2.2: Atomare Strukturen

Überblick

Die gesamte Materie des Universums besteht aus Atomen. Sie stellen die kleinsten individuellen Einheiten der Elemente dar. Jedes Atom ist aus drei subatomaren Bausteinen zusammengesetzt: Protonen, Neutronen und Elektronen. Diese drei Teilchen machen zusammen die Masse und die Ladung eines Atoms aus.

Die Geschichte der Atomtheorie

Der griechische Philosoph Demokrit um ca. 450 v. Christus postulierte als erster, dass alles auf der Erde aus winzigen Partikeln besteht. Er benutzte dafür den Begriff Atomos, griechisch für “unteilbar”. Von diesem Wort lässt sich der moderne Begriff “Atom” ableiten. Seine Idee wurde seinerzeit jedoch nicht ernst genommen und fand kaum Beachtung. Es dauerte viele Jahrhunderte, bis der Begriff des Atoms wieder aufgegriffen wurde. Im 19. Jahrhundert schlug John Dalton die Atomtheorie vor. Sie gilt auch heute noch als weitgehend richtig. Er formulierte fünf Postulate, um zu erklären, wie Atome die Welt um uns herum aufbauen: (1) alle Materie besteht aus unendlich vielen kleinen Teilchen oder Atomen; (2) alle Atome eines bestimmten Elements sind miteinander identisch und (3) unterscheiden sich von den Atomen aller anderen Elemente; (4) zwei oder mehr Elemente können sich in einem festen Verhältnis zu einer Verbindung zusammensetzen; und (5) Atome können nicht in einer chemischen Reaktion erzeugt oder zerstört werden. Sie können jedoch neu angeordnet werden und neue Substanzen bilden.

Die Entdeckung subatomarer Partikel, aus denen Atome bestehen

Dalton hatte nur teilweise Recht mit den Teilchen, aus denen die Materie besteht. Während Atome durch gewöhnliche chemische oder physikalische Prozesse nicht weiter zerlegt werden können, sind sie aus drei kleineren subatomaren Teilchen zusammengesetzt. Der erste Hinweis für diese subatomaren Strukturen wurde zum Ende des 19. Jahrhunderts gefunden. Zu diesem Zeitpunkt entdeckte J.J. Thomson das Elektron. Die Wissenschaftler wussten, dass die Gesamtladung eines Atoms neutral war, Thomsons “Plum-Pudding-Modell” versuchte jedoch, diese neue Information mit der Existenz eines negativ geladenen Teilchens in Einklang zu bringen. Es deutete darauf hin, dass Elektronen in einem Bereich mit positiver Ladung gefunden werden. Nur ein paar Jahre später führte Ernest Rutherford ein Experiment durch, das zeigte, dass der größte Teil der Masse eines Atoms im Kern konzentriert ist. Die Protonen machen dabei die positive Ladung eines Atoms aus und die kleinen, negativ geladenen Elektronen nehmen den größten Teil außerhalb des Kerns ein. Dies widerlegte Thomsons Plum-Pudding-Modell und brachte die Wissenschaftler dem heute bekannten Modell des Atoms einen Schritt näher. Das Neutron wurde 1932 von James Chadwick entdeckt. Das finden dieses letzten Puzzleteils bedeutete, dass die Wissenschaftler nun die gesamte Masse eines Atoms mit Protonen und Neutronen und seine gesamte Ladung mit Protonen und Elektronen nachweisen konnten.

Die Struktur eines Atoms

Protonen befinden sich im Kern eines Atoms, haben eine positive Ladung und eine Masse von einer atomaren Masseneinheit (AMU). Die Anzahl der Protonen ist gleich der Ordnungszahl des Periodensystems und bestimmt die Zusammensetzung des Elements. Auch Neutronen befinden sich im Kern. Sie haben keine Ladung, besitzen aber die gleiche Masse wie Protonen und tragen somit zur Atommasse eines Atoms bei. Elektronen umkreisen den Kern in Teilchenwolken. Sie haben eine negative Ladung und eine unbedeutend kleine Masse, und tragen daher nur zur Gesamtladung eines Atoms bei, aber nicht zu seiner Masse.

Elemente sind Substanzen mit einzigartigen physikalischen und chemischen Eigenschaften, die durch chemische Reaktionen nicht in andere Substanzen zerlegt werden können. Jedes Element, wie etwa Kalium, besteht aus einem einzigartigen Atomtyp, der sich von den Atomen anderer Elemente unterscheidet. Diese Unterschiede finden sich in den subatomaren Partikeln, aus denen jedes Atom besteht.

Zwei dieser Partikeltypen sind in einem zentralen Kern gebündelt. Protonen sind positiv geladen, während Neutronen ungeladen sind; neutral. Während beide zur Masse beitragen und jeweils eine Atommasseneinheit tragen, bestimmt die Anzahl der Protonen das spezifische Element, das als Ordnungszahl bezeichnet wird.

Elektronen, eine dritte Art von subatomaren Teilchen, sind negativ geladen und bewegen sich schnell in einer Wolke um den Kern. Diese Wolke ist größtenteils ein leerer Raum und macht den größten Teil des Volumens eines Atoms aus. Elektronen bleiben in der Nähe des Kerns, weil sie von der positiven Ladung der Protonen angezogen werden.

Im Allgemeinen enthält ein Atom eine gleiche Anzahl von Protonen und Elektronen, wodurch die positiven und negativen Ladungen aufgehoben werden, was zu keiner Nettoladung führt. Abhängig von der Elektronenkonfiguration können sie jedoch als einzelne Atome instabil sein. In diesem Fall können sie Elektronen verlieren und positiv geladene Ionen, sogenannte Kationen, werden oder Elektronen gewinnen und negativere Anionen werden.