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atom

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Et heliumatom : Atomkernen (pink) ligger i midten af ​​en meget større sky af to elektroner (grå). I en fuldskala repræsentation ville en atomkerne med en diameter på 1 millimeter have en elektronsky på omkring 100 meter. Øverst til højre er kernen, der består af to protoner og to neutroner, også vist skematisk og forstørret. I virkeligheden er arrangementet af de fire partikler sfærisk symmetrisk .
Elementernes atomer i arrangementet af det periodiske system i skala repræsentation af deres kovalente radius

Atomer (fra oldgræsk ἄτομος átomos "udelelige") er byggestenene, der udgør alle faste , flydende eller gasformige stoffer . Alle stoffers materielle egenskaber samt deres adfærd i kemiske reaktioner bestemmes af egenskaberne og det rumlige arrangement af deres atomer. Hvert atom tilhører et bestemt kemisk element og danner dets mindste enhed. 118 kendes i øjeblikket, hvoraf omkring 90 forekommer naturligt på jorden. Atomer af forskellige grundstoffer er forskellige i deres størrelse og masse og frem for alt i deres evne til at reagere kemisk med andre atomer og at kombinere til dannelse af molekyler eller faste legemer . Atomernes diametre ligger i området fra 6 · 10 −11 m ( helium ) til 5 · 10 −10 m ( cæsium ), deres masser i et område fra 1,7 · 10 −27 kg ( hydrogen ) til lige under · 5 · 10 −25 kg (i øjeblikket de tungeste syntetisk fremstillede kerner).

Atomer er ikke udelelige, som antaget på det tidspunkt de blev navngivet, men viser en veldefineret struktur, der består af endnu mindre partikler. De består af en atomkerne og en atomskal . Atomkernen har en diameter på omkring et ti til hundrede tusindedele af den samlede atomdiameter, men indeholder over 99,9 procent af atommassen. Den består af positivt ladede protoner og et antal stort set lige tunge, elektrisk neutrale neutroner . Disse nukleoner er bundet til hinanden af ​​den stærke interaktion . Skallen består af negativt ladede elektroner . Det bidrager med mindre end 0,06 procent til massen, men bestemmer atomets størrelse. Den positive kerne og den negative skal er bundet til hinanden af elektrostatisk tiltrækning. I atomets elektrisk neutrale grundform er antallet af elektroner i skallen lig med antallet af protoner i kernen. Dette tal bestemmer skalets nøjagtige struktur og dermed også atomets kemiske adfærd og betegnes derfor som det kemiske atomnummer . Alle atomer i det samme grundstof har samme kemiske atomnummer. Hvis yderligere elektroner er til stede eller mangler, er atomet negativt eller positivt ladet og kaldes en ion .

Ideen om materiens atomiske struktur eksisterede allerede i antikken , men var kontroversiel indtil moderne tid . Det endelige bevis kunne først fremlægges i begyndelsen af ​​det 20. århundrede og anses for at være en af ​​de vigtigste opdagelser inden for fysik og kemi . Individuelle atomer kan ikke ses selv med de mest kraftfulde lysmikroskoper . Direkte observation af individuelle atomer har kun været mulig med feltionmikroskoper siden midten af ​​det 20. århundrede og i nogle år også med scanning af tunnelmikroskoper og højopløselige elektronmikroskoper . Atomfysik , der ikke kun undersøger atomernes struktur, men også processerne i dem og deres interaktioner med andre atomer, har ydet et afgørende bidrag til udviklingen af moderne fysik og især kvantemekanik .

Udforskningshistorie

Ideen om stofets atomstruktur var allerede i antikken , men kun i form af filosofiske overvejelser. Deres eksistens var stadig omstridt i begyndelsen af ​​det 20. århundrede. På grund af deres ekstremt lille størrelse kan individuelle atomer ikke ses selv med de mest kraftfulde lysmikroskoper . Det endelige bevis på deres eksistens anses for at være en af ​​de mest betydningsfulde opdagelser inden for fysik og kemi . Albert Einstein leverede et afgørende bidrag i 1905, da han kvantitativt forklarede den længe kendte browniske bevægelse af små korn, som var direkte synlig i mikroskopet, ved at det stammer fra tilfældigt akkumulerede kollisioner af atomer eller molekyler i miljøet. Det er kun i et par årtier, at feltionmikroskoper og scanningstunnelmikroskoper , og i et par år også elektronmikroskoper , har gjort det muligt at observere individuelle atomer direkte.

Filosofiske overvejelser

Begrebet atomisme , nemlig at stof består af grundlæggende enheder - "mindste partikler", der ikke kan nedbrydes i mindre stykker - har eksisteret i tusinder af år, ligesom modbegrebet om, at stof er et kontinuum, der kan deles forgodtbefindende. Men disse ideer var oprindeligt udelukkende baseret på filosofiske overvejelser og ikke på empirisk eksperimentel undersøgelse. Samtidig blev atomerne tilskrevet forskellige egenskaber, meget forskellige, afhængigt af alder, kultur og filosofisk skole.

En tidlig omtale af atombegrebet i filosofi kendes fra Indien. Nyaya- og Vaisheshika -skolerne udviklede detaljerede teorier om, hvordan atomer kombineres til mere komplekse strukturer (først i par, derefter tre par hver). [1]

I græsk filosofi blev atombegrebet først brugt i det 5. århundrede f.Kr. Passerede ned ved Leukippus . Hans elev Democritus systematiserede det og introducerede udtrykket átomos ( ἄτομος ), hvilket betyder noget, der ikke kan skæres op, dvs. et objekt, der ikke kan deles yderligere. Denne betegnelse blev vedtaget i slutningen af ​​1700 -tallet for de dengang hypotetiske mindste enheder af de kemiske grundstoffer i den begyndende moderne kemi, for med kemiske metoder kan atomer faktisk ikke "skæres op".

I slutningen af det 18. århundrede, eksperimentelle naturvidenskabsfolk vedtog hypotesen om atomet som deres egne, fordi denne hypotese, inden for rammerne af en partikel model af stof, tilbydes en elegant forklaring på nye opdagelser i kemi. [2] På samme tid blev den modsatte opfattelse af, at materie er et kontinuum imidlertid fastholdt af filosoffer og også blandt naturforskere ind i det 20. århundrede. [3]

Videnskabelig undersøgelse

I løbet af videnskabelig forskning er eksistensen af ​​atomer blevet bekræftet. Mange forskellige atommodeller er blevet udviklet til at beskrive deres struktur. Især var hydrogenatomet som det enkleste af alle atomer vigtigt. Nogle af modellerne bruges ikke længere i dag og har kun interesse i videnskabshistorien. Andre, afhængigt af anvendelsesområdet, kan stadig bruges i dag tilnærmelser. Som regel bruges den enkleste model, som stadig er tilstrækkelig i den givne kontekst til at afklare de spørgsmål, der opstår.

Mange af opdagelserne nedenfor (hvis efter 1900) blev tildelt Nobelprisen i fysik eller kemi .

Bekræftelse af atomhypotesen

Forskellige atomer og molekyler som afbildet i A New System of Chemical Philosophy (1808) af John Dalton .

Robert Boyle mente i sit værk The Skeptical Chymist i 1661, at sagen bestod af forskellige kombinationer af forskellige legemer og ikke af alkymiens fire elementer : vand, jord, ild, luft. [4] Hermed forberedte han på at overvinde alkymien gennem element- og atombegreberne i moderne kemi.

Daniel Bernoulli viste i 1740, at det jævne tryk af gasser på beholdervæggene, især Boyles og Mariottes lov , kan forklares med utallige sammenstød mellem de mindste partikler. Dette gjorde hans forskning til forløberen for kinetisk gasteori og statistisk mekanik .

Fra slutningen af ​​1700-tallet blev ideen om atomer brugt til at tilskrive de veldefinerede vinkler i ædelstenens kanter og hjørner til de forskellige mulige lag af hårde sfærer . [5]

Efter at Antoine Lavoisier opfandt det nuværende udtryk for det kemiske grundstof i 1789 og korrekt identificerede de første grundstoffer,[6] brugte John Dalton atombegrebet i 1803 til at forklare, hvorfor grundstoffer altid reagerer med hinanden i andele af små hele tal ( lov af flere proportioner ). Han antog, at hvert element består af atomer af samme type, som kan kombineres med hinanden i henhold til faste regler og dermed danne stoffer med forskellige materialegenskaber. [7] [8] Han antog også, at alle atomer i et element havde samme masse, og begrundede dermed udtrykket atomvægt . [9]

Amedeo Avogadro var i stand til at opsummere observationerne om gassernes kemiske og fysiske adfærd i 1811 til den virkning, at to ideelle gasser altid består af det samme antal identiske partikler ("molekyler") med de samme værdier for volumen, tryk og temperaturen på gassen. I elementære gasser som brint, ilt eller nitrogen består molekylerne altid af to atomer af grundstoffet ( Avogadros lov ).

I 1866 var Johann Loschmidt i stand til at bestemme størrelsen af ​​luftmolekylerne ved at evaluere værdierne for indre friktion i luft målt af George Stokes ved hjælp af en formel opnået af James C. Maxwell fra kinetisk gasteori. [10] Dette satte ham i stand til at bestemme vægten af ​​et luftmolekyle. Han modtog også Loschmidt -nummeret opkaldt efter ham som antallet af luftmolekyler pr. Kubikcentimeter (under normale forhold ).

Som et resultat af arbejdet i Avogadro og Stanislao Cannizzaro blev det antaget, at atomer ikke fremstår som individuelle partikler, men kun som komponenter i molekyler, der består af mindst to atomer. Men i 1876 lykkedes det Kundt og Emil Warburg at lave det første bevis på en monatomisk gas. De bestemte den adiabatiske eksponent for kviksølvdamp ved høj temperatur og opnåede en værdi, der ifølge kinetisk gassteori kun kan forekomme for partikler i form af reelle massepunkter . Fra 1895 blev der foretaget tilsvarende observationer af de nyopdagede ædelgasser . [3]

Efter offentliggørelsen af ​​sin afhandling om bestemmelse af molekylære dimensioner [11] foreslog Albert Einstein et eksperiment i samme år 1905 for kvantitativt at teste hypotesen om atoms eksistens på grundlag af den rystende bevægelse af små partikler i vand. Ifølge hans teori, på grund af uregelmæssigheden af ​​påvirkningerne fra vandmolekylerne, bør partiklerne udføre små bevægelser, der i det mindste er synlige under mikroskopet. [12] [13] [14] Det var i første omgang ikke kendt for Einstein, at han kvantitativt havde forklaret den browniske bevægelse af pollen, kendt siden 1827, af hvilken årsagen Christian Wiener havde antaget molekylære påvirkninger for første gang i 1863. [15] Ifølge Einsteins formler afhænger styrken af ​​den skælvende bevægelse af massen af ​​de kolliderende molekyler, og på dette grundlag bestemte den franske fysiker Jean Perrin molekylmassen eksperimentelt og fandt resultater svarende til Loschmidts. [16] Dette arbejde bidrog afgørende til den generelle anerkendelse af den såkaldte "atomhypotese" indtil da.

Atomernes opdeling og struktur

Joseph John Thomson opdagede i 1897, at katodestrålerne består af partikler af en bestemt ladning og masse, og at deres masse er mindre end en tusindedel af atommassen. Disse partikler blev kaldt elektroner og viste sig at være en del af al materie, hvilket modsagde atombegrebet som en udelelig enhed. [17] Thomson mente, at elektronerne gav atomet sin masse, og at de blev fordelt i atomet i et masseløst, positivt ladet medium som "rosiner i en kage" ( Thomsons model af atomet ).

Den nyligt opdagede radioaktivitet blev forbundet i 1903 af Ernest Rutherford og Frederick Soddy med indbyrdes omdannelse af forskellige typer atomer. I 1908 kunne de bevise, at a-partiklerne, der danner alfa-strålingen, bliver til heliumatomer .

Sammen med sin forskningsgruppe skød Ernest Rutherford en guldfolie med α-partikler i 1909. Han fandt ud af, at de fleste partikler trængte ind i filmen næsten uhindret, men nogle få blev afbøjet med meget større vinkler, end det ville være muligt ifølge Thomsons model. Rutherford konkluderede heraf, at næsten hele atommassen var koncentreret i et meget mindre, elektrisk ladet volumen i midten af ​​atomet og dermed skabte Rutherford -modellen af atomet, som har været gældende siden da, med den grundlæggende struktur af atomet fra atomkernen og atomskallen. De stærkt afbøjede a-partikler var dem, der tilfældigvis kom tættere på en kerne end omkring en hundrededel af atomradius. [18] Ladningstallet for atomkernen viste sig at være det kemiske atomnummer for det pågældende element, og α-partikler viste sig at være atomkernerne i helium.

Enkelt massespektrometer (skematisk fremstilling)

I 1911 fastslog kemikeren Frederick Soddy, at nogle af de naturlige radioaktive elementer skulle bestå af atomer med forskellige masser og forskellige niveauer af radioaktivitet. [19] Udtrykket isotop for fysisk forskellige atomer af det samme kemiske grundstof blev foreslået i 1913 af Margaret Todd . [20] Da isotoper af det samme element ikke kunne skelnes i deres kemiske adfærd, udviklede fysikeren JJ Thomson først et massespektrometer til deres fysiske adskillelse. I 1913 kunne han bruge neon -eksemplet til at bevise, at der også er stabile elementer med flere isotoper. [21]

I 1918 fandt Francis William Aston ud med et massespektrometer med betydeligt større nøjagtighed, at næsten alle grundstoffer er blandinger af flere isotoper, idet masserne af de enkelte isotoper altid er (næsten) heltalsmultipler af hydrogenatomets masse. [22] I 1919 demonstrerede Rutherford i den første observerede atomreaktion, at hydrogenatomernes kerner kan skubbes ud af atomatomernes kerner ved at bombardere dem med α-partikler. Han gav dette navnet proton og udviklede en atommodel, hvor atomerne kun består af protoner og elektroner, hvor protoner og nogle af elektronerne danner den lille, tunge atomkerne, de resterende elektroner danner den store, lette atomskal. Ideen om elektroner i atomkernen viste sig imidlertid at være problematisk og blev endelig droppet i 1932, efter at James Chadwick demonstrerede, at neutronen var en neutral kerne med omtrent samme masse som protonen. [23] Dette gav anledning til nutidens atommodel: atomkernen er sammensat af lige så mange protoner som atomnummeret angiver, og derudover så mange neutroner, at den relevante isotopmasse nås; atomskallen består af så mange elektroner, at hele atomet bliver neutralt.

Strukturen af ​​atomskallen

Illustration af Bohrs model af brintatomet (Z = 1) med en elektron, der springer mellem faste baner og udsender en foton med en bestemt frekvens f.

De observerede egenskaber (såsom størrelse, stabilitet, reaktionstilstande) for atomskallen kunne ikke forklares i forbindelse med klassisk fysik. Kun med inddragelse af nye kvantiseringsregler ved hjælp af Plancks handlingskvant kunne Niels Bohr i 1913 forklare, hvordan spektralelinierne i de optiske spektre af rene grundstoffer opstår, som er absolut karakteristiske for det respektive element ( spektralanalyse iflg. Robert Wilhelm Bunsen og Gustav Robert Kirchhoff 1859). I Franck-Hertz-eksperimentet kunne den kvantiserede energioptagelse og frigivelse af kviksølvatomer bekræftes eksperimentelt. Bohr -modellen for atomet var kun gyldig for systemer med kun én elektron (derefter kun hydrogen og ioniseret helium), men den dannede grundlaget for en række forbedringer i løbet af det følgende årti. I skalmodellen førte de til en indledende forståelse af strukturen af ​​elektronskallerne for alle grundstoffer og dermed også til den fysiske forståelse af det kemiske periodiske system . Bohr -modellen af ​​atomet blev således grundlaget for det populære billede af atomet som et lille planetsystem. [24]

Orbital model af atomet: Repræsentation af atomorbitalerne i den første (2 elektroner) og anden (8 elektroner) elektronskal

I 1925 udviklede Werner Heisenberg matrixmekanikken sammen med Max Born , Pascual Jordan , Wolfgang Pauli og andre. I 1926 erstattede Erwin Schrödinger kvantiseringsreglerne med sin bølgemekanik . Det beskriver elektronerne ikke som massepunkter på visse flade baner, men som en stående bølge af stof, der strækker sig i tre dimensioner. Begge former for en ny " kvantemekanik " kunne korrekt forklare brintatomets spektrum. Som et resultat af disse beskrivelser er det blandt andet tilladt at tildele en elektron præcise værdier for position og momentum til en elektron. Denne kendsgerning blev formuleret af Heisenberg i 1927 i usikkerhedsprincippet . I stedet for bevægelsen på visse baner kan der derfor kun gives sandsynlighedsfordelinger for værdiområder for position og momentum, en idé, der er vanskelig at illustrere. De kvantiserede baner i Bohrs model svarer her til " atomorbitaler ". Blandt andet angiver de, hvordan sandsynligheden for, at elektronerne koncentreres nær atomkernen, og dermed bestemmer atomets reelle størrelse.

Beskrivelsen af ​​atomernes egenskaber var meget bedre med disse første helt kvantemekaniske atommodeller end med de tidligere modeller. Især selv med atomer med flere elektroner kan spektrallinjerne og strukturen af ​​atomskallen repræsenteres i rumlige og energiske termer, herunder de præcise muligheder for at danne tilstande bundet med atomskaller af andre atomer, dvs. stabile molekyler. Derfor blev Bohrs model af atomet afvist til fordel for atomets kvantemekaniske orbitalmodel . [25] [26]

Orbitalmodellen er stadig grundlaget og udgangspunktet for præcise kvantemekaniske beregninger af næsten alle egenskaber ved atomer. Orbitalmodellen for et atom med mere end én elektron kan fysisk beskrives som en tilnærmelse, nemlig som en en-partikel-tilnærmelse, som tildeler hver enkelt elektron en specifik orbital. En tilstand, der er dannet på denne måde, kaldes atomets konfiguration og er en af ​​de enkleste former for multi-partikel-tilstande inden for kvantemekanik. Mere præcise modeller tager højde for, at skallen ifølge kvantemekanikkens regler også kan være i en tilstand, der stammer fra overlejringen af ​​forskellige konfigurationer, dvs. hvor forskellige elektronkonfigurationer er til stede samtidigt med forskellige sandsynlighedsamplituder (konfigurationsblanding). Dette muliggør de mest præcise beregninger af energiniveauer og interaktioner mellem atomerne. På grund af den matematiske indsats, der kræves til dette, vil enklere atommodeller fortsat blive brugt, hvor det er muligt. Ud over skalmodellen skal nævnes Thomas-Fermi-modellen , hvor elektronskallen behandles som en ideel elektrongas (" Fermigas ") bundet i den potentielle brønd, hvis tæthed igen tilsammen med atomladningen, bestemmer formen af ​​det elektrostatiske potentiale godt.

Atomkernens struktur

For at opdage atomkernen og dens sammensætning fra protoner og neutroner, se afsnittet "Delbarhed og struktur af atomer" ovenfor. Det følgende er nøgleord til forskning af yderligere egenskaber ved kernerne.

Bindende energi

Nukleonernes bindingsenergi er årsagen til den høje energi af den radioaktive strålings kvanter. Det overskrider molekylernes kemiske bindingsenergi med fem til seks størrelsesordener. Fra 1935 og fremefter var en grov modelpræsentation for første gang vellykket, dråbesmodellen af CF von Weizsäcker og Hans Bethe . For kerner fra ca. 10 nukleoner den indledende stigning i den gennemsnitlige bindingsenergi op til ca. Forklares af det stigende antal, hvor nukleonerne binder sig til deres respektive naboer på grund af de faktiske atomkræfter, og derefter faldet i den gennemsnitlige bindingsenergi på grund af den stigende elektrostatiske frastødning, som påvirker alle protoner med hinanden.

Kernefusion og fission

Da maksimumet for den gennemsnitlige bindingsenergi ligger med mellemstore kerner, betyder det energifrigivelse både når meget lette kerner smelter sammen og når meget tunge kerner splittes. Fusionen af ​​hydrogen til helium blev identificeret som stjernens energikilde i 1938. Fission efter neutronfangst blev første gang demonstreret i 1938 i urankerner (af isotopen U-235) af Otto Hahn og Fritz Strassmann . Derefter blev atomforskningen intensiveret betydeligt og førte til de første atombomber i 1945, brintbomberne i 1952 og fra midten af ​​1950'erne til brug af atomenergi til energiforsyning.

Skalmodel og samlet model

Skalmodellen af ​​kernerne, der blev etableret af JHD Jensen og Maria Goeppert-Mayer i 1949, er meget mere detaljeret end dråbeformodellen. I lighed med atommodelens skalmodel antager den en bestemt kredsløb for hvert nukleon i en fælles sfærisk symmetrisk potentialebrønd. Dette kan bruges til at forklare et væld af data om kernernes grundlæggende og ophidsede tilstande, f.eks. Deres nukleare spin , deres magnetiske dipol og elektriske quadrupol -moment samt deres forfald og reaktion. I begyndelsen af ​​1960'erne lykkedes det Aage Bohr , Ben Mottelson og James Rainwater at kombinere denne enkeltpartikelmodel med aspekterne ved kollektiv bevægelse, hvilket også gjorde det muligt at forstå afvigelserne fra den sfæriske form i visse områder af nukleontalene.

Oprindelsen af de nukleare kræfter

Atomstyrkerne med kort rækkevidde kan spores tilbage til det stærke samspil mellem kvarker i 1970'erne. [27] [28]

Struktur af protoner og neutroner

Fra 1950'erne og fremefter var det muligt at undersøge atomer, og især atomkerner, når de blev bombarderet med partikler med meget høj energi takket være udviklingen af ​​forbedrede partikelacceleratorer og partikeldetektorer . [29] I slutningen af ​​1960'erne viste " dyb uelastisk spredning " af elektroner på atomkerner, at neutroner og protoner ikke er udelelige enheder, men er sammensat af kvarker . [30]

Nogle avancerede eksperimenter med atomer

I 1951 udviklede Erwin Müller feltionmikroskopet og kunne således for første gang skabe et billede af en nålespids, der var så forstørret på en direkte måde, at individuelle atomer var synlige i det (selvom det kun var som slørede pletter) . Udviklet i 1953 Wolfgang Paul , den magnetiske ionfælde ( Paul trap ), gemt i de enkelte ioner og kan studeres med stadig større nøjagtighed.

I 1985 udviklede en arbejdsgruppe ledet af Steven Chu laserkøling , en proces, der bruger laserstråling til i høj grad at reducere temperaturen ved en akkumulering af atomer. Samme år lykkedes det en gruppe ledet af William D. Phillips at låse neutrale natriumatomer i en magneto-optisk fælde . Ved at kombinere disse processer med en metode, der bruger Doppler-effekten , var en arbejdsgruppe under ledelse af Claude Cohen-Tannoudji i stand til at afkøle små mængder atomer til temperaturer på et par mikrokelvin . Med denne metode kan atomer undersøges med den højeste nøjagtighed [31] ; det muliggjorde også den eksperimentelle realisering af Bose-Einstein-kondensationen . [32]

I begyndelsen af ​​1980'erne udviklede Gerd Binnig og Heinrich Rohrer scanningstunnelmikroskopet , hvor en nålespids scanner en overflade ved hjælp af tunneleffekten så fint, at individuelle atomer bliver synlige. [33] [34] Dette gjorde det også muligt at sætte atomer individuelt bestemte steder. I 1990'erne var Serge Haroche og David Wineland i stand til med succes at undersøge interaktionen mellem et enkelt atom og en enkelt foton i eksperimenter. I 2000'erne blev de enkelte atomers håndterbarhed blandt andet brugt til at producere en transistor fra kun et metalatom med organiske ligander . [35]

Siden slutningen af ​​1980'erne er multipel excitation med en laserpuls blevet brugt til at generere Rydberg -atomer . I et Rydberg -atom exciteres en elektron i en så høj energitilstand, at den kredser om atomkernen, nogle gange også hele atomkernen, der består af atomkernen og de resterende elektroner, og dens adfærd nærmer sig den for en klassisk partikel . Rydberg -atomer kan være over 100.000 gange større end ikke -spændte atomer. Da de er ekstremt følsomme over for eksterne felter, kan du bruge dem f.eks. B. undersøge interaktionen mellem et enkelt atom og en enkelt foton i detaljer. Hvis to eller flere elektroner er spændte i en sådan tilstand, taler man om planetariske atomer.

Klassifikation

Periodiske system
Nuklid -kort

Elementer, isotoper, nuklider

Differentieringen og betegnelsen af ​​forskellige typer atomer er oprindeligt baseret på atomkernens struktur, mens skalens tilstand er angivet med yderligere symboler, hvis det er nødvendigt. Nøgletal er antallet af protoner ( atomnummer , atomnummer ) Z , antallet af neutroner N i kernen og det resulterende massetal A = Z + N. Je nach ihrer Protonenzahl gehören die Atome zu einem der 118 bekannten chemischen Elemente , von Wasserstoff mit Z =1 bis Oganesson mit Z =118. Davon sind 91 in natürlichen Vorkommen entdeckt worden, 27 nur nach künstlicher Herstellung durch Kernreaktionen . Die Ordnung der Elemente wird im Periodensystem – wichtig für die Chemie – graphisch veranschaulicht. Darin werden die Elemente mit aufsteigender Ordnungszahl in Form einer Tabelle angeordnet. Jede Zeile wird als Periode des Periodensystems bezeichnet und endet, wenn das jeweilige Orbital mit Elektronen voll besetzt ist (Edelgas). In den nächsten Zeilen wiederholt sich aufgrund der schrittweisen Elektronenbesetzung der nächsten Orbitale der chemische Charakter der Elemente. So stehen Elemente mit ähnlichen chemischen Eigenschaften in einer Spalte untereinander; sie bilden eine Gruppe des Periodensystems .

Atome eines Elements, die sich in der Neutronenzahl unterscheiden, gehören zu verschiedenen Isotopen des Elements. Insgesamt bestehen die 118 Elemente aus etwa 2800 Isotopen, wovon 2500 künstlich erzeugt wurden. Isotope werden – bis auf die Ausnahmen der Wasserstoffisotope Deuterium und Tritium – nach dem chemischen Element und der Massenzahl bezeichnet. Das Symbol für ein bestimmtes Isotop des Elements hat die Form , oder X- A (Beispiele: , , Pb-208). Die Angabe der Protonenzahl Z ist redundant, da sie schon durch die Ordnungszahl des Elements gegeben ist.

Nuklid ist die ganz allgemeine Bezeichnung für Atomarten, unabhängig davon, ob sie zum gleichen Element gehören oder nicht. Die Nuklidkarte oder Isotopenkarte – wichtig für die Kernphysik und ihre Anwendungen – ist eine Tabelle, in der jede Atomart einen eigenen Platz erhält. Dazu wird auf einer Achse die Anzahl der Protonen, auf der anderen die der Neutronen aufgetragen. Häufig wird die Stabilität und bei instabilen Nukliden auch die Art der Umwandlung oder die Größenordnung der Halbwertszeit durch bestimmte Farben und gegebenenfalls auch Teilung des dem Isotop zugewiesenen Platzes dargestellt.

Stabile und instabile (radioaktive) Atome

Der Atomkern eines Nuklids kann entweder im energetischen Grundzustand oder in einem der verschiedenen Anregungszustände vorliegen. Wenn darunter relativ langlebige, sogenannte metastabile Zustände sind, werden diese als Isomere bezeichnet und als eigene Nuklide gezählt (Symbol , o. ä.). Nach dieser Definition sind mit dem Stand von 2003 insgesamt etwa 3200 Nuklide bekannt. [36]

In der Kernphysik werden Nuklide mit unterschiedlichen Protonenzahlen, aber gleicher Massenzahl als Isobare bezeichnet. Seltener werden unter dem Namen Isotone Nuklide mit verschiedenen Protonenzahlen, aber gleicher Neutronenzahl zusammengefasst.

Nur etwa 250 Isotope von 80 Elementen haben einen stabilen Kern. Alle anderen Atome sind instabil und wandeln sich über kurz oder lang in Atome eines stabilen Isotops um. Da sie dabei im Allgemeinen ionisierende Strahlung aussenden, heißen sie auch Radioisotope oder Radionuklide . Auf der Erde wurden in den natürlichen Vorkommen neben allen 250 stabilen Isotopen 30 Radioisotope gefunden, die sich auf 10 radioaktive Elemente verteilen und die natürliche Radioaktivität verursachen. [37] Viele weitere kurzlebige Isotope existieren im Inneren von Sternen, insbesondere während der Supernova -Phase.

Seltene und theoretische Formen

Als Rydberg-Atom wird ein Atom bezeichnet, in dem ein Elektron in einem so hohen Energiezustand angeregt ist, dass es den Atomkern, teilweise auch den gesamten Atomrumpf, bestehend aus dem Atomkern und den restlichen Elektronen, in weitem Abstand umkreist und sein Verhalten damit dem eines klassischen Teilchens ähnelt. Rydberg-Atome können über 100.000-mal größer sein als nicht angeregte Atome. Da sie extrem empfindlich auf äußere Felder reagieren, kann man mit ihnen z. B. die Wechselwirkung mit einem einzelnen Photon im Detail untersuchen. Sind zwei oder mehr Elektronen in solchen Zuständen angeregt, spricht man von planetarischen Atomen .

Im teils übertragenen Sinn werden als exotische Atome auch solche Systeme bezeichnet, die in physikalischer Hinsicht gewisse Ähnlichkeiten zu den gewöhnlichen Atomen aufweisen. In ihnen kann z. B. eines der Protonen, Neutronen oder Elektronen durch ein anderes Teilchen derselben Ladung ersetzt worden sein. Wird etwa ein Elektron durch ein schwereres Myon ersetzt, bildet sich ein myonisches Atom. [38] [39] [40] Als Positronium wird ein exotisches Atom bezeichnet, in dem ein Elektron statt an ein Proton an ein Positron , das ist das positiv geladene Antiteilchen des Elektrons, gebunden ist. Auch Atome, die gänzlich aus Antiteilchen zur normalen Materie aufgebaut sind, sind möglich. So wurden erstmals 1995 am Genfer CERN Antiwasserstoffatome künstlich hergestellt und nachgewiesen. [41] An solchen exotischen Atomen lassen sich unter anderem fundamentale physikalische Theorien über die Symmetrie zwischen Teilchen und Antiteilchen überprüfen.

Des Weiteren wird der Name Atom manchmal auch für Zwei-Teilchen-Systeme verwendet, die nicht durch elektromagnetische Wechselwirkung zusammengehalten werden, sondern durch die starke Wechselwirkung . Bei einem solchen Quarkonium handelt es sich um ein kurzlebiges Elementarteilchen vom Typ Meson , das aus einem Quark und einem Antiquark aufgebaut ist. Ein Quarkonium-Atom lässt sich in seinen verschiedenen metastabilen Zuständen so durch Quantenzahlen klassifizieren wie das Wasserstoffatom.

Entstehung

Etwa eine Sekunde nach dem Urknall kamen wegen sinkender Temperatur die ständigen Umwandlungen zwischen den Elementarteilchen zur Ruhe, übrig blieben Elektronen, Protonen und Neutronen. In den darauf folgenden drei Minuten verbanden sich in der primordialen Nukleosynthese die vorhandenen Neutronen mit Protonen zu den einfachsten Kernen: Deuterium , Helium , in geringerem Umfang auch Lithium und möglicherweise in noch kleineren Mengen Beryllium und Bor . Die übrigen Protonen (86 Prozent) blieben erhalten. [42] Die ersten neutralen Atome mit dauerhaft gebundenen Elektronen wurden erst 380.000 Jahre nach dem Urknall in der Rekombinationsphase gebildet, als das Universum durch Expansion so weit abgekühlt war, dass die Atome nicht sogleich wieder ionisiert wurden. [43]

Die Kerne aller schwereren Atome wurden und werden durch verschiedene Prozesse der Kernfusion erzeugt. Am wichtigsten ist die stellare Nukleosynthese , durch die in Sternen zunächst Helium, anschließend auch die schwereren Elemente bis zum Eisen gebildet werden. Elemente mit höheren Kernladungszahlen als Eisen entstehen in explosionsartigen Vorgängen wie im r-Prozess in Supernovae und im s-Prozess in AGB-Sternen , die kurz vor dem Ende ihrer Lebensdauer sind.

Kleine Mengen verschiedener Elemente und Isotope werden auch dadurch gebildet, dass schwere Kerne wieder geteilt werden. Das geschieht durch radioaktive Zerfälle (siehe Zerfallsreihe ), die ua für einen Teil des Vorkommens von Helium und Blei verantwortlich sind, und Spallationen , die für die Entstehung von Lithium, Beryllium und Bor wichtig sind. [44]

Vorkommen und Verteilung

Häufigkeiten von Elementen im Universum ( logarithmische Skala)

Im beobachtbaren Universum liegen die Atome mit einer mittleren Dichte von 0,25 Atome/m³ vor. Nach dem Urknallmodell ( Lambda-CDM-Modell ) bilden sie etwa 4,9 Prozent der gesamten Energiedichte. Die übrigen 95,1 Prozent, deren Natur noch weitgehend unklar ist, setzen sich aus etwa 27 Prozent dunkler Materie und 68 Prozent dunkler Energie zusammen, [45] sowie kleinen Beiträgen von Neutrinos und elektromagnetischer Strahlung. [46] Im Inneren einer Galaxie wie etwa der Milchstraße ist im interstellaren Medium (ISM) die Dichte der Atome wesentlich höher und liegt zwischen 10 4 und 10 11 Atome/m 3 . [47] Die Sonne befindet sich in der weitgehend staubfreien lokalen Blase , daher ist die Dichte in der Umgebung des Sonnensystems nur etwa 10 3 Atome/m 3 . [48] In festen Himmelskörpern wie der Erde beträgt die Atomdichte etwa 10 29 Atome/m 3 .

In der Verteilung der Elemente dominiert im Universum Wasserstoff mit rund drei Viertel der Masse, danach folgt Helium mit etwa einem Viertel. Alle schwereren Elemente sind viel seltener und machen nur einen kleinen Teil der im Universum vorhandenen Atome aus. Ihre Häufigkeiten werden von den verschiedenen Mechanismen der Nukleosynthese bestimmt. [49]

Im Sonnensystem sind Wasserstoff und Helium vorwiegend in der Sonne und den Gasplaneten enthalten. Dagegen überwiegen auf der Erde die schweren Elemente. Die häufigsten Elemente sind hier Sauerstoff , Eisen , Silicium und Magnesium . Der Erdkern besteht vorwiegend aus Eisen, während in der Erdkruste Sauerstoff und Silicium vorherrschen.

Bestandteile des Atoms

Die beiden Hauptbestandteile eines Atoms sind der Atomkern und die Atomhülle. Die Hülle besteht aus Elektronen. Sie trägt mit weniger als 0,06 Prozent zur Masse des Atoms bei, bestimmt aber dessen Größe und dessen Verhalten gegenüber anderen Atomen, wenn sie einander nahe kommen. Der Kern besteht aus Protonen und Neutronen, ist im Durchmesser zehn- bis hunderttausendmal kleiner als die Hülle, enthält aber mehr als 99,9 Prozent der Masse des Atoms.

Atomkern

Aufbau

Die Bindungsenergie , die pro Nukleon aufgebracht werden muss, um den Kern vollständig in Nukleonen zu zerlegen, für die auf der Erde natürlich vorkommenden Kerne.

Die in einem Atom vorhandenen Protonen und Neutronen , zusammen auch als Nukleonen bezeichnet, sind aneinander gebundenen und bilden den Atomkern. Die Nukleonen zählen zu den Hadronen . Das Proton ist positiv geladen, das Neutron ist elektrisch neutral. Proton und Neutron haben einen Durchmesser von etwa 1,6 fm ( Femtometer ) und sind selber keine Elementarteilchen, sondern nach dem Standardmodell der Elementar teilchenphysik aus den punktförmigen Quarks aufgebaut. Jeweils drei Quarks binden sich durch die starke Wechselwirkung , die durch Gluonen vermittelt wird, zu einem Nukleon. Die starke Wechselwirkung ist darüber hinaus für den Zusammenhalt der Nukleonen im Atomkern verantwortlich, insbesondere ist die Anziehung bis zu etwa 2,5 fm Abstand deutlich stärker als die gegenseitige elektrische Abstoßung der Protonen. [50] Unterhalb von etwa 1,6 fm wird die starke Wechselwirkung der Hadronen jedoch stark abstoßend. Anschaulich gesprochen verhalten sich die Nukleonen im Kern also etwa wie harte Kugeln, die aneinander haften. Daher steigt das Volumen des Kerns proportional zur Nukleonenzahl (Massenzahl) . Sein Radius beträgt etwa fm.

Der leichteste Atomkern besteht aus nur einem Proton. Mehrere Protonen stoßen sich zwar gemäß der Elektrostatik ab, können zusammen mit einer geeigneten Anzahl von Neutronen aber ein stabiles System bilden. Doch schon bei kleinen Abweichungen von dem energetisch günstigsten Zahlenverhältnis ist der Kern instabil und wandelt sich spontan um, indem aus einem Neutron ein Proton wird oder umgekehrt und die frei werdende Energie und Ladung als Betastrahlung abgegeben wird. Kerne mit bis zu etwa 20 Protonen sind nur bei einem Verhältnis von nahezu 1:1 von Neutronenzahl und Protonenzahl stabil. Darüber steigt in den stabilen Atomkernen das Verhältnis von 1:1 bis auf etwa 1,5:1, weil bei größeren Protonenzahlen wegen ihrer elektrostatischen Abstoßung die Anzahl der Neutronen schneller anwachsen muss als die der Protonen (Details siehe Tröpfchenmodell ). Die Bindungsenergie liegt in stabilen Kernen (abgesehen von den leichtesten) oberhalb von 7 MeV pro Nukleon (siehe Abbildung) und übertrifft damit die Bindungsenergie der äußeren Elektronen der Atomhülle oder die chemische Bindungsenergie in stabilen Molekülen um das ca. 10 6 -fache. Kerne mit bestimmten Nukleonenzahlen, die als Magische Zahl bezeichnet werden, beispielsweise Helium -4, Sauerstoff -16 oder Blei -208, sind besonders stabil, was mit dem Schalenmodell des Atomkerns erklärt werden kann.

Oberhalb einer Zahl von 82 Protonen (also jenseits von Blei) sind alle Kerne instabil. Sie wandeln sich durch Ausstoßen eines Kerns He-4 in leichtere Kerne um ( Alphastrahlung ). Dies wiederholt sich, zusammen mit Betastrahlung, so lange, bis ein stabiler Kern erreicht ist; mehrere Zerfallsstufen bilden eine Zerfallsreihe . Auch zu den Protonenzahlen 43 ( Technetium ) und 61 ( Promethium ) existiert kein stabiler Kern. Daher kann es insgesamt nur 80 verschiedene stabile chemische Elemente geben, alle weiteren sind radioaktiv. Sie kommen auf der Erde nur dann natürlich vor, wenn sie selber oder eine ihrer Muttersubstanzen eine genügend lange Halbwertzeit haben.

Masse

Da der Großteil der Atommasse von den Neutronen und Protonen stammt und diese etwa gleich schwer sind, wird die Gesamtzahl dieser Teilchen in einem Atom als Massenzahl bezeichnet. Die genaue Masse eines Atoms wird oft in der atomaren Masseneinheit u angegeben; ihr Zahlenwert ist dann etwa gleich der Massenzahl. Kleinere Abweichungen entstehen durch den Massendefekt der Atomkerne. Die atomare Masseneinheit ergibt sich aus der Definition der SI-Einheit des Mols in der Art und Weise, dass ein Atom des Kohlenstoffisotops 12 C (im Grundzustand inklusive seiner Hüllenelektronen) eine Masse von exakt 12 u besitzt. Damit beträgt 1 u gleich 1,66053904 · 10 −27 kg. [51] Ein Atom des leichtesten Wasserstoffisotops hat eine Masse von 1,007825 u. Das schwerste stabile Nuklid ist das Bleiisotop 208 Pb mit einer Masse von 207,9766521 u. [52]

Da makroskopische Stoffmengen so viele Atome enthalten, dass die Angabe ihrer Anzahl als natürliche Zahl unhandlich wäre, erhielt die Stoffmenge eine eigene Einheit, das Mol . Ein Mol sind etwa 6,022 · 10 23 Atome (oder auch Moleküle oder andere Teilchen; die betrachtete Teilchenart muss immer mitgenannt werden). Die Masse von 1 Mol Atomen der Atommasse X u ist daher exakt X g. [51] Daher ist es in der Chemie üblich, Atommassen statt in u auch indirekt in g/mol anzugeben.

Bildung und Zerfall

In welcher Art ein instabiler Atomkern zerfällt, ist für das jeweilige Radionuklid typisch. Bei manchen Nukliden können die (untereinander völlig gleichen) Kerne auch auf verschiedene Arten zerfallen, so dass mehrere Zerfallskanäle mit bestimmten Anteilen beteiligt sind. Die wichtigsten radioaktiven Zerfälle sind

Illustration einer Kernfusion: zwei Protonen (oben) reagieren zu einem Deuteriumkern, bestehend aus einem Proton und einem Neutron. Bei der Reaktion entstehen ein Positron e + (das Antiteilchen des Elektrons) und ein Elektron- Neutrino

Die Energien der Strahlungen sind für das jeweilige Nuklid charakteristisch, ebenso wie die Halbwertszeit , die angibt, wie lange es dauert, bis die Hälfte einer Probe des Nuklids zerfallen ist.

Durch Anlagerung eines Neutrons kann sich ein Kern in das nächstschwerere Isotop desselben Elements verwandeln. Durch den Beschuss mit Neutronen oder anderen Atomkernen kann ein großer Atomkern in mehrere kleinere Kerne gespalten werden. Einige schwere Nuklide können sich auch ohne äußere Einwirkung spontan spalten .

Größere Atomkerne können aus kleineren Kernen gebildet werden. Dieser Vorgang wird Kernfusion genannt. Für eine Fusion müssen sich Atomkerne sehr nahe kommen. Diesem Annähern steht die elektrostatische Abstoßung beider Kerne, der sogenannte Coulombwall , entgegen. Aus diesem Grund ist eine Kernfusion (außer in bestimmten Experimenten) nur unter sehr hohen Temperaturen von mehreren Millionen Grad und hohen Drücken, wie sie im Inneren von Sternen herrschen, möglich. Die Kernfusion ist bei Nukliden bis zum Nickel-62 eine exotherme Reaktion, so dass sie im Großen selbsterhaltend ablaufen kann. Sie ist die Energiequelle der Sterne. Bei Atomkernen jenseits des Nickels nimmt die Bindungsenergie pro Nukleon ab; die Fusion schwererer Atomkerne ist daher endotherm und damit kein selbsterhaltender Prozess. Die Kernfusion in Sternen kommt daher zum Erliegen, wenn die leichten Atomkerne aufgebraucht sind. [53]

Atomhülle

Aufbau und Bindungsenergie

Die Atomhülle besteht aus Elektronen, die aufgrund ihrer negativen Ladung an den positiven Atomkern gebunden sind. Sie wird oft auch als Elektronenhülle bezeichnet. Bei einem neutralen Atom mit Elektronen beträgt die durchschnittliche Bindungsenergie je Elektron etwa . [54] Sie nimmt daher mit steigender Teilchenzahl erheblich zu, im Gegensatz zur durchschnittlichen Bindungsenergie pro Nukleon im Kern, die ab der Amssenzahl sogar abnimmt. Zur Erklärung wird angeführt, dass zwischen Nukleonen nur Bindungskräfte kurzer Reichweite wirken, die kaum über die benachbarten Teilchen hinausreichen, während die Hülle durch die elektrostatische Anziehungskraft gebunden ist, die vom -fach geladenen Kern aus alle Elektronen erfasst.

Abgesehen von der Masse, die zu über 99,95 Prozent im Atomkern konzentriert ist, ist die Atomhülle für praktisch alle äußeren Eigenschaften des Atoms verantwortlich. Der Begriff Atommodell bezieht sich daher im engeren Sinn meist nur auf die Hülle (siehe Liste der Atommodelle ). Ein einfaches Atommodell ist das Schalenmodell , nach dem die Elektronen sich in bestimmten Schalen um den Kern anordnen, in denen jeweils für eine bestimmte Anzahl Elektronen Platz ist. Allerdings haben diese Schalen weder einen bestimmten Radius noch eine bestimmte Dicke, sondern überlappen und durchdringen einander teilweise. Besser getrennt sind sie auf der Skala der Bindungsenergie der Elektronen.

Interpretation grundlegender Atomeigenschaften im Rahmen des Schalenmodells

Die Atomhülle bestimmt die Stärke und Abstandsabhängigkeit der Kräfte zwischen zwei Atomen. Im Abstandsbereich mehrerer Atomdurchmesser polarisieren sich die gesamten Atomhüllen wechselseitig, sodass durch elektrostatische Anziehung anziehende Kräfte, die Van-der-Waals-Kräfte , entstehen. Sie bewirken vor allem die Kondensation der Gase zu Flüssigkeiten , also einen Wechsel der Aggregatzustände .

Die (näherungsweise) Inkompressibilität der Flüssigkeiten und Festkörper hingegen beruht darauf, dass alle Atome bei starker Annäherung einander stark abstoßen, sobald sich ihre Hüllen im Raum merklich überschneiden und daher verformen müssen. Außer im Fall zweier Wasserstoff atome, die jeweils nur ein Elektron in der Hülle haben, spielt die elektrostatische Abstoßung der beiden Atomkerne dabei nur eine geringe Rolle.

In einem mittleren Abstandsbereich zwischen dem Vorherrschen der schwach anziehenden Van-der-Waals-Kräfte und der starken Abstoßung kommt es zwischen zwei oder mehr zueinander passenden Atomhüllen zu einer besonders starken Anziehung, der chemischen Bindung . Bei Atomen bestimmter Elemente kann diese Anziehung zu einem stabilen Molekül führen, das aus Atomen in zahlenmäßig genau festgelegter Beteiligung und räumlicher Anordnung aufgebaut ist. Die Moleküle sind die kleinsten Stoffeinheiten der chemischen Verbindungen, also der homogenen Materialien in all ihrer Vielfalt. Vermittelt über die Hüllen ihrer Atome ziehen auch Moleküle einander an. Ein fester Körper entsteht, wenn viele Moleküle sich aneinander binden und dabei, weil es energetisch günstig ist, eine feste Anordnung einhalten. Ist diese Anordnung regelmäßig, bildet sich ein Kristallgitter . Infolge dieser Bindung ist der feste Körper nicht nur weitgehend inkompressibel wie eine Flüssigkeit, sondern im Unterschied zu dieser auch auf Zug belastbar und deutlich weniger leicht verformbar. Verbinden sich Atome metallischer Elemente miteinander, ist ihre Anzahl nicht festgelegt und es können sich nach Größe und Gestalt beliebige Körper bilden. Vor allem chemisch reine Metalle zeigen dann meist auch eine große Verformbarkeit . Verbindungen verschiedener Metalle werden Legierung genannt. Die Art der Bindung von Metallatomen erklärt, warum Elektronen sich fast frei durch das Kristallgitter bewegen können, was die große elektrische Leitfähigkeit und Wärmeleitfähigkeit der Metalle verursacht. Zusammengefasst ergeben sich aus der Wechselwirkung der Atomhüllen miteinander die mechanische Stabilität und viele weitere Eigenschaften der makroskopischen Materialien.

Aufgrund des unscharfen Randes der Atomhülle liegt die Größe der Atome nicht eindeutig fest. Die als Atomradien tabellierten Werte sind aus der Bindungslänge gewonnen, das ist der energetisch günstigste Abstand zwischen den Atomkernen in einer chemischen Bindung. Insgesamt zeigt sich mit steigender Ordnungszahl eine in etwa periodische Variation der Atomgröße, die mit der periodischen Variation des chemischen Verhaltens gut übereinstimmt. Im Periodensystem der Elemente gilt allgemein, dass innerhalb einer Periode, also einer Zeile des Systems, eine bestimmte Schale aufgefüllt wird. Von links nach rechts nimmt die Größe der Atome dabei ab, weil die Kernladung anwächst und daher alle Schalen stärker angezogen werden. Wenn eine bestimmte Schale mit den stark gebundenen Elektronen gefüllt ist, gehört das Atom zu den Edelgasen . Mit dem nächsten Elektron beginnt die Besetzung der Schale mit nächstkleinerer Bindungsenergie, was mit einem größeren Radius verbunden ist. Innerhalb einer Gruppe, also einer Spalte des Periodensystems, nimmt die Größe daher von oben nach unten zu. Dementsprechend ist das kleinste Atom das Heliumatom am Ende der ersten Periode mit einem Radius von 32 pm, während eines der größten Atome das Caesium atom ist, das erste Atom der 5. Periode. Es hat einen Radius von 225 pm. [55]

Erklärung der Atomeigenschaften im Rahmen des Orbitalmodells

Die dem Schalenmodell zugrundeliegenden Elektronenschalen ergeben sich durch die Quantisierung der Elektronenenergien im Kraftfeld des Atomkerns nach den Regeln der Quantenmechanik . Um den Kern herum bilden sich verschiedene Atomorbitale , das sind unscharf begrenzte Wahrscheinlichkeitsverteilungen für mögliche räumliche Zustände der Elektronen. Jedes Orbital kann aufgrund des Pauli-Prinzips mit maximal zwei Elektronen besetzt werden, dem Elektronenpaar . Die Orbitale, die unter Vernachlässigung der gegenseitigen Abstoßung der Elektronen und der Feinstruktur theoretisch die gleiche Energie hätten, bilden eine Schale. Die Schalen werden mit der Hauptquantenzahl durchnummeriert oder fortlaufend mit den Buchstaben K, L, M, … bezeichnet. Genauere Messungen zeigen, dass ab der zweiten Schale nicht alle Elektronen einer Schale die gleiche Energie besitzen. Falls erforderlich, wird durch die Nebenquantenzahl oder Drehimpulsquantenzahl eine bestimmte Unterschale identifiziert.

Sind die Orbitale, angefangen vom energetisch niedrigsten, so weit mit Elektronen besetzt, dass die gesamte Elektronenzahl gleich der Protonenzahl des Kerns ist, ist das Atom neutral und befindet sich im Grundzustand. Werden in einem Atom ein oder mehrere Elektronen in energetisch höherliegende Orbitale versetzt, ist das Atom in einem angeregten Zustand . Die Energien der angeregten Zustände haben für jedes Atom wohlbestimmte Werte, die sein Termschema bilden. Ein angeregtes Atom kann seine Überschussenergie abgeben durch Stöße mit anderen Atomen, durch Emission eines der Elektronen ( Auger-Effekt ) oder durch Emission eines Photons , also durch Erzeugung von Licht oder Röntgenstrahlung. Bei sehr hoher Temperatur oder in Gasentladungen können die Atome durch Stöße Elektronen verlieren (siehe Ionisationsenergie ), es entsteht ein Plasma , so z. B. in einer heißen Flamme oder in einem Stern.

Absorptionslinien im Spektrum der Sonne. Aus dem eingestrahlten Licht, das ein kontinuierliches Spektrum aufweist, wird bei bestimmten Wellenlängen Strahlung absorbiert, was die schwarzen Linien hervorruft.

Da die Energien der Quanten der emittierten Strahlung je nach Atom bzw. Molekül und den beteiligten Zuständen verschieden sind, lässt sich durch Spektroskopie dieser Strahlung die Quelle im Allgemeinen eindeutig identifizieren. Beispielsweise zeigen die einzelnen Atome ihr elementspezifisches optisches Linienspektrum . Bekannt ist etwa die Natrium-D-Linie , eine Doppellinie im gelben Spektralbereich bei 588,99 nm und 589,59 nm, [56] die auch in nebenstehender Abbildung mit D-1 bezeichnet wird. Ihr Aufleuchten zeigt die Anwesenheit von angeregten Natrium-Atomen an, sei es auf der Sonne oder über der Herdflamme bei Anwesenheit von Natrium oder seinen Salzen. Da diese Strahlung einem Atom auch durch Absorption dieselbe Energie zuführen kann, lassen sich die Spektrallinien der Elemente sowohl in Absorptions- als auch in Emissionsspektren beobachten. Diese Spektrallinien lassen sich auch verwenden, um Frequenzen sehr präzise zu vermessen, beispielsweise für Atomuhren .

Obwohl Elektronen sich untereinander elektrostatisch abstoßen, können in einem neutralen Atom zusätzlich bis zu zwei weitere Elektronen gebunden werden, wenn es bei der höchsten vorkommenden Elektronenenergie noch Orbitale mit weiteren freien Plätzen gibt (siehe Elektronenaffinität ). Chemische Reaktionen , dh die Verbindung mehrerer Atome zu einem Molekül oder sehr vieler Atome zu einem Festkörper , werden dadurch erklärt, dass ein oder zwei Elektronen aus einem der äußeren Orbitale eines Atoms ( Valenzelektronen ) unter Energiegewinn auf einen freien Platz in einem Orbital eines benachbarten Atoms ganz hinüberwechseln ( Ionenbindung ) oder sich mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit dort aufhalten ( kovalente Bindung durch ein bindendes Elektronenpaar ). Dabei bestimmt die Elektronegativität der Elemente, bei welchem Atom sich die Elektronen wahrscheinlicher aufhalten. In der Regel werden chemische Bindungen so gebildet, dass die Atome die Elektronenkonfiguration eines Edelgases erhalten ( Edelgasregel ). Für das chemische Verhalten des Atoms sind also Form und Besetzung seiner Orbitale entscheidend. Da diese allein von der Protonenzahl bestimmt werden, zeigen alle Atome mit gleicher Protonenzahl, also die Isotope eines Elements, nahezu das gleiche chemische Verhalten.

Nähern sich zwei Atome über die chemische Bindung hinaus noch stärker an, müssen die Elektronen eines Atoms wegen des Pauli-Prinzips auf freie, aber energetisch ungünstige Orbitale des anderen Atoms ausweichen, was einen erhöhten Energiebedarf und damit eine abstoßende Kraft nach sich zieht.

Wechselwirkung zwischen Kern und Hülle

Mit großer Genauigkeit wird die Wechselwirkung zwischen Kern und Hülle schon durch den einfachen Ansatz beschrieben, in dem der Kern eine punktförmige Quelle eines elektrostatischen Felds nach dem Coulomb-Gesetz darstellt. Alle genannten Atommodelle beruhen hierauf. Aufgrund zusätzlicher Effekte, die in erweiterten Modellen behandelt werden, sind nur extrem kleine Korrekturen nötig, die unter dem Namen Hyperfeinstruktur zusammengefasst werden. Zu berücksichtigen sind hier drei Effekte: erstens die endliche Ausdehnung, die jeder Kern besitzt, zweitens eine magnetische Dipolwechselwirkung , wenn sowohl Kern als auch Hülle eine Drehimpulsquantenzahl von mindestens ½ haben, und drittens eine elektrische Quadrupolwechselwirkung , wenn beide Drehimpulsquantenzahlen mindestens 1 sind.

Die endliche Ausdehnung des Kerns – verglichen mit einer theoretischen Punktladung – bewirkt eine schwächere Anziehung derjenigen Elektronen, deren Aufenthaltswahrscheinlichkeit bis in den Kern hineinreicht. Betroffen sind nur s -Orbitale ( Bahndrehimpuls Null). Bei Atomen mittlerer Ordnungszahl liegt die Korrektur der Bindungsenergie in der Größenordnung von 1 Prozent. Die magnetischen Dipol- bzw. elektrischen Quadrupol-Momente von Hülle und Kern bewirken eine Kopplung mit der Folge, dass die Gesamtenergie eines freien Atoms je nach Quantenzahl seines Gesamtdrehimpulses äußerst geringfügig aufgespalten ist. Im H-Atom beträgt die Aufspaltung etwa ein Millionstel der Bindungsenergie des Elektrons (siehe 21-cm-Linie ). Anschaulich gesprochen hängt die Energie davon ab, in welchem Winkel die Achsen der beiden magnetischen Dipolmomente bzw. elektrischen Quadrupolmomente von Kern und Hülle zueinander stehen.

Auch bei Atomen in Flüssigkeiten und Festkörpern machen sich diese Wechselwirkungen in entsprechend modifizierter Form bemerkbar. Trotz der Kleinheit der dadurch verursachten Effekte haben sie eine große Rolle in der Atom- und Kernforschung gespielt und sind in besonderen Fällen auch bei modernen Anwendungen wichtig.

Beobachtung

Indirekte Beobachtung

Indirekte Möglichkeiten, Atome zu erkennen, beruhen auf der Beobachtung der von ihnen ausgehenden Strahlung. So kann aus Atomspektren beispielsweise die Elementzusammensetzung entfernter Sterne bestimmt werden. Die verschiedenen Elemente lassen sich durch charakteristische Spektrallinien identifizieren, die auf Emission oder Absorption durch Atome des entsprechenden Elements in der Sternatmosphäre zurückgehen. Gasentladungslampen , die dasselbe Element enthalten, zeigen diese Linien als Emissionslinien. [57] Auf diese Weise wurde z. B. 1868 Helium im Spektrum der Sonne nachgewiesen – über 10 Jahre bevor es auf der Erde entdeckt wurde. [58]

Ein Atom kann ionisiert werden, indem eines seiner Elektronen entfernt wird. Die elektrische Ladung sorgt dafür, dass die Flugbahn eines Ions von einem Magnetfeld abgelenkt wird. Dabei werden leichte Ionen stärker abgelenkt als schwere. Das Massenspektrometer nutzt dieses Prinzip, um das Masse-zu-Ladung-Verhältnis von Ionen und damit die Atommassen zu bestimmen.

DieElektronenenergieverlustspektroskopie misst den Energieverlust eines Elektronenstrahls bei der Wechselwirkung mit einer Probe in einem Transmissionselektronenmikroskop .

Beobachtung einzelner Atome

Ein mit einem Rastertunnelmikroskop erstelltes Bild einer rekonstruierten Goldoberfläche mit atomarer Auflösung.

Eine direkte Abbildung, die einzelne Atome erkennen lässt, wurde erstmals 1951 mit dem Feldionenmikroskop (oder Feldemissionsmikroskop ) erzielt. Auf einem kugelförmigen Bildschirm, in dessen Mittelpunkt sich eine extrem feine Nadelspitze befindet, erscheint ein etwa millionenfach vergrößertes Bild. Darin sind die obersten Atome, die die Spitze bilden, nebeneinander als einzelne Lichtpunkte zu erkennen. Dies kann heute auch im Physikunterricht an der Schule vorgeführt werden. Das Bild entsteht in Echtzeit und erlaubt z. B. die Betrachtung der Wärmebewegung einzelner Fremdatome auf der Spitze.

Auch das Rastertunnelmikroskop ist ein Gerät, das einzelne Atome an der Oberfläche eines Körpers sichtbar macht. Es verwendet den Tunneleffekt , der es Teilchen erlaubt, eine Energiebarriere zu passieren, die sie nach klassischer Physik nicht überwinden könnten. Bei diesem Gerät tunneln Elektronen durch einen nur Nanometer breiten Spalt zwischen einer elektrisch leitenden Spitze und der elektrisch leitenden Probe. Bei Seitwärtsbewegungen zur Abrasterung der Probe wird die Höhe der Spitze so nachgeregelt, dass immer derselbe Strom fließt. Die Bewegung der Spitze bildet die Topographie und Elektronenstruktur der Probenoberfläche ab. Da der Tunnelstrom sehr stark vom Abstand abhängt, ist die laterale Auflösung viel feiner als der Radius der Spitze, manchmal atomar. [33] [34]

Eine tomographische Atomsonde erstellt ein dreidimensionales Bild mit einer Auflösung unterhalb eines Nanometers und kann einzelne Atome ihrem chemischen Element zuordnen. [59]

Aufbauend auf einer um 2010 entwickelten Atom-Licht-Schnittstelle ist es 2020 gelungen, Fotos einzelner Atome zu machen, die weniger als einen Tausendstel Millimeter über einer lichtleitenden Glasfaser schweben. Dadurch ist es unter Laborbedingungen nun möglich, Effekte wie die Absorption und Aussendung von Licht kontrollierter als bisher zu untersuchen. Dies kann bei der Entwicklung neuartiger optischer Glasfaser-Netzwerke helfen. [60]

Literatur

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Weblinks

Commons : Atoms – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien
Wiktionary: Atom – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen

Einzelnachweise

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