Kapitel 06: Atombau: Das Kern-Hülle Modell und das Periodensystem der Elemente

 

 

Die Elemente der Hauptgruppen 1-8 in ihrer verhältnismäßigen Größe (Atomradien)

Quelle Bild: Creative-Commons-Lizenz „Namensnennung – Weitergabe unter gleichen Bedingungen 3.0 nicht portiert“ by Wikicommonsuser Bleckneuhaus, Danke; https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Periodensystem_mit_Atomradien.pdf

 

 

John Dalton (1766-1844) und seine Atomhypothese

John Dalton, geboren am 6. September 1766 in Eaglesfield, England, war ein englischer Naturwissenschaftler und Lehrer. Sein Vater war als Weber reich genug, seinen Sohn auf eine Schule zu schicken. Für die damalige Zeit keine Selbstverständlichkeit. Schon im Alter von 12 Jahren wurde er selbst an dieser Schule als Lehrer tätig. Im Alter von 15 Jahren (also 1781) begann er im benachbarten Kendal mit seinem Bruder und seinem Cousin eine neue Schule zu leiten. 12 Jahre später (1793) wird er an das „New College“ nach Manchester be­rufen, wo er Studenten unterrichteten sollte. Er starb am 27.7.1844, im Alter von 78 Jahren in Manchester.

Sein Interesse galt vielen Dingen, vor allem aber den Vorgängen der Natur. Durch seine meteorologische Be­obachtungen vermutete er schon 1787, dass Regen durch ein Sinken der Atmosphäretemperatur entsteht. Weiterhin arbeitete er auf dem Gebiet der Wärmeausdehnung von Gasen und formulierte ein Gesetz dazu (das „Dalton-Gesetz der Partialdrücke“). John Dalton entdeckte auch die Farbenblindheit, an der er selbst litt.

Seine wichtigste Theorie veröffentlichte er 1803 zu den chemischen Elementen. Er vermutet, dass alle Stoffe aus Atomen bestehen. Diese neue Theorie wurde nach ihm „Dalton’sche Atomhypothese“ benannt:

1. Jedes Element besteht aus extrem kleinen, bei chemischen Reaktionen ungeteilt bleibenden Teilchen, den Atomen.
2. Die Massen der Atome eines bestimmten Elementes sind gleich (alle Atome eines Elements sind gleich). Die Atome verschiedener Elemente unterscheiden sich in ihren Eigenschaften (z.B. in Größe, Masse, usw.).
3. Es existieren so viele Atomsorten wie Elemente.
4. Bei chemischen Reaktionen werden Atome in neuer Kombination vereinigt oder voneinander getrennt (zersetzt).
5. Eine bestimmte Verbindung wird von den Atomen der betreffenden Elemente in einem ganz bestimmten, einfachen Zahlenverhältnis gebildet.

Sein bedeutendster Beitrag dürfte sein 1808 veröffentlichtes Buch „A New System Of Chemical Philosophy" sein. Darin schlug Dalton vor, die Atommasse der Elemente auf das leichteste Element, den Wasserstoff zu beziehen. Diesem ordnete er dabei die Masse 1u zu. (u steht für „unit“ = Einheit). Seine Messungen waren für die damalige Zeit und die zur Verfügung stehenden Messgeräte erstaunlich genau! Er stelle gleichzeitig eine Tabelle der Atommassen auf, in der die Atome nach steigender Masse angeordnet waren. Diese waren eine wichtige Vorlage für die spätere Aufstellung des Periodensystems der Elemente.

1822 wurde er Mitglied der Englischen Royal Society. Von dieser erhielt er als erster die Goldmedaille für seine Verdienste auf dem Gebiet der Chemie. 1830 wählte man ihn als erstes ausländisches Mitglied in die französische „Académie Des Sciences“ in Paris. Letzteres war die höchste Ehrung, die einem englischen Wissenschaftler im
19. Jahrhundert verliehen wurde.

Aufgaben:

1. Lese den gesamten Text und Unterstreiche anschließend mit einem Bleistift alle Schlüsselwörter mit einer Wellenlinie, alle Nebeninformationen mit einer geraden Linie.
2. Lese den Text nochmals durch, wenn Du keine Änderungen mehr an Deinen Schlüsselwörtern und den Nebeninformationen hast, kennzeichne die Schlüsselwörter mit einem Textmarker und unterstreiche die Nebeninformationen mit einer feinen roten Linie.
   
3. Erstelle einen Spickzettel mit den 12 wichtigsten Schlüsselwörtern (und Zeichnungen/ Skizzen wenn Du möchtest).

 

Der Rutherford’sche Streuversuch (1909-1911)

1) Beschreibung des Experiments:

Der neuseeländischer Atomphysiker englischer Abstammung, Ernest Rutherford schoss 1909 die Kerne von Heliumatomen, sogenannte Alpha-Strahlung auf eine sehr dünne Goldfolie. Diese hatte er sich extra von seinem Schmied anfertigen lassen. Sie war extrem dünn und nur 2000 Atomlagen dick (entspricht ca. 0,0005 mm). Für die α-Strahlen² verwendete Rutherford einen radioaktiven Strahler, der ein radioaktives Gestein enthielt. (Wenn Du mehr über Strahlung und die verschieden Arten lesen möchtest: https://de.wikipedia.org/wiki/Strahlung)

Er konnte mit einem Photographiefilm bzw. einem Leuchtschirm, die Teilchen sichtbar machen, welche seine Goldfolie durchdrangen. Seine erste Vermutung war allerdings, dass alle Teilchen von der Folie abprallen, vergleichbar mit einem Ball, den man gegen eine Wand wirft.
Da er diese erste Vermutung nicht bestätigt fand, wiederholte er das Experiment mehrere Male. Schließlich hätte seine Goldfolie ja auch Löcher aufweisen können. Aber auch neue Goldfolien brachten die gleichen Ergebnisse. Daraus schloss er, dass vielleicht seine Vermutung grundlegend falsch war. Er dachte lange nach und stelle dann eine völlig neue, für uns unglaubwürdige Theorie auf.

 

2) Beobachtungen und Schlussfolgerungen Rutherfords:

a) 99,9999% der „Geschosse“ durchdringen die Goldfolie ohne Ablenkung. (Als wären die 2000 Lagen von Goldatomen gar nicht existent)

(Vergleich: Dartpfeil durch Bauzaun werfen)

 

=> Atome müssen demzufolge fast „leer“ sein.

b) Einige Teilchen davon werden ein wenig abgelenkt.

(Vergleich Billard)

=> Im Zentrum des Atoms befindet sich ein „Atomkern“, der im Vergleich zum gesamten Atom sehr viel kleiner ist. Er ist umgeben von einer Elektronenhülle.
(Durchmesser des Kerns ist ca. 100.000 mal kleiner)

Volumenvergleich Kern: 10^-45m³: Goldatom: 10^-30 m³ = 10^-15 : 1)

 

c) Eines von 100.000 Teilchen wird sogar zurückgeschleudert/ stark abgelenkt (=Querschläger).

=> Da die α-Teilchen positiv geladen sind, muss der Atomkern auch (elektrisch) positiv geladen sein.

 

Größenverhältnisse:

_{Durchmesser Atomkern} : _{Durchmesser Atomhülle} = 10^-15 m : 10^-10 m

= 1 : 100.000

Vergleich: wäre der Atomkern im Durchmesser so groß wie ein Tischtennisball (2cm),so wäre die ganze Atomhülle 2km groß

Zusammenfassung:

- Atome sind zu 99,9999% leer

- Atome enthalten einen Atomkern

- der Atomkern enthält positiv geladene Teilchen (=Protonen)

 

Atome haben eine Masse. Wo ist diese dann lokalisiert?

Fast die gesamte Masse eines Atoms befindet sich im Atomkern. Er hat eine außerordentlich hohe Dichte! (ρ= 4·10¹⁴ g/cm³) (Vergleich ρ Pb= 11g/cm³)

Bsp.: Masse eines hypothetischen Stecknadelkopfes, der nur aus Atomkernen besteht.

V _{Stecknadelkopf} = 5 mm³, ρ _Kernmaterie = 2,44 · 10¹⁴ g/cm³ => m = 1,22 ^. 10¹² Tonnen!

 

Aufgaben:

1. Beschreibe Rutherfords Versuch und erkläre die Beobachtungen mit Deinen Worten.
2. Warum hat Rutherford den Versuch so oft wiederholt?

 

Zusatzinformationen:

https://de.wikipedia.org/wiki/Ernest_Rutherford

 

Größenverhältnisse bei Atomen

Durchmesser des Au -Atomkerns: 0,25 bis 1,5·10^-14 m

Durchmesser des Au -Atoms: 1,3 bis 5·10^-10 m (130-500 pm, 0,13-0,5 nm)

 

Größenvergleiche:

1)

      Durchmesser der Sonne                    4mm
———————————————— ≈ ——————————
                  4mm                         Durchmesser Proton

 

2) Hätte ein Atomkern den Durchmesser eines Tischtennisballs (1 cm), so würde seine Elektronenhülle einen Radius von 1000m haben.

 

Kennzeichen chemischer Reaktionen II

Blicken wir zurück: Du hast bereits gelernt, dass es verschiedene Arten der chemischen Reaktion gibt. Du kennst bereits die Vereinigung, Zersetzung und die Umlagerung. Nun wollen wir das ganze auf das Teilchemodell beziehen:

 

Man kann chemische Reaktionen im Grunde in drei Kategorien einteilen:

a) Vereinigung: Mehrere Atome vereinigen sich zu einem neuen Stoff => Vereinigung (=Synthese)

Beispiel: Bildung von Kupfersulfid aus den Elementen

 

b) Zersetzung: Ein Stoff der aus mehreren Atomen besteht (nennt man auch Molekül) wird in einzelnen Atome aufgespalten  Zersetzung (auch Analyse) genannt

Beispiel: Zersetzung von Kupfersulfid in die Elemente (die Rückreaktion!)

c) Zwei Stoffe tauschen untereinander Atome aus (also erst zersetzen sich die Stoffe, dann vereinigen sich neu) => Umsetzung genannt. Umsetzungen sind oft die komplizierteren Reaktionen. Dazu später mehr in den beiden Kapitel Redoxreaktionen und Säure-Base-Reaktionen.

Beispiel: Zersetzung von Kupfersulfid in die Elemente (die Rückreaktion!)

 

Bei allen chemischen Reaktionen spielt Energie eine wichtige Rolle. Energie kann frei werden oder benötigt werden.

Erinnere Dich: Eine chemische Reaktion ist gekennzeichnet durch eine Stoffumwandlung und (!) einen Energieumsatz.

 

Die „Grundbausteine“ des Atoms

Heute wissen wir mehr über Atome, als z.B. noch Medelejew. Sie enthalten drei Elementarteilchen: Protonen, Neutronen und Elektronen.

Von außen betrachtet sind Atome zwar elektrisch neutral, aber im Inneren bestehen sie aus einem Atomkern mit positiv geladenen Protonen und elektrisch neutralen Neutronen und einer Atomhülle aus negativ geladenen Elektronen:

 

Teilchen	Symbol	Masse [kg]	Masse [u]	Elementarladung	Aufenthaltsbereich
Proton:	p+	1,6726·10-27	1,0073	+1 (positiv)	Atomkern
Neutron:	n	1,6749·10-27	1,0087	0 (ungeladen)	Atomkern
Elektron:	e-	9,1096·10-31	0,0005	-1 (negativ)	Elektronenhülle

Definition der atomaren Masseeinheit: 1u = 1/12 der Masse eines Kohlenstoffatoms
aus 6 Protonen, 6 Neutronen und 6 Elektronen (¹²C)

 

Zusatzinformationen zu Atomen:

• Nahezu die gesamte von uns wahrnehmbare, unbelebte und belebte Materie in unserer irdischen Umgebung besteht aus Atomen oder geladenen Atomen (=Ionen).
• Atome gleicher Anzahl der Protonen, der Kernladungszahl, gehören zu demselben Element.
• Bei (ungeladenen) Elementen ist Anzahl von Protonen und Elektronen gleich.
• Die physikalischen Eigenschaften der Atomhülle bestimmen das chemische Verhalten eines Atoms.
• Atome gleicher Kernladungszahl besitzen dieselbe Atomhülle und sind damit chemisch nicht unterscheidbar.
• alle Atomkerne der Erde dicht aneinander gepackt. Das entspricht einem Würfel von 75m Kantenlänge
• Die Masseneinheit für Elementarteilchen ist 1u (= 1,66056 · 10^-27 kg)
• Seit 1932 haben die Physiker weit mehr als einhundert verschiedene Elementarteilchen entdeckt und beschrieben, die jedoch chemische Reaktionen nicht beeinflussen und für die Schule keine Rolle spielen. Nach neueren Erkenntnissen sind alle „Elementarteilchen“ aus 12 Elementar­bausteinen und 4 Grundkräften zusammengesetzt. Die bekanntesten Vertreter sind die „Quarks“.
• Die stärkste Kraft, die Menschen kennen, wirkt zwischen Protonen und Neutronen und hält den Atomkern zusammen. Sie ist um 1·10⁴¹ mal stärker als die Gravitation der Erde; ihre Reichweite ist sehr kurz – außerhalb des Atomkerns spürt man sie nicht. Wäre die Erdgravitation so stark, so wäre ein Reiskorn 1 Billion mal schwerer als die Erde!
• Die Chemie beschäftigt sich mit den Atomen und ihren Verbindungen, den Molekülen. Dies setzt auch genaue Kenntnisse über die Struktur der Atomhülle voraus.
• Die Atomphysik beschäftigt sich unter anderem mit dem Aufbau der Atomhülle, dem Aufbau der Atomkerne aus Elementarteilchen und weiter mit den Eigenschaften der Elementarteilchen.
• https://de.wikipedia.org/wiki/Atom

 

Geschichtlicher Überblick über den Atombegriff, Aufbau von Atomen und die Atomtheorie

600-400 vor Christus - Demokrit, (vorher evtl. schon Leukipp und Epikur)

der griechische Gelehrte Demokrit, äußerte vermutlich als erster, dass die Welt aus unteilbaren Teilchen (griechisch a-tomos = unteilbar) Atomen bestände. Dies seien die kleinsten Materieteilchen.
Er vermutete, dass es nur leeren Raum drumherum gäbe.
Stoffeigenschaften lassen sich, so Demokrit, auf die Abstoßung und Anziehung dieser kleinen Teilchen erklären.
Andere gelehrte Griechen lehnte seine Meinung aber ab, da man damals die Welt als etwas göttliches ansah. Demokrits stärkster Gegner war der Philosoph Empedokles, der die Lehre von den vier Elementen Feuer, Erde, Luft und Wasser begründete. Demokrits sollte für 2000 Jahre unbeachtet bleiben, bis man ihm schließlich recht gab.

 

ca. 1400 Alchemisten finden heraus, dass man Gold kann nicht herstellen kann

Die Alchemisten suchten Jahrhunderte lang den Stein der Weisen, um so Gold aus anderen, wertloseren Stoffen (wie etwa Blei) herzustellen. Sie scheiterten und im 15. Jahrhundert setzte sich dieses Wissen langsam durch. Trotzdem waren viele von ihnen gute Experimentatoren und sie leisteten gute experimentelle Vorarbeit für die spätere chemische Forschung.

 

1803 - John Dalton - Atomtheorie der Elemente

Der Engländer John Dalton griff als erster wieder die Idee von Demokrit auf. Aus seinen Versuchen zu den konstanten Mengenverhältnissen bei chemischen Reaktionen zieht er den Rückschluss, dass es kleinste Teilchen sind, die miteinander reagieren und dass immer eine bestimmte Anzahl in einem festen (Massen- bzw. Anzahlverhältnis) von Atomen miteinander reagieren muss. Außerdem bemerkte Dalton, dass sich die Gesamtmasse der beteiligten Stoffe nicht verändert.

 

1832 - M. Faraday forscht an der von H. Davy entdeckte Elektrolyse.

Auf diese Art und Weise bekommt er ein Bild von Atomen, welche sich auf anderen Stoffe absetzten und dem Fluss der Elektronen.

 

1863/66 - A. R. Newland formuliert das „Oktavengesetz“

Newland leistet so Vorarbeit für die Aufstellung des Periodensystems, da er die Bildung der 8 Hauptgruppen sozusagen vorwegnahm.

 

1869 - Lothar Meyer und Dimitri Mendelejew

Die beiden Chemiker stellen unabhängig voneinander die Elemente in eine Reihenfolge und verwenden das Atomgewicht als Ordnungsfaktor. So entsteht das erste Periodensystem der Elemente.

 

1874 - G. J. Stoney

Stoney erkennt und beschreibt als erster den Zusammenhang zwischen Atomen und der elektrischen Ladung der Teilchen.

 

1896 - Henri Becquerel

Becquerel entdeckt die Radioaktivität und dass sich so Atome von einem Element in ein anderes umwandeln.

 

1897 - Joseph John Thomson entdeckt die Elektronen

Der britische Physiker Thomson untersucht den elektrischen Strom und findet heraus, wenn man den Strom durch Vakuumröhren leitet, man kleinen Teilchen findet. Er nannte diese Teilchen Elektronen! So wurde das erste Elementarteilchen entdeckt.

 

1898 - Marie und Pierre Curie - neue Elemente und Radioaktivität

Marie Curie untersucht Pechblende uns isoliert daraus Polonium und Uran. Sie fand heraus, das Uran-Atome zerfallen und dabei Wärme und Strahlen abgeben.

 

1900 - Ludwig Boltzmann

Boltzmann berechnete Eigenschaften von Gasen und Kristallen. Dabei lagen seine Überlegungen die Ideen von Demokrit zugrunde.

 

1900 - Max Planck - Quanten und Quantentheorie

Der Berliner Max Planck forscht an der Schwarzkörperstrahlung. Um seine Beobachtungen erklären zu können und das ganze thermodynamisch begründen zu können musste er zu seiner Formel eine neue Größe ein, die sogenannten Quanten! Planck gilt somit als Vater der Quantenphysik.

 

1906 - Thomson

Thomson berechnet das Verhältnis von Ladung und Masse eines Protons

 

1909 - R. Millikan

Millikan ermittelt die absolute Elektronenladung und genauen die Massen von Elektronen und Protonen.

 

1909-1911 - Ernest Rutherfords Experimente zum Atommodell

Ernest Rutherford wollte die Berechnungen von Boltzman und Max Planck experimentell bestätigen. 1906 entdeckte er mit seinem Streuversuch, dass Atome im Grunde kaum Masse haben und auch fast leer sind. Aus diesem Experiment folgerte Rutherford bis 1911 sowohl Größe von Atomkern und Atomhülle ab. Aus den Ladungsunterschieden konnte er die Ladungen zuordnen und so das Proton entdecken.

 

1913 - Niels Bohr - Schalenmodell

Der dänische Physiker Niels Bohr entwickelt Rutherfords Atommodell weiter. Sein Modell ähnelt dem Planetenmodell und deren Bewegung. Nach Bohr bewegen sich Elektronen auf festgelegten Bahnen (Schalen) um den Atomkern (vergleichbar den Planeten, die um die Sonne kreisen). Die Abstände zwischen den Schalen folgte dabei streng-mathematischen Gesetzmäßigkeiten.
Auch erkannte Bohr, dass Atome voll besetze Schalen anstreben. Schon 1916 begann Bohr zusammen mit dem deutschen Arnold Sommerfeld das Modell zu verbessern. Heute gilt dieses Modell dennoch als veraltet.

 

1913 - H. G. J. Moseley

Moseley findet eine Ursache für die Diskrepanz zwischen Ordnungszahl und Atommassen.

 

1918 - W. Aston

Durch seine Forschungen kann er die Existenz von Isotopen beweisen.

 

1924 - W. Pauli

Pauli formuliert das Pauli-Verbot welches Schrödinger und Heisenberg dann für ihr Atommodell nutzen.

 

1929 - Erwin Schrödinger und Werner Heisenberg - Das Orbitalmodell

Schrödingers forschte vorher an der Wellenmechanik und Heisenbergs an der Matrizenmechanik. Zusammen formulierten sie darauf aufbauend ein modernes Atommodell, die Orbitaltheorie.

 

1927 - Werner Heisenberg

Heisenberg formuliert seine „Unschärferelation“, nach der man nicht gleichzeitig Aufenthaltsbereich und Geschwindigkeit eines Teilchens bestimmen kann.

 

1929 - Ernest O. Lawrence - Bau des ersten Teilchenbeschleunigers (das Zyklotron)

Um noch mehr Informationen über Atomkerne zu erhalten, will Lawrence Atomkerne mit Strahlen beschießen. Von der Beschleunigung durch ein Magnetfeld auf einer kreisrunden Bahn wird das geladene Teilchen beschleunigt.

 

1932 - James Chadwick entdeckt das Neutron

Durch seine Experimente beweist er die Existenz von Neutronen.

 

1932 - Paul Dirac und David Anderson - Antimaterie

Der Physiker Paul Dirac stellte eine Formel zur Masse des Universums auf. Diese lässt sich mathematisch sinnvoll aber nur lösen, wenn Materie mit negativer Masse zugefügt wird. Diese sogenannte Antimaterietheorie stieß auf heftigen Widerspruch bis amerikanische Physiker Anderson positive Elektronen (= Positronen) in kosmischer Strahlung nachwies. Treffen ein Elektron und ein Positron zusammen, zerstrahlen als Energie.

 

1933 - Marie und Pierre Curie - Materie aus dem Nichts

Die Curies beobachteten einerseits, dass sich Masse in Energie umwandeln lässt (gemäß Einsteins Formel: E = mc²). Desweiteren entdeckten sie, dass ein Lichtstrahl sich in ein Elektron und ein Positron „spalten“ lässt.

 

1938 - Otto Hahn und Lise Meitner - Entdeckung der Kernspaltung

Der deutsche Otto Hahn war Schüler Rutherfords und beschoss Uran-Atome mit Neutronen. Dabei bildeten sich die Elemente Cäsium und Rubidium oder auch Strontium und Xenon. Seine Mitarbeiterin Lise Meitner, die vor den Nazis nach Schweden geflohen war, fand die Lösung, indem sie die Massen der neuen Elemente addierte und feststellte, dass die Massen an Neutronen und Protonen mit den des Urans übereinstimmt. Otto Hahn erhielt dafür den Nobelpreis. Lise Meitner wurde von ihm nie mehr erwähnt.

 

1938 - Hans Bethe - Kernfusion in der Sonne

Bethe veröffentliche einige Arbeiten zum Aufbau der Atome und erforschte dann die Fusion von Wasserstoffatomen zu Helium in der Sonne. Er fand auch heraus, dass in größeren Sternen Kohlenstoffatomkerne zu Stickstoffatomkernen umgewandelt werden. Dadurch leuchten diese Sterne heller.

 

1942 - Enrico Fermi - Der erste Kernreaktor

Der italienischer Enrico Fermi nutzte als Erster die Kernspaltung um damit eine Kettenreaktion in Gang zu bringen. Jedes Neutron, welches bei der Spaltung von Uranatomen frei wurde, spaltete neue Uranatome. Dabei wurde sehr viel Energie frei. Fermi war somit der Wegbereiten einerseits für die Atomkraft, der nuklearen Stromgewinnung aber auch der Atombombe!

 

1942 - Werner Heisenberg - Atomforschung im dritten Reich

Heisenberg sollte für die Nazis eine Atombombe entwickeln. Ob absichtlich oder unabsichtlich, er verrechnete sich bei der notwendigen Menge an spaltbarem Material (der kritischen Masse) um den Faktor 1000. Seine Forschungen blieben ohne Erfolg.

 

1942 - Albert Einstein und Leo Szilard bringen Präsident Roosevelt dazu eine Atombombe zu bauen

Durch einen Brief an den US-Präsidenten Roosevelt bringen die Forscher die US-Regierung dazu, ein Atombombenprojekt zu starten.

 

1945 - J. Robert Oppenheimer baut die erste Atombombe

Oppenheimer sammelte in Los Alamos, Texas, die besten Physiker und Ingenieure. Es wurde auch das Manhattan-Projekt genannt. Sie bauten die beiden Atombomben, welche dann in Hiroshima und Nagasaki zum Einsatz kamen. Nach dem Abwurf wurde Oppenheimer zum Gegner der nuklearen Kriegsführung.

 

1952 - Edward Teller - Die Wasserstoffbombe

Oppenheimers Mitarbeiter, der ungarische Physiker Teller entwickelte die erste Wasserstoffbombe. Mit dieser fand eine Kernfusion von Wasserstoffatomen statt, die Energiemengen, die dabei freiwerden sind enorm!

 

1951-59 - Kimball und Kollegen

Sie berechnen die ersten Molekülorbitale und stellen die gültige Molekülbindungstheorie auf.

 

1960 - Donald A. Glaser - Die Blasenkammer zählt Elementarteilchen

Die Entwicklung der Blasenkammer war die erste Möglichkeit, Elementarteilchen und deren kleineren Bausteine aus Teilchenbeschleunigern sichtbar zu machen.

 

1964 - Murray Gell-Mann - Quarks

Durch die Blasenkammer konnten Physiker nun viele neue, bisher unbekannte Teilchen kennenlernen. Zum Teil stellen diese Teilchen einen Widerspruch zur bis dahin geltenden Physik dar. Gell-Mann ging von Kernbausteinen aus, welche aus Grundbausteinen aufgebaut sind. Eines dieser Teilchen ist das sogenannte „Quark“, was sich einzeln aber nicht beobachten lässt.

 

1995 - Eric Cornell, Wolfgang Ketterle und Carl Wiemann - Das Bose-Einstein-Kondensat

Die Wissenschaftler kühlten ein Gas aus Rubidiumatomen sehr nahe an den absoluten Nullpunkt (10⁻⁷Kelvin) ab. Dabei nimmt es einen sehr merkwürdigen Aggregatzustand ein. Man nennt dies das „Bose-Einstein-Kondensat“. Diesen Zustand der Materie hatte bereits Einstein vorhergesagt. Dieser extreme Aggregatzustand führt zu Eigenschaften wie Suprafluidität, Supraleitung oder Kohärenz.

 

2000 - CERN - Das Higgs-Boson

Das schweizer Cern forscht mit vielen Wissenschaftler aus der ganzen Welt nach dem Higgs-Boson Teilchen, welches viele ungeklärte Fragen der theoretischen Physik erklären würde. Das Besondere an dem Teilchen ist, dass es elektrisch neutral ist und den Spin 0 hat. Es zerfällt nach sehr kurzer Zeit!
Im Juli 2012 wurde vom CERN dann der den Nachweis eines solchen Teilchens bekanntgegeben. Zumindest ist es sehr wahrscheinlich, dass man es gefunden hat. Da sein Nachweis so kompliziert ist, geht man davon aus, dass der absolute Nachweis durch Auswertung der bisherigen Experimente noch Jahre dauern wird.

 

2002 - Brookhaven - Materie nach dem Urknall

Im Brookhaven (Amerika) lässt man in einem Schwerionenbeschleunigerring Goldionen mit hoher Energie aufeinanderprallen. So bildet sich für einen kurzen Moment das „Quark-Gluonen-Plasma“. Dieser Materiezustand soll vermutlich kurz nach dem Urknall vorgelegen haben.

 

Die symbolische Schreibweise und die Elementarteilchen

Im Periodensystem der Elemente werden die Atome in einer besonderen Schreibweise dargestellt.
Sie ist leicht zu verstehen:

_{4   Massenzahl oder Nukleonen(an)zahl => Zahl an Protonen und Neutronen}

  He

^{2   Ordnungszahl (bzw.: Kernladungszahl) => Zahl der Protonen => Zahl der Elektronen}

 

Die Anzahl an Neutronen kannst Du leicht durch folgende Überlegung bestimmen:

Nur Protonen und Neutronen haben eine Masse. Sie ist in der Massenzahl wiedergegeben! Die Ordnungszahl gibt dabei die Zahl der Protonen an. Durch Subtraktion kannst Du so leicht die Neutronenzahl bestimmen:

Neutronenzahl = Massenzahl - Ordnungszahl

 

=> He besteht aus: 2 Protonen, 2 Elektronen und 2 Neutronen

Mithilfe der symbolischen Schreibweise und den Angaben aus dem Periodensystem kann man leicht errechnen, wie viele Elementarteilchen in jedem Atom vorhanden sind.

₇
    Li
³

=> Li besteht aus: 3 Protonen, 3 Elektronen und 4 Neutronen

 

Aufgaben:

1. Berechne für folgende Beispiele die Anzahl an Elementarteilchen: Na, Mg, Ca, Ba, Al, I.

 

Anordnung der Elementarteilchen im Atomkern

Nachdem Du nun weißt, welche Elementarteilchen im Atom zu finden sind, wird es Zeit, sich Gedanken über deren Anordnung zu machen. Doch Vorsicht, niemand kann ganz genau erklären, wie es im Atom aussieht und man braucht sehr viel Vorstellungskraft, um sich nur ein ungefähres Bild davon zu machen. Vielleicht helfen Dir die angegebenen Vergleiche. Zusätzlich erschwerend ist, dass es verschiedene Modelle zu diesen Vorstellungen gibt (sogenannte Atommodelle), die historisch natürlich nacheinander entstanden sind. In Schulbüchern ist oft das Atommodell von Niels Bohr genannt - lass Dich dadurch nicht verwirren. Es ist falsch³!

 

Aufbau des Wasserstoffatoms:

Das Wasserstoffatom hat ein Proton und demzufolge ein Elektron.

Im Zentrum des Atoms befindet sich der Atomkern, er enthält ein Proton. Um ihn herum bewegt sich ein einzelnes Elektron. Das Elektron bewegt sich um den Kern und hat demzufolge immer unterschiedliche Abstände zum Atomkern. Da es sich zu 95% fast immer innerhalb eines bestimmten Abstandes um das Atom bewegt und dieser einer Art Kugel gleicht, spricht man auch von einer Elektronenhülle oder Elektronenwolke oder auch einem Atomorbital. Die Form ist dabei immer von der Aufenthaltswahrscheinlichkeit des Elektrons abhängig.

Frei bewegliche Elektronen umkreisen den Atomkern. Der Bereich, den sie dabei meistens nutzen ist leer und er hat keine Materie oder eine Grenze. Dieser Aufenthaltsbereich trägt viele Namen: Elektronenhülle, Elektronenwolke, Elektronenschale (veraltet).

 

b) Aufbau des Lithiumatoms

Das Lithiumatom hat drei Protonen, vier Neutronen und drei Elektronen.

Die Neutronen sind ungeladen und befinden sich zwischen den Protonen. Eine Modellvorstellung beschreibt sie als „Protonenkitt“, also als Klebstoff, der die sich abstoßenden positiven Protonen im Kern zusammenhält.

Nicht alle Elektronen können sich gleich weit vom Atomkern entfernen. Also gibt es durch die unterschiedlichen Aufenthaltswahrscheinlichkeiten auch unterschiedliche Elektronenhüllen / Elektronenwolken. In der ersten Elektronenhülle ist nur „Platz“ für zwei Elektronen. Wenn sie voll besetzt ist, dann entsteht automatisch eine neue. In jeder weiteren ist Platz für mindestens 8 Elektronen. Die Elektronen der äußersten Hülle nennt man auch Valenzelektronen oder Außenelektronen.

Die Anordnung der Elektronen nennt man Elektronenkonfiguration.

 

Welche Bedeutung hat die äußere Elektronenhülle?

Bei fast allen Elementen liegen mehrere Elektronenhüllen vor. Bei chemischen Reaktionen sind in der Regel nur die Elektronen der äußeren Hülle, die sogenannten Valenzelektronen beteiligt. Sie können besonders gut reagieren, wohingegen weiter innen liegende Elektronen von den Valenzelektronen abgeschirmt sind d nicht reagieren.

Elemente mit der gleichen Anzahl an Valenzelektronen haben auch die gleiche Hauptgruppennummer und auch meist ähnliche Eigenschaften.

 

c) Aufbau des Das Kohlenstoffatoms (C):

Das Kohlenstoffatom hat 6 Elektronen, 6 Neutronen und 6 Protonen:

 

d) Aufbau des Natriumatoms (Na)

Das Natriumatom hat 11 Elektronen in drei Elektronenwolken. Wie Du erkennen kannst, sind die Elektronenwolken farbig gezeichnet, entsprechend den Farben der Perioden Deines PSE gefärbt.

 

Zusatzinformationen: Atombau

https://de.wikipedia.org/wiki/Atommodell
https://de.wikipedia.org/wiki/Elementarteilchen

 

Wichtige Aufgaben:

1. Zeichne selbst den Aufbau der folgenden Atome: H, He, Li, Na, Mg, Ca, Ba, Al, I
2. Erkläre den Zusammenhang zwischen der Anzahl an Elektronenwolken und der Periodennummer.
3. Erkläre den Zusammenhang zischen der Anzahl an Valenzelektronen und dem PSE.
4. Eine schwere Frage: Wie erklärst Du Dir, dass das Verhältnis von Protonen zu Neutronen bei Zunahme der Ordnungszahl kleiner wird (z.B. Kohlenstoff hat 6p⁺ und 6n => 1:1=1; Blei hat 82p⁺ und 126n => 82:126=0,65)?
   
   

 

Geschichtliche Entwicklung der Modelle zum Aufbau der Elektronenhülle

Aufgabe: Lese den Text und entwickele eine eigene gezeichnete Modellvorstellung

Chemiker kennen heute viele Modelle zum Beschreiben der winzigen Atome. Jedes Modell hat Vor- und Nachteile. Lass Dich nicht durch die Vielfalt verwirren und benutze immer das, was Du in der Schule gelernt hast. Letztlich sind alles Modelle, die nur etwas nicht sichtbares verdeutlichen sollen. Aber es ist gar nicht so einfach, sich das immer vorzustellen.

1 913 Niels Bohr:

„Elektronen kreisen als Teilchen auf Bahnen (plantengleich)
um den Atomkern“. Jede Bahn entspricht dabei einem bestimmten
Energiezustand des Elektrons.

1924 Louis de Broglie:

„ Jedes sich bewegende Teilchen, hat neben den Teilchen­eigenschaften auch Welleneigenschaften.“ (Diese werden wichtiger, je kleiner das Teilchen wird) (=Welle-Teilchen-Dualismus).
=> Elektronen (auch Photonen) haben: - Teilcheneigenschaften

- Welleneigenschaften (Beweis: ihre Wellenlänge ist messbar!)

 

Vergleich dies mal mit einer Interferenz (=Auslöschung von Wellen gleicher Wellenlänge):
Wellen können sich auslöschen, für Teilchen gilt das nicht. Je nach Experiment und Aufbau kann man also vom Teilchen- oder Wellencharakter der Elektronen ausgehen.

=> Da Bohr nur den Teilchencharakter des Elektrons berücksichtigt hat, haben seine Schluss­folgerungen also mindestens 50% Fehler. ;-)

1926 Heisenberg:

„Wenn de Broglie recht hat, kann man nicht die Position und die Geschwindigkeit eines Elektrons bestimmen, da man nicht gleichzeitig beides messen kann! (=Unschärferelation).
=> die Wellenlänge ändert sich.

Heisenbergs Messung im Vergleich mit einer Radarfalle:

Photonen zu Messung sind sehr klein, aber nicht soviel kleiner als Atome… Eine Messung mit einem ähnlich großen Teilchen verändert leider die Messergebnisse. Stell Dir folgendes vor:

Die Polizei misst die Geschwindigkeit von Autos in der Stadt. Um ein Objekt zu sehen, brauchen wir Licht. Die Lichtenergie beschleunigt aber das Objekt. Würde man nun ein Auto mit Lichtblitzen wie mit 800 kg Geschossen blitzen, würde das Auto viel schneller oder gebremst werden, je nachdem von wo die Polizei misst. Somit wäre der Polizei zwei die Position während der Messung klar, aber nicht seine Geschwindigkeit.

=> Man kann nicht wissen, wie sich kleine Teilchen, wie z.B. Elektronen bewegen. Somit ist auch sicher, dass sie sich nicht auf Bahnen (siehe Bohr) bewegen.

Man kann aber sagen, dass für so kleine Teilchen, die Gesetze der klassischen Mechanik nur beschränkt Gültigkeit haben. Dies macht eine eigene Vorstellung für Chemiker so schwierig.