen ergibt die Neutronenzahl des Isotops.

Wasserstoffisotope
Bezeichnungsweise von Isotopen

Einfluss auf das chemische Verhalten

Das chemische Verhalten eines Elements wird fast ausschließlich durch die Elektronen seiner Atomhülle bestimmt. Durch die Interaktion der Elektronen verschiedener Atome miteinander können diese aneinander gebunden werden und so Moleküle bilden. Warum dies geschieht und durch welche Faktoren die Stärke dieser Bindung beeinflusst wird, kann an dieser Stelle nicht weiter besprochen werden.

Die Neutronen im Kern haben so gut wie keinen Einfluss auf die Bildung und Umwandlung von Molekülen. Denn sie können aufgrund ihrer fehlenden Ladung mit den Elektronen kaum wechselwirken (im Gegensatz zu den geladenen Protonen).

Nur bei den leichtesten Elementen kann die Neutronenzahl aufgrund ihrer Masse eine (kleine) Rolle spielen. Ein Wasserstoffatom mit einem Neutron im Kern hat die doppelte Masse eines „normalen“ Wasserstoffatoms, da es neben dem Proton noch ein gleich schweres Neutron besitzt. Das macht sich auch im chemisch/physikalischen Verhalten bemerkbar (deshalb hat man solchen Wasserstoffatomen einen eigenen Namen gegeben: Deuterium). Bei schweren Atomkernen verändert ein zusätzliches Neutron die Masse des Kerns dagegen prozentual kaum.

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Übrigens:

Ohne auf Details näher einzugehen: Auch Protonen und Neutronen sind keine unteilbaren Teilchen. Sie bestehen aus drei sogenannten Quarks, die durch Kraftteilchen – Gluonen genannt – zusammen gehalten werden. Hier begeben wir uns aber endgültig in den Bereich der Teilchenphysik, was an dieser Stelle ein wenig zu weit führen würde…

Quiz (zur Antwort: anklicken)

Ein Heliumatom mit 4 Nukleonen im Kern (2 Protonen, 2 Neutronen)

Sechs Elektronen, denn ein Kohlenstoffatom hat 6 Protonen (die untere Zahl vor dem C) und muss deshalb 6 Elektronen besitzen, um elektrisch neutral zu sein.

Leichte Alpha-Teilchen fliegen normalerweise durch Goldfolien ungehindert durch; die Goldfolie muss also im Wesentlichen aus leerem Raum bestehen.

Aber: einige Alpha-Teilchen werden sogar zurück gestreut, sie müssen also – gemäß Stoßgesetzen der Mechanik – auf ein massereiches Target getroffen sein.

Anmerkung: Goldatome sind ca. 50 mal massereicher als Alpha-Teilchen; hätte er auf eine Lithiumfolie geschossen, wäre das Ergebnis weniger klar gewesen (Lithiumkerne sind nur wenig schwerer als Alpha-Teilchen).

Atomkerne sind elektrisch positiv geladen. Um sie zu fusionieren, müssen sich die Atomkerne berühren. Dazu muss eine große elekrostatische Abstoßung überwunden werden, wozu sehr hohe Geschwindigkeiten der Kerne notwendig sind. Bei ausreichend hohen Geschwindigkeiten (Temperaturen) kommen sie sich im Stoß nahe genug, um in den Bereich der Starken Kernkraft zu kommen, die nur über Entfernungen im der Größenordnung von Atomkerndurchmessern wirkt. Dann überwiegt die anziehende Starke Kernkraft die elektrostatische Abstoßung (Coulombkraft).