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Das Atom

Atome sind klein, winzig klein - das hat sich in den letzten Jahrtausenden herumgesprochen: Die Sache mit den Atomen ist eine uralte Idee, die bis zu den Griechen der Antike zurückreicht. Wie klein Atome aber wirklich sind und welche Eigenschaften sie tatsächlich haben, das konnte erst die Physik im 20. Jahrhundert klären.

Dieses Dossier gibt einen Überblick darüber, wie groß - bzw. klein - Atome wirklich sind. Es zeigt, wie man sie sich in der heutigen Physik vorstellt und wie man sie sortieren kann. Und es macht mit ein paar der Köpfe bekannt, die dieses Wissen zusammengetragen haben. Viel Spaß dabei!

Erst mit den modernen Rastertunnelmikroskopen gelangen vor rund 20 Jahren Schnappschüsse der kleinsten Materieteilchen. Gerade der Winzigkeit wegen ist das eine große Sache für die Forschung: Der Physik-Nobelpreis 1986 ging an die „Atom-Fotografen”. Und obwohl solche Abbildungen wissenschaftlich spektakulär sind, können sie immer noch nicht den noch viel kleineren Atomkern zeigen - die eigentliche Quelle der Kernenergie.

Auf dem Bild erkennt man Ketten aus einzelnen Kobalt-Atomen. Der Abstand zwischen den Kobalt-Ketten beträgt nur etwa 2 mal 10 hoch minus neun Meter.

Ahnengalerie der Atomforscher

Die Idee, dass Materie aus kleinsten Teilen besteht, hatten schon über 400 Jahre vor Christi Geburt griechische Philosophen wie Empedokles und Demokrit.

Bild anklicken, um mehr über den einzelnen Forscher zu erfahren.

 

Demokrit John Dalton Joseph John Thomson Antoine Henri Becquerel
Ernest Rutherford Niels Bohr Otto Hahn Murray Gell-Mann
Wie klein darf's denn sein?

Gehen wir mal von einem Millimeter aus - also etwa der Größe von Reiskörnern. Die kann man noch ohne Mühe mit bloßem Auge sehen. Versuchen wir in unserer Vorstellung jetzt noch einmal, ein solches Reiskorn in 1.000 gleiche Teile aufzuteilen. Jedes dieser Reis-Teilchen misst dann folglich etwa ein Tausendstel Millimeter (auch Mikrometer genannt). Die Winzlinge haben nun etwa die Ausmaße von Bakterien und sind nur grade noch mit dem Lichtmikroskop erkennbar, besser natürlich mit dem Elektronenmikroskop.

Doch Atome sind noch viel kleiner - im Vergleich zu Atomen sind Mikroben Riesen!

Wenn wir einen der Reissplitter im Mikrobenformat noch mal in 1.000 gleiche Teilchen zerlegen könnten, dann stoßen wir zu einer neuen Längeneinheit vor: Dem Nanometer. Größere Moleküle, etwa Eiweiße, haben Durchmesser von rund 50 Nanometern. Um unsere gedankliche Reise zu den Atomen fortzusetzen, müssen wir einen der Nano-Splitter unseres Reiskorns noch mal zerteilen, und zwar in zehn gleiche Teile! Das Ergebnis - 0,1 Nanometer - entspricht dann fast dem Durchmesser eines Wasserstoffatoms.

Wer es lieber mit vielen Nullen mag - Wasserstoff-Atome, also die einfachsten Atome überhaupt, haben entsprechend dem Bohr'schen Atommodell einen Durchmesser von 0,000 000 000 106 Meter. Angenommen, die schier endlose Zerteilung des Reiskorns wäre wirklich möglich: Würden wir dann auf so etwas wie „Reis-Atome” stoßen? Natürlich nicht! Atome sind nur die kleinsten Teile bestimmter Stoffe, nämlich der chemischen Elemente, zu denen später noch etwas gesagt wird.

Wie sind Atome aufgebaut?

Heute weiß man, dass Atome aus einem Atomkern in der Mitte und einer weiter außen gelegenen Hülle bestehen. Der Kern enthält positive Teilchen, die Protonen. Die Hülle besteht dagegen aus den negativen Elektronen.

Unterschiedliche Ladungen ziehen sich bekanntlich an. Dieser Anziehungskraft wirkt die Zentrifugalkraft der den Atomkern umkreisenden Elektronen entgegen. Aus größerer Entfernung erscheinen Atome elektrisch neutral, denn beide Ladungsarten gleichen sich aus.

Hülle und Kern unterscheiden sich stark in ihrer Größe: Würde man die Atomhülle auf das Format einer Kathedrale aufblähen, dann erreicht der ebenfalls vergrößerte Kern lediglich das Ausmaß eines Kirschkerns! Trotzdem enthält der Winzling fast die gesamte Masse des Atoms. Er beherbergt außer den Protonen zusätzlich die Neutronen. Sie sind zwar elektrisch neutral, ähneln dafür aber in ihrer Masse ihren positiven Kern-Kollegen.

Das Größenverhältnis von Atomhülle und Atomkern ist bemerkenswert. Der Durchmesser der Hülle beträgt etwa 10 hoch minus 10 m, der Durchmesser des Kerns etwa 10 hoch minus 14 m. Der Kern ist also etwa 10.000-mal kleiner als die Hülle. Zur Veranschaulichung dieses Verhältnisses kann man das Atom in Gedanken auf das 10 hoch 12-fache vergrößern. Die Hülle hätte dann einen Durchmesser von 100 m, der Kern wäre aber nur 1 cm groß. 


Bildquelle: Kernenergie Basiswissen

Nähert man sich von außen einem Kohlenstoff-Atom, dann begegnet man zuerst den sechs Elektronen der Atomhülle (schwarz). Weiter innen – im Zentrum des Atoms – sitzt der winzige Atomkern, der hier im Vergleich zur Hülle stark vergrößert dargestellt ist. Dort sind auf engstem Raum Protonen (rot) und Neutronen (weiß) vereint. Die sechs positiven Protonen und die sechs negativen Elektronen gleichen sich normalerweise elektrisch aus: Das Atom ist nach außen neutral.

Atommodelle

Auch, wenn Naturforscher seit langem die Welt der Atome erforschen: Im Detail hat noch niemand ein Atom gesehen, dazu sind die Dinger einfach zu klein. Mit Experimenten schafften die Forscherinnen und Forscher aber trotzdem, immer genauere Vorstellungen von den Atomen zu entwickeln.

Von Rutherfords Streuexperiment...

Einen grundlegenden Versuch führte Ernest Rutherford 1911 durch. Sein „Rutherfordsches Streuexperiment” zeigte, dass Atome einen kleinen positiven Kern haben, der außen von einer negativen Hülle umgeben wird. Ein wichtiger Schritt gelang mit dem Atommodell von Niels Bohr. Der dänische Forscher stellte sich Elektronen auf Umlaufbahnen um den Atomkern vor - ähnlich den Planeten auf ihren Umlaufbahnen um unsere Sonne.

...zu den Quanteneffekten

Doch die Experimente zeigten: Atome haben oft überraschende Eigenschaften, die in unserer Alltagswelt unbekannt sind. Die Entdeckung solcher Quanteneffekte führte im 20. Jahrhundert zu einem Umbruch der modernen Physik hin zur Quantenphysik, die heute die anerkannte Methode zum Verständnis der Atome ist. Danach stellt man sich die Elektronen nicht mehr als Mini-Kügelchen auf Planetenbahnen vor - sie nehmen vielmehr so genannte Orbitale ein.

Atommodelle im Vergleich

Während Bohr und seine Kollegen früher annahmen, Atome sähen aus wie kleine Sonnensysteme (die Elektronen kreisen wie Planeten um den Kern, links), stellt man sich Atome heute mit Hilfe der Orbitaldarstellung (rechts) vor. Orbitale sind Raumbereiche um den Atomkern, in denen die Elektronen mit genau berechenbaren Wahrscheinlichkeiten anzutreffen sind. Mit der Quantenphysik lassen sich auch Phänomene wie die Verbindung von Atomen zu Molekülen, also die chemische Bindung, erklären.

 

Elektronen auf Planetenbahnen - das Atommodell von Bohr

Auf dem Weg zur modernen Atomphysik spielte Niels Bohr eine wichtige Rolle. In dem Modell des dänischen Physikers sehen Atome aus wie kleine Planetensysteme: Die Elektronen sausen auf Kreisbahnen um den Atomkern. Mit dieser Annahme konnte Bohr eine Serie von Linien im Licht des Wasserstoff-Atom erklären („Balmer-Linien”, nach dem Schweizer Forscher Johan Balmer).
 

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Für die seltsamen Linien, die man sieht, wenn man das betreffende Licht in seine Farben zerlegt, gab es damals keine plausible Erklärung. Bohr forderte also, die Elektronen sollen auf bestimmten stabilen Bahnen den Kern umrunden. Jede Bahn bedeutet eine bestimmten Energiestufe. Beim Übergang von einer zur anderen Bahn wird der Unterschied an Energie als Licht einer ganz bestimmten Wellenlänge frei. Mit seinem Modell konnte er 1913 die Energien der Balmer-Serie genau berechnen: Ein zunächst sehr überzeugender Start für sein Atommodell.
 

Sind Elektronen im Atom also Mini-Planeten?

Bohr war mit seinem Modell, das später auch auf elliptische Elektronenbahnen erweitert wurde, anfangs sehr erfolgreich - nicht nur, weil es die Wasserstoff-Spektrallinien gut erklärte, sondern auch, weil es so anschaulich war. Planetenbahnen? Damit kannten sich die Physiker Anfang des 20. Jahrhunderts bestens aus. Die Positionen der Planeten ließen sich schon seit langem genau berechnen. Warum sollten sich die Elektronen im Atom nicht ganz ähnlich verhalten?

Doch genauer betrachtet reicht diese Ähnlichkeit gar nicht so weit. Planeten können auf beliebigen Kreisbahnen die Sonne umrunden. Bohr hatte für seine Elektronen dagegen nur ganz bestimmte Kreisradien zugelassen. Nur so konnte er die Linien im Wasserstoffspektrum deuten. Diese besonderen Bahnen sollten „strahlungsfrei” sein. Er meinte damit, die Elektronen könnten stabil auf diesen Bahnen um den Kern sausen, ohne Energie abzustrahlen.

Warum tat er das?

Weil Bohr als Physiker wusste, dass Ladungen - und Elektronen sind ja bekanntlich elektrisch negativ - Strahlung aussenden, wenn sie sich beschleunigt bewegen. Und auf die Elektronen wirkt die Kreisbeschleunigung beim Umlauf um den Kern. Das wiederum hätte aber zur Folge, dass sie Energie verlieren und letztendlich in den Kern stürzen müssten. Schon eine Überschlagsrechnung zeigt, dass bereits in winzigen Sekundenbruchteilen dieser Absturz erfolgen würde. Da es dazu aber offensichtlich nicht kommt, forderte er für seine Bahnen die Strahlungsfreiheit, eine Verletzung der damals unangefochten gültigen Elektrodynamik. Bohrs Problem blieb aber, dass er diesen Verstoß gegen die etablierte Physik mit seinem Modell nicht erklären konnte.

Heute ist die Idee Bohrs der Elektronen, die den Kern auf Bahnen umkreisen, durch die Orbitale der Quantenphysik abgelöst. Vom Bahnbegriff haben sich die Physiker bezüglich der Elektronen verabschiedet.

Rezept für chemische Elemente: Das Periodensystem

Atom ist nicht gleich Atom: Sie unterscheiden sich in der Anzahl der Protonen und Neutronen im Kern und der Elektronen in der Hülle.

Man sortiert daher Atome in einem „Periodensystem” nach steigender Protonenzahl (Ordnungszahl). Wasserstoff hat nur ein Proton, er belegt also den ersten Platz oben links. Im Element Neon (zweite Reihe ganz rechts) finden sich dagegen schon zehn Protonen, seine Ordnungszahl ist folglich 10. Das letzte natürliche Element ist Uran. In seinem Kern drängen sich 92 Protonen.

Sortierung nach chemischen Eigenschaften

Für die Chemie spielt der Atomkern aber nur eine Nebenrolle: Mit seiner Kernladung legt er die Anzahl der Hüllen-Elektronen fest. Denn für jedes hinzugefügte Proton muss auch ein Hüllen-Elektron her - insgesamt ist das Atom schließlich elektrisch neutral. Chemisch verwandte Elemente stehen im Periodensystem unter einander. Die Verwandten des Neon, also, Helium, Argon, Krypton und Xenon sind eingefleischte Singles. Sie gehen als Edelgase keine chemischen Bindungen ein.

Das Periodensystem

Immer schön der Reihe nach: Im Periodensystem sind die Elemente nach aufsteigender Protonenzahl sortiert. Alle Elemente mit den Ordnungszahlen 95 und höher sind künstlich hergestellte Elemente. Einige Elemente - Technetium, Promethium, Astat, Neptunium und Plutonium - wurden zuerst künstlich hergestellt. Später wurde auch ihr natürliches Vorkommen nachgewiesen.

PeriodensystemLivermoriumFleroviumCoperniciumRoentgeniumDarmstadtiumMeitneriumHassiumBohriumSeaborgiumDubniumRutherfordiumLawrenciumNobeliumMendeleviumFermiumEinsteiniumCaliforniumBerkeliumCuriumAmericumPlutoniumNeptuniumUranProtactiniumThoriumActiniumRadiumFranciumRadonAstatPoloniumBismutBleiThalliumQuecksilberGoldPlatinIridiumOsmiumRheniumWolframTantalLutetiumYtterbiumThuliumErbiumHolmiumDysprosiumTerbiumGadoliniumEuropiumSamariumPromethiumNeodymPraseodymCerHafniumLanthanBariumCaesiumXenonIodTellurAntimonZinnIndiumCadmiumSilberPalladiumRhodiumRutheniumTechnetiumMolybdänNiobZirkoniumYttriumStrontiumRubidiumKryptonBromSelenArsenGermaniumGalliumZinkKupferNickelCobaltEisenManganChromVanadiumTitanScandiumCalciumKaliumArgonChlorSchwefelPhosphorSiliciumAluminiumMagnesiumNatriumNeonFluorSauerstoffStickstoffKohlenstoffBorBerylliumHeliumLithiumWasserstoff

Einsame Singles: Die Edelgase

In den senkrechten Spalten des Periodensystems, „Gruppen” genannt, haben die Elemente sehr ähnliche chemische Eigenschaften. Warum ist das so? Hauptgrund: Die gleiche Anzahl von Valenzelektronen, also den Elektronen der äußersten Elektronenschale. Bei Edelgasen ist diese Valenzschale voll besetzt. Was heißt das?

Kein Platz in der Valenzschale

Die Natur verbietet es, beliebig viele Elektronen in die Elektronenschalen eines Atoms zu packen. Vielmehr gibt es für jede Schale eine Höchstzahl, mit der die Schalen gefüllt werden können. Die erste Schale im Atom kann maximal zwei Elektronen aufnehmen. Ist diese gerade voll und gibt es keine weiteren Elektronen im Atom, dann ist das einfachste Edelgas entstanden: das Helium.

Stabil, aber einsam

Die zweite Schale fasst schon acht Elektronen. Mit den beiden aus der ersten Schale braucht es also zehn Elektronen für die nächste Edelgas-Konfiguration, nämlich die des Neon. Die Edelgas-Gruppe steht im Periodensystem ganz rechts, alle Elemente dieser Gruppe haben voll besetzte Valenzschalen: Es zeigt sich, das volle Elektronenschalen besonders stabil sind. Deshalb gehen Edelgase nur schwer chemische Bindungen mit anderen Stoffen ein. Sie sind die Singles im Periodensystem. Stimmt die Chemie? Elektronen gehen Bindungen ein. Anders als die Edelgase ist die Gruppen der Alkalimetalle für ihre Bindungsfreudigkeit bekannt. Dazu gehören Lithium, Natrium und Kalium….

Wer wird Atomphysiker?

Nun haben wir ein Bild davon, wie Physikerinnen und Physiker sich die Atome vorstellen: Als Kerne aus Protonen und Neutronen, umgeben von „Elektronenorbitalen”, in denen sich die Elektronen wahrscheinlich aufhalten.

Und wir wissen, dass es mehrere Atommodelle gibt: Etwa die Vorstellung von Niels Bohr, Atome seien aufgebaut wie winzige Sonnensysteme, mit einer Sonne (dem Atomkern) in der Mitte und Planeten drumherum. Dieses Bild hat aber weitgehend ausgedient.

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