Lexikon: Atom

 

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Bild: Atom.png-Atoms: Zwei en umkreisen einen Kern aus zwei Protonen und zwei en.]]

Das Atom (von griechische Sprache|griechisch άτομο, átomo - unteilbar, unteilbare Person) ist der kleinste Chemie|chemisch nicht weiter teilbare Baustein der Materie. Im engeren Sinne sind Atome Elektrizität|elektrisch neutral, jedoch werden oft auch Ionen unter dem Begriff Atom gefasst. Atome bestehen aus einem Atomkern mit positiv geladenen Protonen und elektrisch neutralen en und einer Atomhülle aus negativ geladenen en.

Atome gleicher Anzahl der Protonen, der Kernladungszahl, gehören zu demselben Chemisches Element|Element. Bei neutralen Atomen ist Anzahl von Protonen und Elektronen gleich. Die physikalischen Eigenschaften der Atomhülle bestimmen das chemische Verhalten eines Atoms. Atome gleicher Kernladungszahl besitzen dieselbe Atomhülle und sind damit chemisch nicht unterscheidbar.

Nahezu die gesamte von uns wahrnehmbare, unbelebte und belebte Materie in unserer irdischen Umgebung besteht aus Atomen oder Ionen. Kosmologisch betrachtet stellt diese Materieform jedoch nur einen gewissen Anteil neben , aus dem die e bestehen, der Neutronenmaterie von Neutronensternen und evtl. einer noch hypothetischen Dunkle Materie|Dunklen Materie bislang unbekannter Natur.

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 Nukleon|Nukleonen, Proton|Protonen und – außer beim -Isotop 11H – aus Neutron|Neutronen. Die Atomhülle besteht aus Elektron|Elektronen.

Im Atomkern konzentriert sich fast die gesamte Masse (Physik)|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 Nanometer|nm, also 0,0000000001 m bis 0,0000000005 m. Innerhalb des Periodensystems nehmen die Atomradien von links nach rechts ab und von oben nach unten zu. Allerdings besteht kein linearer Zusammenhang zwischen der Protonenzahl (und damit der ) und dem Atomradius.

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

Siehe auch: ,

Siehe auch: Atommodell

Kategorisierung und Ordnung

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

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

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

Bei den meisten chemische Reaktion|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 unterscheidet man Atomsorten nach der Zahl der Protonen und Neutronen, da diese eine unterschiedliche 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 Nuklid|Nuklide.

Das kleinste Atom ist das Wasserstoff|Wasserstoffatom mit nur einem Proton im Atomkern. Eines der schwersten Atome ist das Uran-Atom mit 92 Protonen im Atomkern (siehe ). 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 beschäftigt sich mit den Atomen und ihren chemische Verbindung|Verbindungen, den Molekül|Molekülen. Dies setzt auch genaue Kenntnisse über die Struktur der Atomhülle voraus.

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


Geschichte

Siehe auch: Atomismus und Atommodell

Die Geschichte der Idee des Atoms beginnt im Geschichte Griechenlands|antiken Griechenland um 400 vor Christus.

  • um 400 vor Christus - Demokrit und das Teilchenmodell
Demokrit, ein altgriechischer Gelehrter, äußerte als erster die Vermutung, dass die Welt aus unteilbaren Teilchen - (griechisch a-tomos = unteilbar) Atomen - bestände. Daneben gäbe es nur leeren Raum. Alle Eigenschaften der Stoffe ließen sich, nach Meinung Demokrits, auf die Abstoßung und Anziehung dieser kleinen Teilchen erklären. Diese Idee wurde von den Zeitgenossen Demokrits abgelehnt, da man damals die Welt als etwas göttliches ansah. Demokrits philosophischer Kontrahent war vor allem Empedokles, der die Lehre von den vier Elementen Feuer, Erde, Luft und Wasser begründete. Demokrits Vorschlag blieb fast 2 Jahrtausende unbeachtet.
  • um 1400 - Die Alchemisten - Gold kann nicht hergestellt werden
Auch wenn die Alchemie|Alchemisten in ihren Versuchen, aus niederen Stoffen (wie etwa Blei) Gold herzustellen, scheiterten, leisteten sie Vorarbeit für die spätere experimentelle Physik und Chemie.
  • 1803 - John Dalton - Atomtheorie der Elemente
Der englische Chemiker John Dalton griff als erster wieder die Idee von Demokrit auf. Aus konstanten Mengenverhältnissen bei chemischen Reaktionen schließt Dalton darauf, dass immer eine bestimmte Anzahl von Atomen miteinander reagiert.
  • 1896 entdeckt Henri Becquerel die Radioaktivität, und stellt fest, dass sich Atome umwandeln können.
  • 1897 - Joseph John Thomson - Entdeckung des Elektrons
Bei einem Versuch mit Strom stellte der britische Physiker Joseph John Thomson|Thomson fest, dass Strahlen in Vakuumröhren aus kleinen Teilchen bestehen. Damit war ein erster Bestandteil der Atome gefunden, obwohl man von der Existenz der Atome immer noch überzeugt war. Eine Besonderheit war die Entdeckung vor allem deshalb, weil man dachte, Strom wäre eine Flüssigkeit.
  • 1898 - Marie und Pierre Curie - Radioaktivität
Immer mehr Forscher beschäftigten sich mit den kleinsten Teilchen. Die Curies untersuchten unter anderem Uran, das sie aus Pechblende gewannen. Die Uran-Atome zerfallen unter Abgabe von Wärme und Strahlen, die man als Radioaktivität (von radius = Strahl) bezeichnet. Marie Curie erkannte, dass sich Elemente bei diesem Zerfall verwandeln. (Die Radioaktivität wurde 1896 von Henri Becquerel entdeckt.)
  • 1900 - Ludwig Boltzmann - Atomtheorie
Ludwig Boltzmann|Boltzmann war ein theoretischer Physiker, der die Ideen von Demokrit umsetzte. Er berechnete aus der Idee der Atom-Existenz einige Eigenschaften von Gasen und Kristallen. Da er allerdings keinen experimentelle Beweis lieferte, waren damals seine Ideen umstritten.
  • 1900 - Max Planck - Quanten
Der Berliner Physiker Max Planck|Planck untersuchte die Schwarzkoerperstrahlung. Bei der theoretischen, thermodynamischen Begruendung seiner Formel führte er die sog. Quanten ein und wurde somit zum Begründer der Quantenphysik.
  • 1906 - Ernest Rutherford - Experimente
Der Physiker Ernest Rutherford ging im Gegensatz zu Boltzmann und Planck experimentell auf die Suche nach den Atomen. 1906 entdeckte er mit dem Rutherfordsches Experiment|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 Atomkern|Atomkerns ab. Ferner konnte er ermitteln, dass der Atomkern die positive Ladung, die Atomhülle eine entsprechende negative Ladung trägt. So entdeckte er das Proton.
  • 1913 - Niels Bohr - Schalenmodell
Aus dem Rutherfordsches Atommodell|rutherfordschem Atommodell entwickelte der dänische Physiker Niels Bohr ein planetenartiges Bohrsches Atommodell|Atommodell. Danach bewegen sich die Elektronen auf bestimmten Bahnen um den Kern, wie Planeten die Sonne umkreisen. Die Bahnen werden auch als Schalen bezeichnet. Das besondere daran war, dass die Abstände der Elektronen-Bahnen streng-mathematischen Gesetzmäßigkeiten folgen.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 Reaktion|chemische Reaktionen erklären lassen als auch die n 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-Sommerfeldsches Atommodell|bohr-sommerfeldsche Atommodell erklärt viele chemische und physikalische Eigenschaften von Atomen.
  • 1929 - Ernest O. Lawrence - Der erste Teilchenbeschleuniger, das Zyklotron
Um Informationen über den Aufbau der Atomkerne zu bekommen, wurden die Kerne mit Strahlen beschossen. Um nicht auf die schwache natürliche Strahlung angewiesen zu sein, entwickelte Lawrence das Zyklotron. Geladene Teilchen wurden auf kreisförmigen Bahnen beschleunigt.
  • 1932 - Paul Dirac und David Anderson - Antimaterie
Der theoretische Physiker Paul Dirac fand eine Formel, mit der sich die Beobachtungen der Atomphysik beschreiben lassen. Allerdings setzte diese Formel die Existenz von Antimaterie|Anti-Teilchen voraus. Diese Idee stieß auf heftige Kritik, bis der amerikanische Physiker Carl David Anderson|Anderson in der kosmischen Strahlung das Positron nachweisen konnte. Dieses Anti-Teilchen zum Elektron hat eine positiver Ladung aber die gleiche Masse wie ein Elektron. Treffen ein Teilchen und sein Anti-Teilchen zusammen, zerstrahlen sie sofort als Energie gemäß der Formel E = m*c2. 1932 wurde dann noch das von dem englischen Physiker James Chadwick entdeckt.
  • 1933 - Marie und Pierre Curie - Materie aus dem Nichts
Eher zufällig beobachten die Eheleute Curie, dass sich nicht nur Masse in Energie umwandeln lässt. In einem Experiment verwandelte sich ein Lichtstrahl in ein Elektron und ein Positron.
  • 1938 - Otto Hahn und Lise Meitner - Die erste Kernspaltung
Der deutsche Chemiker Otto Hahn|Hahn, ein Schüler Rutherfords, untersuchte weiter die Atomkerne. Dazu beschoß er Uran-Atome mit Neutronen und erhielt Cäsium und Rubidium oder Strontium und . Was eigentlich passierte konnte er nicht erklären. Dies gelang jedoch seiner Mitarbeiterin Lise Meitner, die aufgrund ihrer jüdischen Religion vor den Nazis nach Schweden geflohen war. Sie stellte fest, dass die Summe der Kernteilchen (Protonen und Neutronen) bei den Produkten der des Urans entspricht. Hahn erhielt dafür den , erwähnte seine Mitarbeiterin aber mit keinem Wort.
  • 1938 - Hans Bethe - Kernfusion in der Sonne
Neben zahlreichen Beiträgen zum Aufbau der Atome erforschte der in Straßburg geborene Hans Bethe|Bethe die Energieproduktion in Sternen. Er stellte fest, dass in unserer Sonne zwei Wasserstoff-Atomkerne miteinander verschmelzen, während in größeren und helleren Sternen Kohlenstoff-Kerne in die schwereren Stickstoff-Kerne verwandelt werden. Bethe arbeitete auch in Los Alamos mit, wurde aber nach dem Krieg ein engagierter Gegner von Massenvernichtungswaffen, so wandte er sich auch an den späteren amerikanischen Präsidenten Clinton
  • 1942 - Enrico Fermi - Der erste Kernreaktor
Der italienische Physiker Enrico Fermi|Fermi erkannte die Möglichkeit, die Kernspaltung für eine Kettenreaktion zu nutzen. Die bei der Spaltung von Uran freiwerdenden Neutronen, konnten für die Spaltung weiterer Kerne verwendet werden. Damit legte Fermi die Grundlagen, sowohl für die kriegerische Nutzung der Kernenergie in Atombomben als auch friedliche Nutzung in Kernreaktoren. Fermi baute den ersten funktionierenden Kernreaktor.
  • 1942 - Werner Heisenberg - Atomforschung für die Nazis
Die Nazis beauftragten den Physiker Werner Heisenberg|Heisenberg eine Atombombe zu entwickeln. Durch einen Rechenfehler misslang ihm dies aber. Bei der Berechnung der kritischen Masse verrechnete er sich um den Faktor 1000.
  • 1942 - Albert Einstein und Leo Szilard - Roosevelt soll die Atombome bauen
Eigentlich hat Albert Einstein|Einstein selber nicht zum Bau der Atombombe beigetragen. Er unterstützte aber einen Brief an den amerikanischen Präsidenten Franklin_D._Roosevelt|Roosevelt, dass die Entwicklung der Atombombe unbedingt vor den Nazis entwickelt werden solle. Auch der ungarische Universalgelehrte Leo Szilard|Szilard erkannte die Gefahr, die von einer deutschen Atombombe ausging. Er lieferte zwar wichtige Ideen für den Bau der Atombombe, war aber an deren Entwicklung in Los Alamos nicht beteiligt. Auch später warnte Szilard noch vor dem Gebrauch der Atombombe.
  • 1945 - J. Robert Oppenheimer - Die erste Atombombe
Oppenheimer war der Organisator, der in Los Alamos die besten Physiker und Ingenieure versammelte. So gelang es innerhalb kürzester zeit der Bau einer Atombombe, das Manhattan-Projekt. Nach dem Einsatz der Atombombe in Hiroshima wurde Oppenheimer zum Gegner von Atombomben.
  • 1952 - Edward Teller - Die Wasserstoffbombe
Der ungarische Physiker Edward Teller|Teller war Mitarbeiter von Oppenheimer. Allerdings hatte er eine weitergehende Idee. Er wollte eine Bombe auf der Basis der Kernfusion bauen, die Bethe in der Sonne nachgewiesen hat. Aus Angst vor dem Kommunismus wurde Teller zu einem Rüstungsfanatiker und entwickelte die Wasserstoffbombe.
  • 1960 - Donald A. Glaser - Die Blasenkammer
Nach dem Kriegsende konzentrierte sich die Forschung auf den Aufbau der Elementarteilchen. Mit der Entwicklung der Blasenkammer hatte man nun eine Möglichkeit, die kleinsten Teilchen, die in Teilchenbeschleunigern entstanden, zu "sehen".
  • 1964 - Murray Gell-Mann - Die Quarks
Mit Hilfe der Blasenkammer konnte auf einmal eine riesige Anzahl an bisher unsichtbaren Teilchen sichtbar gemacht werden, die Widersprüche zu der bisherigen Physik darstellte. Um dies zu erklären, postulierte der Physiker Gell-Mann Grundbausteine, aus denen die Kernbausteine aufgebaut sein sollen. Mittlerweile gibt es sehr viele Indizien für die Existenz der Quark (Physik)|Quarks, auch wenn sie einzeln nicht zu beobachten sind.
  • 1978 - Der Fusionreaktor
Um die riesigen Mengen an Energie zu nutzen, die bei einer Kernfusion|Kernverschmelzung (Kernfusion) frei werden, versuchte man, die Fusionsenergie gezielt zu nutzen. Die Kernfusion|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
  • 1995 - Eric Cornell, Wolfgang Ketterle und Carl Wiemann - Das Bose-Einstein-Kondensat
In einem ultrakalten Gas aus Rubidium-Atomen wird erstmals ein Bose-Einstein-Kondensat hergestellt, ein bereits von Albert Einstein|Einstein vorhergesagter Zustand der Materie.
  • 2000 - CERN - Das Higgs-Boson
Das Kernforschunngszentrum CERN in Genf forscht in ihrem Beschleuniger nach dem Higgs-Boson, das als Erlöser-Teilchen bezeichnet wird und dessen Existenz die bestehenden Theorien zur Elementarteilchenphysik bestätigen soll. Bisher gibt es keine eindeutigen experimentellen Belege für die Existenz des Higgs-Bosons.
  • 2002 - Brookhaven - seltsame Materie
Im Schwerionenbeschleunigerring RHIC im amerikanischen Brookhaven prallen Goldionen hoher Energie aufeinander. Dabei sollen sie für extrem kurze Zeit und in einem sehr kleinen Raumbereich ein Quark-Gluonen-Plasma erzeugen. Dies ist ein Zustand der Materie, der heute in der Natur nicht mehr vorkommt, aber vermutlich unmittelbar nach dem Urknall existierte.

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. Jahrhundert v. Chr.|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

  • Atomabsorption
  • Atombombe
  • Atomwaffe
  • Atomgewicht
  • Elementarteilchen
  • Heisenbergsche Unschärferelation
  • Kernmodell
  • Kernreaktion|Kernreaktionen
  • Liste von Mineralen
  • Nebelkammer
  • Quantenphysik
  • Strahlenschutz
  • Superatome
  • Teilchendetektor
  • Teilchenquelle
  • Wechselwirkung

Weblinks


Kategorie:Atomphysik

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