Was sind die Teile eines Atoms?

Seit Anbeginn der Zeit haben die Menschen versucht zu verstehen, woraus das Universum und alles darin besteht. Und während antike Magier und Philosophen sich eine Welt aus vier oder fünf Elementen – Erde, Luft, Wasser, Feuer (und Metall oder Bewusstsein) – vorstellten, begannen Philosophen in der Antike zu theoretisieren, dass alle Materie tatsächlich aus winzigen, unsichtbare und unteilbare Atome.

Seit dieser Zeit beschäftigen sich Wissenschaftler mit einem fortwährenden Entdeckungsprozess mit dem Atom, in der Hoffnung, seine wahre Natur und Beschaffenheit zu entdecken. Im 20. Jahrhundert wurde unser Verständnis so weit verfeinert, dass wir ein genaues Modell davon konstruieren konnten. Und innerhalb des letzten Jahrzehnts ist unser Verständnis noch weiter fortgeschritten, bis wir die Existenz fast aller seiner theoretisierten Teile bestätigt haben.

Heute konzentriert sich die Atomforschung auf die Untersuchung der Struktur und Funktion der Materie auf subatomarer Ebene. Dies besteht nicht nur darin, alle subatomaren Teilchen zu identifizieren, von denen angenommen wird, dass sie ein Atom bilden, sondern auch die Kräfte zu untersuchen, die sie beherrschen. Dazu gehören starke Kernkräfte, schwache Kernkräfte, Elektromagnetismus und Schwerkraft. Hier ist eine Aufschlüsselung von allem, was wir bisher über das Atom gelernt haben…

Struktur des Atoms:

Unser aktuelles Atommodell lässt sich in drei Bestandteile zerlegen – Protonen, Neutronen und Elektronen. Jeder dieser Teile hat eine zugehörige Ladung, wobei Protonen eine positive Ladung tragen, Elektronen eine negative Ladung haben und Neutronen keine Nettoladung besitzen. Gemäß dem Standardmodell der Teilchenphysik , Protonen und Neutronen bilden den Atomkern, während Elektronen ihn in einer „Wolke“ umkreisen.

Neils Bohrs Modell ein Stickstoffatom. Bildnachweis: britannica.com

Die Elektronen in einem Atom werden durch die elektromagnetische Kraft von den Protonen im Kern angezogen. Elektronen können aus ihrer Umlaufbahn entweichen, jedoch nur als Reaktion auf eine externe Energiequelle. Je näher die Bahn des Elektrons am Kern ist, desto größer ist die Anziehungskraft; Daher ist die äußere Kraft, die benötigt wird, um ein Elektron zum Entweichen zu bringen, stärker.

Elektronen umkreisen den Kern in mehreren Bahnen, von denen jede einem bestimmten Energieniveau des Elektrons entspricht. Das Elektron kann seinen Zustand auf ein höheres Energieniveau ändern, indem es ein Photon mit ausreichender Energie absorbiert, um es in den neuen Quantenzustand zu bringen. Ebenso kann ein Elektron in einem höheren Energiezustand in einen niedrigeren Energiezustand fallen, während es die überschüssige Energie als Photon abstrahlt.

Atome sind elektrisch neutral, wenn sie die gleiche Anzahl von Protonen und Elektronen haben. Atome, die entweder ein Elektronendefizit oder einen Elektronenüberschuss aufweisen, werden als Ionen bezeichnet. Elektronen, die am weitesten vom Kern entfernt sind, können auf andere nahe Atome übertragen oder zwischen Atomen geteilt werden. Durch diesen Mechanismus sind Atome in der Lage, sich zu Molekülen und anderen Arten chemischer Verbindungen zu verbinden.

Alle drei dieser subatomaren Teilchen sind Fermionen, eine Klasse von Teilchen, die mit Materie verbunden sind, die entweder elementar (Elektronen) oder zusammengesetzt (Protonen und Neutronen) ist. Das bedeutet, dass Elektronen keine bekannte innere Struktur haben, während Protonen und Neutronen aus anderen subatomaren Teilchen bestehen. Quarks genannt. Es gibt zwei Arten von Quarks in Atomen, die einen Bruchteil der elektrischen Ladung haben.

Elementarteilchen des Standardmodells. Bildnachweis: PBS NOVA/Fermilab/Particle Data Group

Protonen bestehen aus zwei „up“-Quarks (jeweils mit einer Ladung von +2/3) und einem „down“-Quark (-1/3), während Neutronen aus einem up-Quark und zwei down-Quarks bestehen. Diese Unterscheidung erklärt den Ladungsunterschied zwischen den beiden Teilchen, der eine Ladung von +1 bzw. 0 ergibt, während Elektronen eine Ladung von -1 haben.

Andere subatomare Teilchen sind Leptonen, die sich mit Fermionen verbinden, um die Bausteine ​​der Materie zu bilden. Im vorliegenden Atommodell gibt es sechs Leptonen: die Elektron-, Myon- und Tau-Teilchen sowie die dazugehörigen Neutrinos. Die verschiedenen Sorten der Lepton-Partikel, die allgemein als „Aromen“ bezeichnet werden, unterscheiden sich durch ihre Größe und Ladung, was sich auf die Höhe ihrer elektromagnetischen Wechselwirkungen auswirkt.

Dann gibt es Spurbosonen, die als „Kraftträger“ bekannt sind, da sie physikalische Kräfte vermitteln. Zum Beispiel sind Gluonen für die starke Kernkraft verantwortlich, die Quarks zusammenhält, während W- und Z-Bosonen (noch hypothetisch) für die schwache Kernkraft des Elektromagnetismus verantwortlich gemacht werden. Photonen sind die Elementarteilchen, aus denen Licht besteht, während das Higgs-Boson dafür verantwortlich ist, den W- und Z-Bosonen ihre Masse zu verleihen.

Atommasse:

Der Großteil der Masse eines Atoms stammt aus den Protonen und Neutronen, die seinen Kern bilden. Elektronen sind mit einer Masse von 9,11 x 10 . die am wenigsten massiven Teilchen eines Atoms^-31kg und eine Größe, die zu klein ist, um mit den derzeitigen Techniken gemessen zu werden. Protonen haben eine Masse, die das 1.836-fache der des Elektrons beträgt, bei 1,6726×10^-27kg, während Neutronen mit 1,6929×10 . die massereichsten der drei sind^-27kg (1.839-fache Masse des Elektrons).

Die Massen aller 6 Geschmacksrichtungen von Quarks, mit einem Proton und einem Elektron (roter Punkt) unten links zur Skalierung. Bildnachweis: Wikipedia/Incnis Mrsi

Die Gesamtzahl der Protonen und Neutronen im Kern eines Atoms (genannt „Nukleonen“) wird als Massenzahl bezeichnet. Das Element Kohlenstoff-12 zum Beispiel wird so genannt, weil es eine Massenzahl von 12 hat – abgeleitet von seinen 12 Nukleonen (sechs Protonen und sechs Neutronen). Elemente werden jedoch auch nach ihrer Ordnungszahl angeordnet, die der Anzahl der Protonen im Kern entspricht. In diesem Fall hat Kohlenstoff die Ordnungszahl 6.

Die tatsächliche Masse eines ruhenden Atoms ist sehr schwer zu messen, da selbst die massivsten Atome zu leicht sind, um sie in herkömmlichen Einheiten auszudrücken. Daher verwenden Wissenschaftler oft die einheitliche atomare Masseneinheit (u) – auch Dalton (Da) genannt – die als Zwölftel der Masse eines freien neutralen Atoms von Kohlenstoff-12 definiert ist, was ungefähr 1,66 × 10 beträgt^-27kg.

Chemiker verwenden auch Mol, eine Einheit, die als ein Mol eines Elements definiert ist, das immer die gleiche Anzahl von Atomen hat (etwa 6.022×10 .).²³). Diese Zahl wurde so gewählt, dass ein Mol Atom dieses Elements eine Masse von fast einem Gramm hat, wenn ein Element eine Atommasse von 1 u hat. Aufgrund der Definition der einheitlichen atomaren Masseneinheit hat jedes Kohlenstoff-12-Atom eine Atommasse von genau 12 u, also wiegt ein Mol Kohlenstoff-12-Atome genau 0,012 kg.

Radioaktiver Zerfall:

Zwei Atome mit der gleichen Anzahl von Protonen gehören zum gleichen chemischen Element. Aber Atome mit einer gleichen Anzahl von Protonen können eine unterschiedliche Anzahl von Neutronen haben, die als verschiedene Isotope desselben Elements definiert sind. Diese Isotope sind oft instabil, und alle mit einer Ordnungszahl über 82 sind bekanntermaßen radioaktiv.

Diagramm des Alpha- und Beta-Zerfalls in zwei Uranisotopen. Quelle: Energie-ohne-Kohlenstoff.org

Wenn ein Element zerfällt, verliert sein Kern Energie, indem er Strahlung emittiert – die aus Alphateilchen (Heliumatome), Betateilchen (Positronen), Gammastrahlen (hochfrequente elektromagnetische Energie) und Konversionselektronen bestehen kann. Die Rate, mit der ein instabiles Element zerfällt, wird als „Halbwertszeit“ bezeichnet, d. h. die Zeit, die das Element benötigt, um auf die Hälfte seines Anfangswerts zu fallen.

Die Stabilität eines Isotops wird durch das Verhältnis von Protonen zu Neutronen beeinflusst. Von den 339 verschiedenen Arten von Elementen, die auf der Erde natürlich vorkommen, wurden 254 (ca. 75%) als „stabile Isotope“ bezeichnet – d. h. nicht zerfallen. Weitere 34 radioaktive Elemente haben Halbwertszeiten von mehr als 80 Millionen Jahren und existieren ebenfalls seit dem frühen Sonnensystem (daher werden sie „Urelemente“ genannt).

Schließlich sind 51 weitere kurzlebige Elemente bekannt, die natürlicherweise als „Tochterelemente“ (d. h. nukleare Nebenprodukte) des Zerfalls anderer Elemente (wie Radium aus Uran) vorkommen. Darüber hinaus können kurzlebige radioaktive Elemente das Ergebnis natürlicher energetischer Prozesse auf der Erde sein, wie beispielsweise des Bombardements mit kosmischer Strahlung (z. B. Kohlenstoff-14, der in unserer Atmosphäre vorkommt).

Geschichte des Studiums:

Die frühesten bekannten Beispiele der Atomtheorie stammen aus dem antiken Griechenland und Indien, wo Philosophen wie Demokrit postulierten, dass alle Materie aus winzigen, unteilbaren und unzerstörbaren Einheiten besteht. Der Begriff „Atom“ wurde im antiken Griechenland geprägt und führte zur Denkschule, die als „Atomismus“ bekannt ist. Diese Theorie war jedoch eher ein philosophisches als ein wissenschaftliches Konzept.

Verschiedene Atome und Moleküle, wie sie in John Daltons A New System of Chemical Philosophy (1808) dargestellt sind. Kredit: Gemeinfrei

Erst im 19. Jahrhundert wurde die Atomtheorie als wissenschaftliches Thema artikuliert und die ersten evidenzbasierten Experimente durchgeführt. Zum Beispiel verwendete der englische Wissenschaftler John Dalton Anfang des 19. Jahrhunderts das Konzept des Atoms, um zu erklären, warum chemische Elemente auf bestimmte beobachtbare und vorhersagbare Weise reagierten.

Dalton begann mit der Frage, warum Elemente in Verhältnissen kleiner ganzer Zahlen reagierten, und kam zu dem Schluss, dass diese Reaktionen in ganzzahligen Vielfachen diskreter Einheiten, also Atomen, ablaufen. Durch eine Reihe von Experimenten mit Gasen entwickelte Dalton das so genannte Daltons Atomtheorie , das nach wie vor einer der Eckpfeiler der modernen Physik und Chemie ist.

Die Theorie beruht auf fünf Prämissen: Elemente bestehen in ihrem reinsten Zustand aus Teilchen, die Atome genannt werden; Atome eines bestimmten Elements sind bis auf das letzte Atom alle gleich; Atome verschiedener Elemente können durch ihr Atomgewicht unterschieden werden; Atome von Elementen vereinigen sich, um chemische Verbindungen zu bilden; Atome können in chemischen Reaktionen weder erzeugt noch zerstört werden, nur die Gruppierung ändert sich ständig.

Ende des 19. Jahrhunderts begannen Wissenschaftler zu theoretisieren, dass das Atom aus mehr als einer fundamentalen Einheit besteht. Die meisten Wissenschaftler wagten jedoch, dass diese Einheit die Größe des kleinsten bekannten Atoms hat – Wasserstoff. Und dann im Jahr 1897 durch eine Reihe von Experimenten unter Verwendung von Kathodenstrahlen der Physiker J.J. Thompson gab bekannt, eine Einheit entdeckt zu haben, die 1000-mal kleiner und 1800-mal leichter ist als ein Wasserstoffatom.

Das von John Dalton vorgeschlagene Plum-Pudding-Modell des Atoms. Bildnachweis: britannica.com

Seine Experimente zeigten auch, dass sie mit Teilchen identisch sind, die durch den photoelektrischen Effekt und von radioaktiven Materialien abgegeben werden. Nachfolgende Experimente zeigten, dass dieses Teilchen elektrischen Strom durch Metalldrähte und negative elektrische Ladungen innerhalb von Atomen transportierte. Daher wurde das Teilchen – das ursprünglich als „Korpuskel“ bezeichnet wurde – später in „Elektron“ geändert, nachdem das Teilchen von George Johnstone Stoney im Jahr 1874 vorhergesagt wurde.

Thomson postulierte jedoch auch, dass Elektronen im gesamten Atom verteilt sind, das ein einheitliches Meer positiver Ladung ist. Dies wurde als „Pflaumenpudding-Modell“ bekannt, was sich später als falsch herausstellen sollte. Dies geschah 1909, als die Physiker Hans Gieger und Ernest Marsden (unter der Leitung von Ernest Rutherfod) ihr Experiment mit Metallfolie und Alphateilchen durchführten.

In Übereinstimmung mit Daltons Atommodell glaubten sie, dass die Alphateilchen mit geringer Ablenkung direkt durch die Folie hindurchgehen würden. Viele der Partikel wurden jedoch unter Winkeln von mehr als 90° abgelenkt. Um dies zu erklären, schlug Rutherford vor, dass die positive Ladung des Atoms in einem winzigen Kern im Zentrum konzentriert ist.

Im Jahr 1913 Physiker Niels Bohr schlug ein Modell vor, bei dem Elektronen den Kern umkreisten, dies jedoch nur in einer endlichen Menge von Umlaufbahnen tun konnten. Er schlug auch vor, dass Elektronen zwischen Umlaufbahnen springen können, jedoch nur in diskreten Energieänderungen, die der Absorption oder Strahlung eines Photons entsprechen. Dies verfeinerte nicht nur Rutherfords vorgeschlagenes Modell, sondern führte auch zum Konzept eines quantisierten Atoms, bei dem sich Materie in diskreten Paketen verhielt.

Das Goldfolien-Experiment von Geiger, Marsden und Rutherford. Bildnachweis: gloster.com

Die Entwicklung des Massenspektrometers – das mithilfe eines Magneten die Flugbahn eines Ionenstrahls biegt – ermöglichte eine genauere Messung der Masse von Atomen. Der Chemiker Francis William Aston verwendete dieses Instrument, um zu zeigen, dass Isotope unterschiedliche Massen haben. Dem wiederum folgte der Physiker James Chadwick, der 1932 das Neutron als Erklärung für die Existenz von Isotopen vorschlug.

Im Laufe des frühen 20. Jahrhunderts wurde die Quantennatur von Atomen weiterentwickelt. Im Jahr 1922 führten die deutschen Physiker Otto Stern und Walther Gerlach ein Experiment durch, bei dem ein Strahl von Silberatomen durch ein Magnetfeld geleitet wurde, das den Strahl zwischen den Richtungen des Atomdrehimpulses (oder Spins) aufteilen sollte.

Bekannt als Stern–Gerlach Experiment , war das Ergebnis, dass sich der Strahl in zwei Teile teilte, je nachdem, ob der Spin der Atome nach oben oder unten orientiert war oder nicht. 1926 nutzte der Physiker Erwin Schrödinger die Idee, dass sich Teilchen wie Wellen verhalten, um ein mathematisches Modell zu entwickeln, das Elektronen als dreidimensionale Wellenformen und nicht als bloße Teilchen beschrieb.

Die Verwendung von Wellenformen zur Beschreibung von Partikeln hat zur Folge, dass es mathematisch unmöglich ist, zu einem bestimmten Zeitpunkt genaue Werte sowohl für die Position als auch für den Impuls eines Partikels zu erhalten. Im selben Jahr formulierte Werner Heisenberg dieses Problem und nannte es das „Unsicherheitsprinzip“. Nach Heisenberg kann man für eine gegebene genaue Positionsmessung nur eine Reihe wahrscheinlicher Werte für den Impuls erhalten und umgekehrt.

Kernspaltung, bei der ein Atom von Uran 92 durch ein freies Neutron gespalten wird, um Barium und Krypton zu erzeugen. Bildnachweis: physics.stackexchange.com

In den 1930er Jahren entdeckten Physiker dank der Experimente von Otto Hahn, Lise Meitner und Otto Frisch die Kernspaltung. Hahns Experimente beinhalteten, Neutronen auf Uranatome zu richten, in der Hoffnung, ein Transuranelement zu schaffen. Stattdessen verwandelte der Prozess seine Uran-92-Probe (Ur⁹²) in zwei neue Elemente – Barium (B⁵⁶) und Krypton (Kr²⁷).

Meitner und Frisch verifizierten das Experiment und führten es auf die Aufspaltung der Uranatome in zwei Elemente mit gleichem Gesamtatomgewicht zurück, bei der auch durch Aufbrechen der Atombindungen erhebliche Energie freigesetzt wurde. In den folgenden Jahren begann die Erforschung der möglichen Bewaffnung dieses Prozesses (also Atomwaffen) und führte bis 1945 zum Bau der ersten Atombomben in den USA.

In den 1950er Jahren ermöglichte die Entwicklung verbesserter Teilchenbeschleuniger und Teilchendetektoren den Wissenschaftlern, die Auswirkungen von Atomen zu untersuchen, die sich mit hohen Energien bewegen. Daraus wurde das Standardmodell der Teilchenphysik entwickelt, das bisher erfolgreich die Eigenschaften des Kerns, die Existenz theoretisierter subatomarer Teilchen und die Kräfte, die ihre Wechselwirkungen bestimmen, erklärt hat.

Moderne Experimente:

Seit der zweiten Hälfte des 20. Jahrhunderts wurden viele neue und aufregende Entdeckungen in Bezug auf die Atomtheorie und die Quantenmechanik gemacht. Zum Beispiel im Jahr 2012 die lange Suche nach dem Higgs-Boson führte zu einem Durchbruch, bei dem Forscher an der Europäische Organisation für Kernforschung (CERN) in der Schweiz gab seine Entdeckung bekannt.

Der Large Hadron Collider (LHC) bei der Europäischen Organisation für Kernforschung (CERN). Bildnachweis: home.cern

In den letzten Jahrzehnten haben Physiker viel Zeit und Energie in die Entwicklung einer einheitlichen Feldtheorie (auch bekannt als Grand Unifying Theory oder Theorie von allem ). Im Wesentlichen haben Wissenschaftler seit der Einführung des Standardmodells versucht zu verstehen, wie die vier Grundkräfte des Universums (Schwerkraft, starke und schwache Kernkräfte und Elektromagnetismus) zusammenarbeiten.

Während die Schwerkraft verstanden werden kann mit Einsteins Relativitätstheorien , und Kernkräfte und Elektromagnetismus können verstanden werden mit Quantentheorie , keine Theorie kann erklären, ob alle vier Kräfte zusammenwirken. Versuche, dies zu lösen, haben im Laufe der Jahre zu einer Reihe von vorgeschlagenen Theorien geführt, die von Stringtheorie zu Schleife Quantengravitation . Bis heute hat keine dieser Theorien zu einem Durchbruch geführt.

Unser Verständnis des Atoms hat einen langen Weg zurückgelegt, von klassischen Modellen, die es als inerten Festkörper sahen, der mechanisch mit anderen Atomen wechselwirkte, bis hin zu modernen Theorien, in denen Atome aus energiereichen Teilchen bestehen, die sich unvorhersehbar verhalten. Obwohl es mehrere tausend Jahre gedauert hat, ist unser Wissen über die grundlegende Struktur aller Materie beträchtlich fortgeschritten.

Und doch bleiben viele Rätsel, die noch gelöst werden müssen. Mit der Zeit und anhaltenden Bemühungen können wir endlich die letzten verbleibenden Geheimnisse des Atoms lüften. Andererseits kann es sehr gut sein, dass neue Entdeckungen, die wir machen, nur noch mehr Fragen aufwerfen – und sie könnten noch verwirrender sein als die vorherigen!

Wir haben viele Artikel über das Atom für Universe Today geschrieben. Hier ist ein Artikel über Das Atommodell von John Dalton , Atommodell von Neils Bohr , Wer war Demokrit?, und Wie viele Atome gibt es im Universum?

Wenn du weitere Informationen zum Atom haben möchtest, schau mal vorbei Artikel der NASA zur Analyse winziger Proben , und hier ist ein Link zu Artikel der NASA über Atome, Elemente und Isotope .

Wir haben auch eine ganze Episode von Astronomy Cast rund um das Atom aufgenommen. Hör zu, Folge 164: Im Inneren des Atoms , Folge 263: Radioaktiver Zerfall , und Folge 394: Das Standardmodell, Bosons .