Atom

Das Atom ist die Grundeinheit der Materie. Es ist das kleinste Ding, das eine chemische Eigenschaft haben kann. Es gibt viele verschiedene Arten von Atomen, jedes mit seinem eigenen Namen, seiner eigenen Atommasse und seiner eigenen Größe. Diese verschiedenen Atome werden als chemische Elemente bezeichnet. Die chemischen Elemente sind im Periodensystem organisiert. Beispiele für Elemente sind Wasserstoff und Gold.

Atome sind sehr klein, aber die genaue Größe hängt vom jeweiligen Element ab. Atome haben eine Breite von 0,1 bis 0,5 Nanometer. Ein Nanometer ist etwa 100.000 Mal kleiner als die Breite eines menschlichen Haares. Das macht es unmöglich, Atome ohne spezielle Werkzeuge zu sehen. Wissenschaftler verwenden Experimente, um zu lernen, wie sie funktionieren und mit anderen Atomen interagieren.

Atome verbinden sich zu Molekülen: zum Beispiel verbinden sich zwei Wasserstoffatome und ein Sauerstoffatom zu einem Wassermolekül. Wenn sich Atome miteinander verbinden, spricht man von einer chemischen Reaktion.

Atome bestehen aus drei Arten von kleineren Teilchen, den Protonen (die positiv geladen sind), Neutronen (die keine Ladung haben) und Elektronen (die negativ geladen sind). Die Protonen und Neutronen sind schwerer und bleiben in der Mitte des Atoms. Sie werden als Kern bezeichnet. Sie sind von einer Wolke von Elektronen umgeben, die sehr leicht sind. Sie werden durch die elektromagnetische Kraft von der positiven Ladung des Kerns angezogen.

Die Anzahl der Protonen und Elektronen, die ein Atom besitzt, sagt uns, um welches Element es sich handelt. Wasserstoff zum Beispiel hat ein Proton und ein Elektron; das Element Schwefel hat 16 Protonen und 16 Elektronen. Die Anzahl der Protonen ist die Ordnungszahl. Mit Ausnahme von Wasserstoff hat der Kern auch Neutronen. Die Anzahl der Protonen und Neutronen zusammen ist das Atomgewicht.

Atome bewegen sich in ihrer Gasform (weil sie sich frei bewegen können) schneller als in flüssiger Form und fester Materie. In festen Stoffen sind die Atome dicht nebeneinander gepackt, so dass sie schwingen, sich aber nicht bewegen können (es gibt keinen Platz), wie es bei Atomen in Flüssigkeiten der Fall ist.

Radioaktiver Zerfall

Einige Elemente und viele Isotope haben einen so genannten instabilen Kern. Das bedeutet, dass der Kern entweder zu groß ist, um sich selbst zusammenzuhalten, oder zu viele Protonen oder Neutronen hat. In diesem Fall muss sich der Kern von der überschüssigen Masse oder den Teilchen befreien. Er tut dies durch Strahlung. Ein Atom, das dies tut, kann als radioaktiv bezeichnet werden. Instabile Atome bleiben so lange radioaktiv, bis sie genug Masse/Teilchen verlieren, um stabil zu werden. Alle Atome oberhalb der Ordnungszahl 82 (82 Protonen, Blei) sind radioaktiv.

Es gibt drei Haupttypen von radioaktivem Zerfall: Alpha-, Beta- und Gamma-Zerfall.

  • Alpha-Zerfall ist, wenn das Atom ein Teilchen mit zwei Protonen und zwei Neutronen ausschiesst. Dies ist im Wesentlichen ein Heliumkern. Das Ergebnis ist ein Element mit der Ordnungszahl zwei weniger als zuvor. Wenn zum Beispiel ein Berylliumatom (Ordnungszahl 4) den Alphazerfall durchlaufen würde, würde es zu Helium (Ordnungszahl 2) werden. Alpha-Zerfall tritt auf, wenn ein Atom zu groß ist und etwas Masse loswerden muss.
  • Betazerfall ist, wenn sich ein Neutron in ein Proton oder ein Proton in ein Neutron verwandelt. Im ersten Fall schießt das Atom ein Elektron heraus. Im zweiten Fall ist es ein Positron (wie ein Elektron, aber mit einer positiven Ladung). Das Endergebnis ist ein Element mit einer um eine Ordnungszahl höheren oder niedrigeren Ordnungszahl als zuvor. Beta-Zerfall tritt ein, wenn ein Atom entweder zu viele Protonen oder zu viele Neutronen hat.
  • Gammazerfall ist, wenn ein Atom einen Gammastrahl oder eine Gammawelle aussendet. Er tritt ein, wenn sich die Energie des Atomkerns ändert. Dies geschieht gewöhnlich, nachdem ein Kern bereits den Alpha- oder Beta-Zerfall durchlaufen hat. Es gibt keine Änderung der Masse oder der Ordnungszahl oder des Atoms, nur der im Kern gespeicherten Energie.

Jedes radioaktive Element oder Isotop hat eine so genannte Halbwertszeit. So lange dauert es, bis die Hälfte einer Probe von Atomen dieses Typs zerfällt, bis sie zu einem anderen stabilen Isotop oder Element werden. Große Atome oder Isotope mit einem großen Unterschied zwischen der Anzahl von Protonen und Neutronen haben daher eine lange Halbwertszeit, weil sie mehr Neutronen verlieren müssen, um stabil zu werden.

Marie Curie entdeckte die erste Form der Strahlung. Sie fand das Element und nannte es Radium. Sie war auch die erste weibliche Empfängerin des Nobelpreises.

Frederick Soddy führte ein Experiment durch, um zu beobachten, was beim Zerfall des Radiums geschieht. Er steckte eine Probe in eine Glühbirne und wartete, bis sie zerfällt. Plötzlich erschien Helium (mit 2 Protonen und 2 Neutronen) in der Glühbirne, und bei diesem Experiment entdeckte er, dass diese Art von Strahlung eine positive Ladung hat.

James Chadwick entdeckte das Neutron, indem er Zerfallsprodukte verschiedener Arten radioaktiver Isotope beobachtete. Chadwick bemerkte, dass die Ordnungszahl der Elemente niedriger war als die gesamte Atommasse des Atoms. Er kam zu dem Schluss, dass die Elektronen nicht die Ursache für die zusätzliche Masse sein konnten, da sie kaum Masse haben.

Enrico Fermi, benutzte die Neutronen, um sie auf Uran zu schießen. Er entdeckte, dass Uran viel schneller als gewöhnlich zerfiel und eine Menge Alpha- und Betateilchen produzierte. Er glaubte auch, dass Uran in ein neues Element umgewandelt wurde, das er Hesperium nannte.

Otto Hanh und Fritz Strassmann wiederholten das Experiment von Fermi, um zu sehen, ob das neue Element Hesperium tatsächlich geschaffen wurde. Dabei entdeckten sie zwei neue Dinge, die Fermi nicht beobachtet hatte. Bei der Verwendung von vielen Neutronen würde sich der Atomkern spalten und dabei viel Wärmeenergie erzeugen. Auch die Spaltprodukte des Urans wurden bereits entdeckt: Thorium, Palladium, Radium, Radon und Blei.

Fermi bemerkte dann, dass bei der Spaltung eines Uranatoms weitere Neutronen abgeschossen werden, die dann andere Atome spalten, wodurch Kettenreaktionen entstehen. Er erkannte, dass dieser Prozess als Kernspaltung bezeichnet wird und riesige Mengen an Wärmeenergie erzeugen kann.

Genau diese Entdeckung der Fermi's führte zur Entwicklung der ersten Atombombe mit dem Codenamen "Trinity".

Struktur und Teile

Teile

Das komplexe Atom setzt sich aus drei Hauptteilchen zusammen: dem Proton, dem Neutron und dem Elektron. Das Isotop des Wasserstoffs Wasserstoff-1 hat keine Neutronen, nur das eine Proton und das eine Elektron. Ein positives Wasserstoffion hat keine Elektronen, nur das eine Proton und das eine Neutron. Diese beiden Beispiele sind die einzigen bekannten Ausnahmen von der Regel, dass alle anderen Atome mindestens je ein Proton, ein Neutron und ein Elektron haben.

Elektronen sind bei weitem die kleinsten der drei Atomteilchen, ihre Masse und Größe ist zu klein, um mit der heutigen Technologie gemessen werden zu können. Sie haben eine negative Ladung. Protonen und Neutronen sind von ähnlicher Größe und Gewicht, Protonen sind positiv geladen und Neutronen haben keine Ladung. Die meisten Atome haben eine neutrale Ladung; da die Anzahl der Protonen (positiv) und Elektronen (negativ) gleich ist, gleichen sich die Ladungen zu Null aus. Bei Ionen (unterschiedliche Anzahl von Elektronen) ist dies jedoch nicht immer der Fall, und sie können eine positive oder eine negative Ladung haben. Protonen und Neutronen bestehen aus Quarks, und zwar aus zwei Typen: Up-Quarks und Down-Quarks. Ein Proton besteht aus zwei up-Quarks und einem down-Quark, und ein Neutron besteht aus zwei down-Quarks und einem up-Quark.

Kern

Der Kern befindet sich in der Mitte eines Atoms. Er setzt sich aus Protonen und Neutronen zusammen. Normalerweise stoßen sich in der Natur zwei Dinge mit der gleichen Ladung ab oder schießen voneinander weg. Deshalb war es für die Wissenschaftler lange Zeit ein Rätsel, wie die positiv geladenen Protonen im Kern zusammenbleiben konnten. Sie lösten dieses Rätsel, indem sie ein Teilchen namens Gluon fanden. Sein Name kommt von dem Wort Leim, da Gluonen wie Atomleim wirken und die Protonen mit Hilfe der starken Kernkraft zusammenhalten. Es ist diese Kraft, die auch die Quarks zusammenhält, aus denen die Protonen und Neutronen bestehen.

Die Anzahl der Neutronen im Verhältnis zu den Protonen bestimmt, ob der Kern stabil ist oder einen radioaktiven Zerfall durchläuft. Wenn es zu viele Neutronen oder Protonen gibt, versucht das Atom, die Zahlen gleich zu machen, indem es die zusätzlichen Teilchen loswird. Es tut dies, indem es Strahlung in Form von Alpha-, Beta- oder Gamma-Zerfall aussendet. Kerne können sich auch durch andere Mittel verändern. Bei der Kernspaltung spaltet sich der Kern in zwei kleinere Kerne auf, wobei viel gespeicherte Energie freigesetzt wird. Diese Energiefreisetzung ist es, die die Kernspaltung für die Herstellung von Bomben und Elektrizität in Form von Kernkraft nutzbar macht. Der andere Weg, auf dem sich Kerne verändern können, ist die Kernfusion, bei der sich zwei Kerne zu einem schwereren Kern verbinden oder verschmelzen. Dieser Prozess erfordert extreme Energiemengen, um die elektrostatische Abstoßung zwischen den Protonen zu überwinden, da sie die gleiche Ladung haben. Solche hohen Energien sind am häufigsten bei Sternen wie unserer Sonne anzutreffen, bei der Wasserstoff als Brennstoff verschmolzen wird.

Elektronen

Elektronen umkreisen den Kern oder reisen um ihn herum. Man nennt sie die Elektronenwolke des Atoms. Sie werden durch die elektromagnetische Kraft zum Kern hin angezogen. Elektronen haben eine negative Ladung und der Kern hat immer eine positive Ladung, so dass sie sich gegenseitig anziehen. Um den Kern herum sind einige Elektronen weiter außen als andere, in verschiedenen Schichten. Diese werden Elektronenhüllen genannt. Bei den meisten Atomen hat die erste Schale zwei Elektronen, und alle weiteren haben acht. Ausnahmen sind selten, aber sie kommen vor und sind schwer vorhersehbar. Je weiter das Elektron vom Kern entfernt ist, desto schwächer ist die Anziehungskraft des Kerns auf den Kern. Aus diesem Grund reagieren größere Atome mit mehr Elektronen leichter mit anderen Atomen. Der Elektromagnetismus des Kerns ist nicht stark genug, um ihre Elektronen festzuhalten, und Atome verlieren Elektronen an die starke Anziehungskraft kleinerer Atome.

Ein Diagramm, das die Hauptschwierigkeit der Kernfusion zeigt, nämlich die Tatsache, dass Protonen, die positive Ladungen haben, sich gegenseitig abstoßen, wenn sie zusammengedrängt werden.
Ein Diagramm, das die Hauptschwierigkeit der Kernfusion zeigt, nämlich die Tatsache, dass Protonen, die positive Ladungen haben, sich gegenseitig abstoßen, wenn sie zusammengedrängt werden.

Geschichte

Das Wort "Atom" kommt aus dem Griechischen (ἀτόμος) "atomos", unteilbar, von (ἀ)-, nicht, und τόμος, ein Schnitt. Die erste historische Erwähnung des Wortes Atom stammt aus Werken des griechischen Philosophen Demokrit um 400 v. Chr. Die Atomtheorie blieb bis zur Entwicklung der Chemie in den 1650er Jahren ein überwiegend philosophisches Thema, das kaum wissenschaftliche Untersuchungen oder Studien hervorbrachte.

1777 definierte der französische Chemiker Antoine Lavoisier zum ersten Mal den Begriff Element. Er sagte, ein Element sei jede Grundsubstanz, die mit den Methoden der Chemie nicht in andere Stoffe zerlegt werden könne. Jede Substanz, die zerlegt werden konnte, war eine Verbindung.

Im Jahr 1803 schlug der englische Philosoph John Dalton vor, dass Elemente winzige, feste Kugeln aus Atomen sind. Dalton glaubte, dass alle Atome desselben Elements die gleiche Masse haben. Er sagte, dass Verbindungen entstehen, wenn sich Atome von mehr als einem Element verbinden. Nach Dalton verbinden sich in einer bestimmten Verbindung die Atome der Elemente der Verbindung immer auf die gleiche Weise.

Im Jahr 1827 betrachtete der britische Wissenschaftler Robert Brown Pollenkörner in Wasser unter seinem Mikroskop. Die Pollenkörner schienen zu wackeln. Brown benutzte Daltons Atomtheorie, um Muster in der Art zu beschreiben, wie sie sich bewegten. Dies wurde als Brown'sche Bewegung bezeichnet. 1905 bewies Albert Einstein mit Hilfe der Mathematik, dass die scheinbar zufälligen Bewegungen durch die Reaktionen von Atomen verursacht wurden, und damit bewies er schlüssig die Existenz des Atoms. 1869 veröffentlichte der russische Wissenschaftler Dmitrij Mendelejew die erste Version des Periodensystems. Das Periodensystem gruppiert die Elemente nach ihrer Ordnungszahl (wie viele Protonen sie haben). Diese ist normalerweise gleich der Anzahl der Elektronen). Elemente in derselben Spalte oder Periode haben normalerweise ähnliche Eigenschaften. Zum Beispiel befinden sich Helium, Neon, Argon, Krypton und Xenon alle in derselben Spalte und haben sehr ähnliche Eigenschaften. All diese Elemente sind Gase, die keine Farbe und keinen Geruch haben. Sie sind auch nicht in der Lage, sich mit anderen Atomen zu verbinden und Verbindungen zu bilden. Zusammen werden sie als die Edelgase bezeichnet.

Der Physiker J.J. Thomson war der erste Mensch, der die Elektronen entdeckte. Dies geschah, während er 1897 mit Kathodenstrahlen arbeitete. Er erkannte, dass sie im Gegensatz zu Protonen (positiv) und Neutronen (keine Ladung) eine negative Ladung haben. Thomson schuf das Pflaumenpuddingmodell, das besagt, dass ein Atom wie Pflaumenpudding ist: die getrockneten Früchte (Elektronen) stecken in einer Masse von Pudding (Protonen). Im Jahr 1909 benutzte ein Wissenschaftler namens Ernest Rutherford das Geiger-Marsden-Experiment, um zu beweisen, dass sich der größte Teil eines Atoms in einem sehr kleinen Raum befindet, der als Atomkern bezeichnet wird. Rutherford nahm eine Fotoplatte, bedeckte sie mit Goldfolie und schoss dann Alphateilchen (aus zwei Protonen und zwei Neutronen, die aneinander haften) auf sie. Viele der Teilchen gingen durch die Goldfolie hindurch, was bewies, dass Atome meist leerer Raum sind. Die Elektronen sind so klein, dass sie nur 1% der Masse eines Atoms ausmachen.

1913 führte Niels Bohr das Bohr-Modell ein. Dieses Modell zeigte, dass sich Elektronen auf festen kreisförmigen Bahnen um den Kern bewegen. Dieses Modell war genauer als das Rutherford-Modell. Es war jedoch immer noch nicht ganz richtig. Seit seiner Einführung wurden Verbesserungen am Bohr'schen Modell vorgenommen.

1925 fand der Chemiker Frederick Soddy heraus, dass einige Elemente des Periodensystems mehr als eine Art von Atom besitzen. Zum Beispiel sollte jedes Atom mit 2 Protonen ein Heliumatom sein. Normalerweise enthält ein Heliumkern auch zwei Neutronen. Einige Heliumatome haben jedoch nur ein Neutron. Das bedeutet, dass sie wirklich Helium sind, weil ein Element durch die Anzahl der Protonen definiert ist, aber sie sind auch kein normales Helium. Soddy nannte ein Atom wie dieses, mit einer anderen Neutronenzahl, ein Isotop. Um den Namen des Isotops zu erhalten, schauen wir uns an, wie viele Protonen und Neutronen es in seinem Kern hat, und fügen dies zum Namen des Elements hinzu. Ein Heliumatom mit zwei Protonen und einem Neutron heißt also Helium-3, und ein Kohlenstoffatom mit sechs Protonen und sechs Neutronen heißt Kohlenstoff-12. Als er seine Theorie entwickelte, konnte Soddy jedoch nicht sicher sein, dass Neutronen tatsächlich existieren. Um zu beweisen, dass sie real waren, schuf der Physiker James Chadwick zusammen mit einem Team von anderen das Massenspektrometer. Das Massenspektrometer misst tatsächlich die Masse und das Gewicht einzelner Atome. Damit bewies Chadwick, dass Neutronen existieren müssen, um das gesamte Gewicht des Atoms zu bestimmen.

Der deutsche Chemiker Otto Hahn schuf 1937 als erster Mensch die Kernspaltung in einem Labor. Er entdeckte dies zufällig, als er Neutronen auf ein Uranatom schoss, in der Hoffnung, ein neues Isotop zu erzeugen. Er bemerkte jedoch, dass sich das Uran anstelle eines neuen Isotops einfach in ein Bariumatom verwandelte, ein kleineres Atom als das Uran. Offenbar hatte Hahn das Uranatom "gebrochen". Dies war die weltweit erste aufgezeichnete Kernspaltungsreaktion. Diese Entdeckung führte schließlich zur Entwicklung der Atombombe.

Im weiteren Verlauf des 20. Jahrhunderts vertieften sich die Physiker in die Geheimnisse des Atoms. Mit Hilfe von Teilchenbeschleunigern entdeckten sie, dass Protonen und Neutronen eigentlich aus anderen Teilchen, den sogenannten Quarks, bestehen.

Das bisher genaueste Modell stammt aus der Schrödinger-Gleichung. Schrödinger erkannte, dass die Elektronen in einer Wolke um den Kern herum existieren, die Elektronenwolke genannt wird. In der Elektronenwolke ist es unmöglich, genau zu wissen, wo sich die Elektronen befinden. Die Schrödinger-Gleichung wird verwendet, um herauszufinden, wo sich ein Elektron wahrscheinlich befindet. Dieser Bereich wird als das Orbital des Elektrons bezeichnet.

Ernest Rutherford
Ernest Rutherford

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