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Grundlagen der Atomphysik - Atomaufbau

Allgemeines:
Das Verständnis über den Atomaufbau ist für die meisten MINT-Fächer von großer Bedeutung. Dies liegt daran, dass ein Atom der kleinste Baustein eines chemischen Stoffes oder Elements ist, der ohne Verlust seiner charakteristischen Eigenschaften nicht mehr geteilt werden kann. Atome können nur noch durch "physikalische Verfahren" geteilt werden.
Wenn man den Aufbau eines Atoms grob einteilt, wird ein Atom aufgebaut aus einem Atomkern, der aus elektrisch neutralen Neutronen und positiv geladenen Protonen (= Nukleonen oder Kernteilchen) besteht und der Atomhülle, die aus den negativ geladenen Elektronen besteht.
 

Der Atomaufbau - geschichtliche Entwicklung (Kurzfassung)
Die Entwicklung des Atommodells begann schon in der Antike, wie der Begriff "Atom" schon ahnen lässt, so stammt das Wort Atomos dem griechischen und bedeutet unteilbar. Im Laufe der Jahrtausende hat sich das Atommodell immer wieder verändert, bzw. wurde erweitert (wichtige Atommodelle sind dabei: Dalton-Atommodell und Rutherford-Atommodell -> siehe auch Lernort-Mint -> Atommodelle (Chemie)). Diese Atommodelle sind aber nicht "ganau" genug, um das Verhalten bzw. den Aufbau von Atomen zu beschreiben. Das erste richtige anwendbare Atommodell stammt von Bohr.
 

Das Bohrsche Atommodell (Kurzfassung):
Mit Hilfe seinen Ergebnissen war Niels Bohr in der Lage, das nach ihm benannte Modell zu  formulieren. Demzufolge besteht ein Atom aus positiv geladenen Atomkernen und einer negativ geladenen Atomhülle. Im Kern ist die fast die gesamte Masse des Atoms konzentriert, während sich die Elektronen planetenartig in der Atomhülle befinden und den Atomkern umkreisen. Die Elektronen sollen dabei nur definierte Energiezustände einnehmen können.
 

Der Atomaufbau - Grundlagen:

  • Protonen und Neutronen  werden oft als Nukleonen bezeichnet und bestehen aus noch kleineren Teilchen, den Quarks.
  • Protonen und Neutronen (Masse 1u) sind fast 2000x schwerer sind als die Elektronen in der Atomhülle.
  • Ein Proton ist einfach positiv geladen, ein Elektron ist einfach negativ geladen und die Neutronen sind ungeladen.
  • Das gesamte Atom ist in erster Näherung kugelförmig und hat eine Größe von 0,1  bis 0,5 nm (1 nm = 0,0000000001 m)


Der Atomaufbau - Atomkern:
Aus dem Chemieunterricht (bzw. auf Lernort-Mint.de) sollte jeder wissen, dass die Atome bzw. Elemente im Periodensystem der Elemente (kurz PSE) geordnet sind. Im PSE sind die Elemente dabei nach steigender Ordnungszahl angeordnet. Man findet diese Zahl meist links unten neben dem Elementsymbol. Diese Ordnungszahl, manchmal auch Kernladungszahl genannt, entspricht der Anzahl der Protonen im Atomkern. Aufgrund der gleichen Ladung der Protonen herrschen zwischen den Protonen im Kern elektrostatisch abstoßende Kräfte. Diese werden jedoch durch noch stärkere Wechselwirkungen mit Neutronen kompensiert (Kernkräfte). Ein stabiler Kern verfügt deshalb stets über ein bestimmtes Zahlenverhältnis von Protonen zu Neutronen. Stimmt dieses Zahlenverhältnis nicht, so wird der Kern instabil und das betreffende Atom zerfällt nach einer gewissen Zeit, was als Phänomen der Radioaktivität beobachtet wird. Wegen der vielen positiven Ladungen sind Atome, die mehr als 83 Protonen besitzen, immer radioaktiv.

Die Anzahl der Neutronen im Atomkern erhält man, indem man von der Atommasse die Ordnungszahl abzieht. Dabei dürfen aber nur reine Nuklide bzw. Isotope verwendet werden.

Größe des Atomkerns:
Aufgrund einiger vereinfachter Annahmen kann man ungefähr die Größe eines Atomkerns abschätzen. Dies lässt sich relativ einfach durchführen, da man den Durchmesser von Nukleonen (d = 2,92·10-15m) hinreichend genau bestimmen kann.Mit Hilfe einiger mathematischer und physikalisch-chemischer Näherungen (z.B. Atom ist in 1. Näherung kugelförmig) lässt sich damit eine Formel zur Abschätzung des Atomkerns ableiten:

Radius (Atomkern) = Radius (Nukleon) · 3.Wurzel aus der Nukleonenzahl (= Anzahl der Protonen + Neutronen im Kern)

Beispiel: das Kohlenstoffisotop C-12
Dieses Atom weist im Kern 6 Protonen und 6 Neutronen auf, der Radius eines Nukleons ist 1,46·10-15m.
Setzt man diese Werte nun ein, so erhält man als Atomradius 3,34·10-15m
 

Der Atomaufbau - Atomhülle:
Die Atomhülle besteht aus kleineren, negativ geladenen Elektronen, deren Ladung der negativen Elementarladung e entspricht. Die Anzahl der Elektronen entspricht beim neutralen Atom der Zahl der im Kern befindlichen Protonen (Prinzip der elektrischen Neutralität). Elektronen bewegen sich vergleichbar Planeten in unterschiedlichen Bahnen (Schalen) um den Kern. Die Anzahl der "Bahnen" lässt sich aus dem PSE ablesen und entspricht der Zahl der Perioden für das jeweilige Atom. Ebenfalls lässt sich die Zahl der Elektronen in der äußersten Schale angeben (Valenzelektronen). Die Nummer der Hauptgruppe entspricht dabei der Anzahl der Valenzelektronen des jeweiligen Elementes in der äußersten Schale.

Leider ist die Verteilung der Elektronen in der Atomhülle im Bohrschen Atommodell nicht in der Lage, die Linienspektren höherer Atome zu erklären und damit die Quantenphänomene zu beschreiben (z.B. Heisenbergs Unschärferelation). Dazu benötigt man die Orbitaltheorie bzw. das Orbitalmodell. Im Orbitalmodell wird nun die Bahn auf der sich Elektronen befinden zu einem Aufenthaltsraum (Orbital), in dem sich ein Elektron mit hoher Wahrscheinlichkeit aufhält.
Die Welleneigenschaften des Elektrons werden dabei mit Hilfe einer Wellenfunktion mathematisch beschrieben. Diese Wellenfunktion, auch als Schrödinger-Gleichung bezeichnet, liefert als Ergebnis einen Zusammenhang zwischen den Welleneigenschaften, der Energie und den Raumkoordinaten des Elektrons. Max Born schlug eine Wahrscheinlichkeitsinterpretation der Wellenfunktion vor, nach seiner Vorstellung entspricht das Quadrat dieser Wellenfunktion der Wahrscheinlichkeit, mit der sich ein Teilchen an Ort aufhält, dort also gemessen werden kann. Somit können die Elektronen in der Atomhülle beschrieben werden. 
 

Anmerkung:
Hier sein nochmals an die Definition von Chemie und Physik erinnert, wobei nach dem Lesen dieses Kapitels klar sein sollte, dass zwischen beiden Naturwissenschaften ein Zusammenhang besteht und beide "aufeinander" angewiesen sind.

  • Die Physik beschäftigt sich (als Teilgebiet Atomphysik) mit dem Aufbau der Atomhülle, dem Aufbau der Atomkerne (Teilgebiet Kernphysik) aus Elementarteilchen und mit den Eigenschaften der Elementarteilchen (Teilgebiet Quantenphysik)
  • Die Chemie beschäftigt sich mit dem Stoff- bzw. Atomaufbau (d.h. mit Atomen und deren Verbindungen) und Stoffänderungen. Dies setzt daher genaue Kenntnisse über die Struktur von Atomkern und Atomhülle voraus.

weiterführende Informationen auf Lernort-Mint.de

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