Atom

Atome (von griechisch ά-τομο, á-tomo, unteilbar) sind die kleinsten chemisch nicht weiter teilbaren Bausteine der Materie. Im engeren Sinne sind sie elektrisch neutral, jedoch werden zusätzlich auch geladene Ionen oft unter dem Begriff Atom gefasst. Atome einer Sorte nennt man chemisches Element. Sie sind die heute mit Abstand am meisten verbreitete Form der Materie.

Beschaffenheit

Aus Atomen (und Ionen) besteht nahezu die ganze uns sichtbare Materie, d.h sowohl Lebewesen, Sterne und alle uns bekannten Materialien.

Aufbau

Ein Atom besteht aus einer Hülle und einem im Vergleich zu seinem Gesamtvolumen winzigen Kern. Die Atomhülle (Elektronenhülle) hat mit einem Radius von etwa 10^-10 m einen ungefähr zehntausendfach größeren Radius als der Atomkern (r = 10^-14 m).

Zur Veranschaulichung: würde man ein Atom auf die Größe einer Kathedrale aufblähen, so entspräche der Kern der Größe einer Fliege (allerdings wäre eine solche Fliege vieltausendfach schwerer als die Kathedrale selbst). Der Atomkern nimmt nur etwa ein Millionstel eines Milliardstels des Gesamtvolumens eines Atoms ein.

Der Atomkern besteht aus den so genannten Nukleonen, Protonen und – außer beim Wasserstoff-Isotop H₁¹ – aus Neutronen. Die Atomhülle besteht aus Elektronen.

Im Atomkern konzentriert sich fast die gesamte Masse des Atoms. Die Elektronen tragen eine negative elektrische Ladung und die Protonen eine positive, wodurch sie sich gegenseitig anziehen. Die Neutronen sind elektrisch neutral und haben eine geringfügig größere Masse als die Protonen.

Kenndaten

Atome sind in erster Näherung kugelförmig und haben eine Größe von 0,1 bis 0,5 nm, also 0,0000001 bis 0,0000005 mm. Innerhalb des Periodensystems nehmen die Atomradien von links nach rechts und von oben nach unten zu. Allerdings besteht kein linearer Zusammenhang zwischen der Protonenzahl (und damit der Ordnungszahl) und dem Atomradius.

Ihre Masse beträgt abhängig von der Massenzahl zwischen 10^-24 und 10^-22 g.

Siehe auch: Mol, Periodensystem

Siehe auch: Atommodell bvjghjghjghjghjghjhjghj

Kategorisierung und Ordnung

Die Anzahl der Protonen in einem Atom ist die Kernladungszahl oder auch Ordnungszahl (Stellung des Elements im Periodensystem der chemischen Elemente), die Summe der Protonen und Neutronen die Massenzahl.

Atome mit der gleichen Anzahl an Protonen werden dem gleichen chemischen Element zugeordnet.

Atome mit der gleichen Protonenzahl aber unterschiedlichen Neutronenzahlen nennt man Isotope, sie gehören dem gleichen chemischen Element an.

Bei den meisten chemischen Reaktionen spielt die Anzahl der Neutronen keine Rolle. Wichtig ist die Anzahl der Neutronen im Bereich der Strahlungslehre.

Natürlich vorkommende Elemente sind meist ein Gemisch aus verschiedenen Isotopen.

In der Kernphysik unterscheidet man Atomsorten nach der Zahl der Protonen und Neutronen, da diese eine unterschiedliche Radioaktivität aufweisen. Meist sind nur ein oder zwei Isotope eines Elements stabil, die anderen zerfallen radioaktiv. Von einigen Elementen gibt es auch überhaupt kein stabiles Isotop. Atom(kerne) mit gleicher Zahl an Protonen und Neutronen bezeichnet man als Nuklide.

Das kleinste Atom ist das Wasserstoffatom mit nur einem Proton im Atomkern. Eines der schwersten Atome ist das Uran-Atom mit 92 Protonen im Atomkern (siehe Periodensystem). Das schwerste Atom, dessen Herstellung in entsprechenden Experimenten bisher gelungen ist, ist das Ununoctium-Atom mit 118 Protonen im Atomkern (Stand Aug.2004). Es ist jedoch extrem kurzlebig.

Allgemeines

Die Chemie beschäftigt sich mit den Atomen und ihren Verbindungen, den Molekülen. Dies setzt auch genaue Kenntnisse über die Struktur der Atomhülle voraus.

Die Physik beschäftigt sich unter anderem mit dem Aufbau der Atomhülle (Atomphysik), dem Aufbau der Atomkerne aus Elementarteilchen (Kernphysik) und weiter mit den Eigenschaften der Elementarteilchen (Elementarteilchenphysik).

Geschichte

Siehe auch: Atomismus und Atommodell

Die Geschichte der Idee des Atoms beginnt im antiken Griechenland um 400 vor Christus. Der griechische Philosoph Demokritos (Demokrit) nahm an, dass alles Stoffliche aus kleinsten, unteilbaren Teilchen besteht (daher heute auch: a-tomos - gr. unteilbar).

In seiner Vorstellung gab es aber zum Beispiel Apfelatome und Fleischatome, außerdem hielt er die Poren in Äpfeln oder der Haut für diese Atome.

Sein philosophischer Kontrahent war Empedokles, der die Lehre von den vier Elementen Feuer, Erde, Luft und Wasser begründete.

Demokritos' Lehre gewann kaum Anhänger und wurde erst um 1800 von John Dalton wieder aufgenommen und 1808 mit seiner Atomhypothese ausformuliert.

Bis ins 20. Jahrhundert hielt man dann Atome für massive Kugeln, die unteilbar sind.

Erst 1896 entdeckte Henri Becquerel die Radioaktivität, und stellte fest, dass sich Atome umwandeln können.

Man erkannte auch, dass Atome positive und negative elektrische Ladungen in sich vereinen, und 1897 wurde das Elektron nachgewiesen.

Der Physiker Ernest Rutherford entdeckte 1906 mit dem rutherfordschen Experiment, dass Atome nicht massiv sind, ja sogar im Grunde fast gar keine Substanz besitzen. (Damit ist das Wort "Atom" für das, was es bezeichnet, im Grunde falsch. Es wurde aber beibehalten.)

Aus dem Experiment leitete Rutherford bis 1911 die genaue Größe eines Atoms, also der Atomhülle und der Größe des Atomkerns ab. Ferner konnte er ermitteln, dass der Atomkern die positive Ladung, die Atomhülle eine entsprechende negative Ladung trägt. So entdeckte er das Proton.

Der dänische Physiker Niels Bohr entwickelte aus dem rutherfordschem Atommodell 1913 das bohrsche Atommodell. Demzufolge kreisen die Elektronen in geregelten, kreisrunden Bahnen um den Atomkern, wie Planeten um eine Sonne.

Die Bahnen besitzen verschiedene Radien, und jede Bahn besitzt eine maximale Kapazität für Elektronen. Atome streben Bohr zufolge an, dass alle Bahnen komplett besetzt sind.

Damit haben sich sowohl viele chemische Reaktionen erklären lassen als auch die Spektrallinien des Wasserstoffs.

Da sich das Modell für komplexere Atome als unzureichend erwies, wurde es 1916 von Bohr und dem deutschen Physiker Arnold Sommerfeld insofern verbessert, als man nun für bestimmte Elektronen exzentrische, elliptische Bahnen annahm.

Inzwischen weiß man, dass sich die Elektronen in so genannten Orbitalen aufhalten. Das bohr-sommerfeldsche Atommodell erklärt viele chemische und physikalische Eigenschaften von Atomen.

1932 wurde dann noch das Neutron von dem englischen Physiker James Chadwick entdeckt.

Die erste Kernspaltung (Kernfission) wurde 1938 von den Deutschen Otto Hahn, Fritz Straßmann und Lise Meitner durchgeführt.

Die Kernverschmelzung (Kernfusion) gelang erstmals mit Teilchenbeschleunigern. Derzeit laufen Versuche, Kernfusionsreaktoren herzustellen , bislang konnte aber nur für sehr kurze Zeit mehr Energie gewonnen werden, als in den Prozess hineingesteckt wurde (siehe auch: ITER).

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 388680738X, S. 255)

Literatur

Bernhard Bröcker u.a.: dtv Atlas Atomphysik: Tafeln und Texte. 6. Aufl. 1997. ISBN 3-423-03009-7.

Siehe auch

Weblinks

"Kraftmikroskopie zeigt einzelne Atome" von Peter Rösch (P.M.)