Atom

.Das Atom (von altgriechisch ἄτομος (ὕλη) átomos (hýle) „unteilbare (Materie)“) ist der kleinste chemisch nicht weiter teilbare Baustein der Materie. Im Laufe der Wissenschaftsgeschichte wurden unterschiedliche Atommodelle vorgeschlagen.

Atome bestehen aus einem elektrisch positiv geladenen Atomkern und einer Atomhülle aus negativ geladenen Elektronen. Atome sind im Normalzustand elektrisch neutral; die Anzahl von Protonen und Elektronen ist dann jeweils gleich. Sofern Atome eine elektrische Ladung tragen, werden sie als Ionen bezeichnet. Die Umwandlung eines neutralen Atoms in ein Ion (durch Entfernen oder Hinzufügen von Elektronen) heißt Ionisierung.

Der Atomkern ist aus positiv geladenen Protonen und elektrisch neutralen Neutronen aufgebaut. Atomsorten oder Nuklide, welche die gleiche Anzahl von Protonen (Kernladungszahl) und damit dieselbe Ordnungszahl besitzen, gehören zu ein und dem selben Element und heißen Isotope. Da die Eigenschaften der Atomhülle das chemische Verhalten eines Atoms bestimmen, sind Isotope ein und des selben Elements chemisch nicht unterscheidbar.

Nahezu die gesamte von uns wahrnehmbare, unbelebte und belebte Materie in unserer irdischen Umgebung besteht aus (neutralen oder ionisierten) Atomen. Daneben gibt es noch Neutronenmaterie von Neutronensternen und eventuell eine noch hypothetische Dunkle Materie bislang unbekannter Natur.

Schematische Darstellung des Atoms. Nicht maßstäblich.

Der Kern ist im Vergleich zur Hülle winzig klein. Die Hülle hat mit einem Durchmesser von etwa 10-10 m einen ungefähr zehntausendfach größeren Durchmesser als der Kern (10-14 m). Zur Veranschaulichung: Würde man ein Atom auf die Größe einer Kathedrale aufblähen, so entspräche der Kern der Größe einer Fliege (wobei beinahe die gesamte Masse des Atoms auf diesen winzigen Kern entfällt). Der Atomkern nimmt nur etwa ein Billiardstel des Gesamtvolumens eines Atoms ein. Das Atom als Grundbaustein der Materie besteht somit fast ausschließlich aus leerem Raum.

Atome sind in erster Näherung kugelförmig und haben eine Größe von 0,1 bis 0,5 nm, also 0,000.000.000.1 m bis 0,000.000.000.5 m. Die Kernladungszahl bestimmt die Stellung des Elements im Periodensystem der chemischen Elemente, die daher auch Ordnungszahl genannt wird. Innerhalb des Periodensystems nehmen die Atomradien von links nach rechts ab (eine Ausnahme bilden die Edelgase) und von oben nach unten zu. Allerdings besteht kein linearer Zusammenhang zwischen Ordnungszahl und Atomradius.

Der Kern macht nahezu die gesamte Masse des Atom aus. Die Gesamtzahl der Protonen und Neutronen im Kern heißt deshalb Massenzahl. Eine Atomsorte oder Nuklid wird durch Angabe des Elements und der Massenzahl beschrieben, z. B. bezeichnet 16O das häufigste Sauerstoffisotop oder 56Fe das häufigste Eisenisotop. Die Masse eines Atoms beträgt je nach Massenzahl zwischen 10-24 und 10-22 g. Das kleinste und leichteste Atom ist das Wasserstoffatom 1H, dessen Kern aus einem einzelnen Proton besteht. Eines der schwersten natürlich vorkommenden Nuklide ist das Uranisotop 238U mit 92 Protonen (siehe Periodensystem). Das schwerste Nuklid, dessen Herstellung bisher (Stand Aug.2004) gelang, ist das Ununoctium 294Uuo mit 118 Protonen. Es ist jedoch mit einer Halbwertszeit von 0,89 ms extrem kurzlebig.

Energie-Größenordnungen

Den verschiedenen Größenordnungen der Durchmesser von Atomhülle und Atomkern entsprechen auch verschiedene Größenordnungen der Bindungsenergien, die den jeweiligen Aufbau bestimmen. Die Bindungsenergien, mit denen die Elektronen der Hülle an den Kern gebunden sind, reichen von wenigen Elektronenvolt (eV) bis zu Hunderten Kiloelektronenvolt (keV), während die Bindungsenergien innerhalb des Kerns stets viele Megaelektronenvolt (MeV) betragen. Vorgänge, die in einem physikalischen System nennenswerte Änderungen bewirken, weisen immer Energieumsätze in der Größenordnung der Bindungsenergie auf. Dementsprechend gibt es viele für die Hülle wichtige Vorgänge, die den Kern unbeeinflusst lassen. Hieraus ergibt sich eine natürliche Einteilung der Forschungs- und Anwendungsgebiete:

Die Chemie beschäftigt sich mit den Verbindungen der Atome zu Molekülen. Typische Energieumsätze liegen hier im eV-Bereich. Die Atomphysik im engeren Sinne (Physik der Atomhülle) beschäftigt sich mit Aufbau und inneren Vorgängen der Atomhülle. Die Kernphysik beschäftigt sich mit Aufbau und inneren Vorgängen der Atomkerne. Schließlich beschäftigt sich die Elementarteilchenphysik -- durch Erforschung noch höherenergetischer Prozesse, im GeV-Bereich -- mit dem inneren Aufbau der Kernbestandteile Proton und Neutron und weiterer Elementarteilchen.

Energieniveaus

Der Energieinhalt eines Atoms (einer Atomhülle) kann, anders als bei makroskopischen physikalischen Systemen, nicht beliebige, sondern nur bestimmte, diskrete ("gequantelte") Werte annehmen. In einer gewissen Näherung kann man die Bindung jedes Elektrons an den Kern einzeln betrachten; statt von der Energie "des Atoms" spricht man daher oft von der Energie "eines Elektrons". Die Elektronen befinden sich also auf diskreten Energieniveaus. Diese entscheidend wichtige Eigenschaft wurde zuerst 1913 von Niels Bohr (siehe unten) im Widerspruch zu den bis dahin bekannten physikalischen Gesetzen angenommen, um die Linienspektren des von Atomen ausgehenden Lichtes erklären zu können. Die nachfolgende Entwicklung der Quantenmechanik führte zum heutigen theoretischen Verständnis dieser Eigenschaft. Die Quantenmechanik erklärt auch die genaue Lage der Energieniveaus und weitere Eigenschaften der Atomhülle (siehe Elektronenkonfiguration).

Auch der Atomkern hat diskrete Energieniveaus. Die Gammastrahlung, das kernphysikalische Gegenstück zur Lichtemission der Atomhülle, zeigt daher ebenfalls Linienspektren.

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