Atome und Moleküle

Die Idee, dass sich die Materie um uns herum zerteilen lässt, kam schon den Griechen und sie nannten die kleinsten Teile Atomos - der unteilbare Stoffteil. Im 5. Jahrhundert vor unserer Zeitrechnung entwickelten Leukippos und Demokritos eine atomistische Weltanschauung, nach der das Atom die zugrunde liegende Einheit der Materie sei.

Heute wissen wir, dass es nicht ein Atom gibt, das in seinen Verbindungen die Materie ausmacht, sondern eine ganze Reihe, die sich sogar wieder aus noch grundlegenderen Teilchen zusammensetzen, den Elektronen, Neutronen und Protonen (wobei sich die letztgenannten Nukleonen im Atomkern wieder aus verschiedenen Quarks zusammensetzen). Doch damit ist zumindest gegenwärtig die unterste Grenze des Teilchenzoos erreicht.

Es dauerte nach den Griechen noch eine ganze Weile, bis man anfing, sich darüber Gedanken zu machen, wie die Atome selbst aufgebaut sein könnten. Schließlich hatte sich die Idee, dass sich die Welt tatsächlich aus Atomen zusammensetzte, in der modernen Wissenschaft auch erst 1860 durchgesetzt, als man in der Lage war, die Menge der Atome zu bestimmen – bei der elektrolytischen Abscheidung von Salzen ist sie proportional zur durch den Elektrolyten geflossenen Ladung, jedes Elektron transportiert dann ein Ion des Salzes.

Lord Thomson's Modell ging davon aus, dass die positiven Ladungen in einem Atom, wie Rosinen in einem positiv geladenen Pudding verteilt seien. Diese Vorstellung wurde 1910 durch die Messungen von Hans Geiger und Ernest Marsden unter der Anleitung Ernest Rutherfords über den Haufen geworfen. Bei dem Beschuss einer Goldfolie mit Alphateilchen (Heliumkerne) zeigte sich, dass diese auf charakteristische Weise abgelenkt werden, wie das nur möglich ist, wenn die Masse des Atoms auf einen wesentlich kleineren Durchmesser konzentriert ist, als der Umfang des Atoms. Es musste demnach einen Kern und eine Hülle geben. Wobei der Kern positiv und die Hülle negativ geladen sein musste. Außerdem musste der Kern 108-mal kleiner sein, als das Atom – wäre das Atom so groß wie die Erde, hätte sein Kern einen Durchmesser von nur 6m.

Dass der Atomkern wiederum aus Teilchen zusammengesetzt ist, stellte sich erst mit der Kernphysik heraus, als man Versuche mit höheren Energien machen konnte und feststellte, dass Atome vielleicht doch nicht die unteilbaren Einheiten der Materie waren.

1896 entdeckte Henri Becquerel eher durch Zufall, dass Atome zerfallen können, als er die Fluoreszenz von Uransalzen untersuchte. Offensichtlich sandten diese Salze eine Strahlung aus, die seine Fotoplatten auch ohne vorherige Anregung der Proben im Sonnenlicht schwärzen konnten. Diese Strahlung wurde danach auch bei anderen schweren Atomen nachgewiesen. Man unterschied schließlich zwischen drei Arten von Strahlung, der α-Strahlung (positiv geladene Heliumkerne), β-Strahlung (Elektronen) und γ-Strahlung (energiereiche Photonen), deren Masse und Ladung man durch ihre Ablenkung in einem elektromagnetischen Feld bestimmen konnte.

Ganz offensichtlich musste es eine Kernkraft geben, die die Nukleonen (Protonen und Neutronen – was man erst seit 1932 weiß) im Kern zusammenhielt, und sie musste sehr stark sein, wenn sie die Abstoßung positiver Ladungen in den Protonen überwinden konnte. Auf der anderen Seite muss die Reichweite dieser Kraft sehr klein sein – nicht viel mehr als der Kerndurchmesser selbst, denn die Bewegung der Elektronen und die Wechselwirkungen der Atome untereinander konnten sehr gut mit der elektromagnetischen Kraft beschrieben werden. Auf der anderen Seite muss die Kraft bei Entfernungen, die noch einmal weit unter dem Kerndurchmesser liegen wieder abstoßend wirken, da der Kern sonst kollabieren würde (in aktuellen Modellen ist die Zusammensetzung der Nukleonen aus Quarks und deren Wechselwirkung dafür verantwortlich).

Weitere Streuversuche zeigten außerdem, dass diese starke Kernkraft unabhängig von der Ladung ist und Protonen und Neutronen untereinander oder miteinander die gleichen Kräfte ausüben und die Kraft gequantelt ist, sodass nur bestimmte Energieniveaus besetzt werden können, womit sich die zahlenmäßige Verteilung von Protonen und Neutronen im Kern erklärt. Die Anzahl der Neutronen im Atom eines Elements ist allerdings nicht immer die gleiche, die verschiedenen Isotope eines Elements haben abweichende Neutronenzahlen. Beim Chlor kommt das Isotop mit 35 (35Cl) Nukleonen mit einer Häufigkeit von 75,4% vor, während das Isotop 37Cl mit einer Häufigkeit von 24,6% vorkommt. Die Kernladung beträgt in beiden Fällen 17.

Noch eine weitere Kraft spielt im Atomkern eine Rolle, wenn auch nur eine sehr kleine: die schwache Kernkraft; sie ist für den extrem seltenen Zerfall von Neutronen in ein Proton und ein Elektron oder die Umwandlung eines Protons in ein Neutron unter Aussendung eines Positrons (Anti-Elektron) verantwortlich. Und sie ermöglicht auch den Elektroneneinfang und damit ebenfalls die Umwandlung eines Protons in ein elektrisch neutrales Neutron. In diesen Prozessen werden nebenbei Neutrinos emittiert, die Energie- und Drehimpulserhaltung gewährleisten.

Auch die schwache Kernkraft hat eine Reichweite die nicht über den Kernradius hinausgeht und spielt in unserem Alltag nur eine untergeordnete Rolle, da sie zudem so schwach ist, dass die beschriebenen Umwandlungen nur sehr selten stattfinden.

Die Anzahl der Nukleonen und die Ladung des Kerns ist auch für die Position im Periodensystem der Elemente verantwortlich, stellt man dabei chemisch ähnliche Elemente untereinander, entsteht die Tabellenstruktur. Das chemisch ähnliche Verhalten der Atome hat seine Ursache in der Verteilung seiner Elektronen um den Kern herum.

Bei der Beobachtung von Emissionsspektren von Atomen hat man entdeckt, dass dieses Licht nicht in einem kontinuierlichen Spektrum ausgesandt wird, sondern in diskreten Linien (Angström entdeckte die ersten 1853 bei atomarem Wasserstoff – der nicht zu Wasserstoffmolekülen gebunden ist, sondern bei dem die Atome, bei genügend hoher Temperatur einzeln vorliegen).

Nachdem weitere dieser Linien entdeckt wurden entwickelte Bohr 1913 daraus das Bahnmodell, nach dem sich die Elektronen auf festen Bahnen um den Kern bewegten und der Übergang zwischen diesen Niveaus zur Emission eines Photons mit charakteristischer Wellenlänge führte (und dann konnten Atome natürlich auch nur genau diese Energien auch wieder aufnehmen - absorbieren).

Das war der erste Schritt in Richtung Quantenmechanik, denn klassisch (womit man die Physik vor Quantenmechanik und Relativitätstheorie bezeichnet) ist ein solches Verhalten unmöglich. Und etwas später waren die Elektronen nicht mehr auf festen Bahnen unterwegs, sondern konnten nur noch als Wahrscheinlichkeitswolke ihres möglichen Aufenthaltsortes beschrieben werden, aber das ist eine andere Geschichte. Für das Verständnis der Reaktionen von Atomen genügt das Bohr'sche Atommodell. Da ist es nämlich so, dass die Atome bevorzugt mit vollbesetzten Schalen herumlaufen. Diese Schalen kann man sich wie die Bäuche einer schwingenden Saite vorstellen, wobei jeder Bauch von zwei Elektronen besetzt sein kann (mit einem Spin – Eigendrehimpuls – von + oder – 1/2), also immer nur ein Elektron in einem Zustand (Pauli-Prinzip). Im einfachsten Fall schwingt die Saite einfach auf und ab, das entspricht der untersten Schale, diese kann also mit bis zu 2 Elektronen besetzt werden. In der nächsten Schale wird es ein klein wenig komplizierter, denn statt 4 Elektronen finden hier 8 Platz. Das liegt daran, dass jetzt auch noch der Bahndrehimpuls (die Umlaufrichtung der Elektronen um den Kern) eine Rolle spielt.

Auf dem ersten Niveau ist die Verteilung der Elektronen um den Kern zentralsymmetrisch, wie eine Kugelwolke, wo die Umlaufrichtung keine Rolle spielt. Auf dem zweiten Niveau kann man sich die Wolke wie einen Torus (Donut) um den Kern herum vorstellen und höhere Niveaus werden noch etwas komplexer.

Wenn sich jetzt zwei Atome begegnen, deren äußere Schale nicht vollständig ist, können sie eine Bindung eingehen. Zwei Wasserstoffatome haben jeweils nur ein Elektron in der ersten Schale, aber wenn sie sich zusammentun und ihre Elektronen teilen, haben sie zusammen volle Schalen. Sauerstoff verbindet sich z. B. gerne mit zwei Wasserstoffatomen zu einem Wassermolekül, wie man aus dem Periodensystem ablesen kann, wo man auch von links nach rechts die Besetzung der äußeren (Teil-)Schale sieht und von oben nach unten ihre Anzahl (nur die Übergangselemente, zu denen auch die radioaktiven Elemente gehören, fallen ein wenig aus dem Rahmen).


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