Atombau - Aklimex.de
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Ausgabe 2007-10<br />
Grundlagen <strong>de</strong>r Atomphysik<br />
<strong>Atombau</strong> Teil 1<br />
Atommo<strong>de</strong>lle nach Rutherford und Bohr<br />
(Erläuterungen und Begriffe)<br />
Die Atomphysik ist das Teilgebiet <strong>de</strong>r Physik, in <strong>de</strong>m <strong>de</strong>r Aufbau <strong>de</strong>r Atome, <strong>de</strong>ren<br />
Eigenschaften, die Vorgänge innerhalb <strong>de</strong>r Atome und die Wechselwirkungen zwischen<br />
<strong>de</strong>n Atomen beschrieben wer<strong>de</strong>n.<br />
(Atomkerne und Radioaktivität sind Untersuchungsgegenstän<strong>de</strong> <strong>de</strong>r Kernphysik, siehe dort)<br />
Atommo<strong>de</strong>ll nach Rutherford (1912)<br />
Atommo<strong>de</strong>ll nach Bohr (1913)
Atomaufbau<br />
Zur Beschreibung <strong>de</strong>r Atome wer<strong>de</strong>n Mo<strong>de</strong>lle verwen<strong>de</strong>t.<br />
Die Entwicklung unserer Vorstellungen über <strong>de</strong>n Bau <strong>de</strong>r Atome begann mit <strong>de</strong>r Entwicklung <strong>de</strong>s<br />
Kern-Hülle-Atommo<strong>de</strong>lls durch <strong>de</strong>n englischen Physiker Ernest Rutherford im Jahre 1912.<br />
Atom<br />
Atome sind die kleinsten Teilchen chemischer Elemente. Sie lassen sich mit chemischen Verfahren<br />
nicht weiter zerlegen. Atome enthalten Elementarteilchen mit positiver o<strong>de</strong>r negativer Ladung und<br />
auch neutrale Elementarteilchen. Atome sind nach außen hin elektrisch neutral.<br />
Atomhülle<br />
Die Atomhülle besteht aus Elementarteilchen, welche Elektronen genannt wer<strong>de</strong>n. Die Elektronen<br />
besitzen eine negative elektrische Ladung. Elektronen sind innerhalb <strong>de</strong>r Atomhülle infolge ihrer<br />
unterschiedlichen Energie in bestimmten Räumen am häufigsten anzutreffen. Die Anzahl <strong>de</strong>r<br />
Elektronen eines elektrisch neutralen Atoms ist mit <strong>de</strong>r Ordnungszahl <strong>de</strong>s chemischen Elements<br />
gleichlautend.<br />
Die Atomhülle ist etwa 100 000mal größer wie <strong>de</strong>r Atomkern, besitzt aber nur eine äußerst geringe<br />
Masse.<br />
Atomkern<br />
Der Atomkern besteht aus elektrisch postiv gela<strong>de</strong>nen Elementarteilchen, <strong>de</strong>n Protonen und<br />
elektrisch neutralen Teilchen, <strong>de</strong>n Neutronen. Diese Elementarteilchen zählt man zu <strong>de</strong>n<br />
Nukleonen. Protonen und Neutronen sind etwa gleich schwer, besitzen aber eine mehr als<br />
1800fache Masse wie die Elektronen. Somit ist im Atomkern fast die gesamte Masse eines Atoms<br />
vereinigt.<br />
Elektronenschalen<br />
Die Räume, in <strong>de</strong>nen sich mit größter Wahrscheinlichkeit die Elektronen von etwa gleicher Energie<br />
aufhalten, nennt man Elektronenschalen. Je<strong>de</strong> Elektronenschale kann eine bestimmte maximale<br />
Anzahl an Elektronen aufnehmen.
Übersicht zum <strong>Atombau</strong><br />
Elektronen<br />
negative elektr. Ladung<br />
Energieniveauschema<br />
Anzahl <strong>de</strong>r Elektronen<br />
=<br />
Anzahl <strong>de</strong>r Protonen<br />
=<br />
Kernladungszahl Z<br />
Anzahl <strong>de</strong>r Protonen + Anzahl <strong>de</strong>r Neutronen<br />
= Massenzahl A<br />
Die Elektronen in <strong>de</strong>r Atomhülle können (fast) gleiche o<strong>de</strong>r unterschiedliche Energie<br />
aufweisen. Elektronen mit (fast) gleicher Energie gehören zum gleichen Energienivau. Der<br />
Aufbau <strong>de</strong>r Atomhülle ist gekennzeichnet durch eine gesetzmäßige Anordnung <strong>de</strong>r<br />
Elektronen in verschie<strong>de</strong>nen Energieniveaus.<br />
Außenelektronen<br />
Außenelektronen sind die Elektronen in <strong>de</strong>r jeweils äußersten Schicht <strong>de</strong>r Atomhülle, <strong>de</strong>r<br />
sogenannten Außenschale. Diese Außenschalen müssen nicht vollständig mit Elektronen<br />
besetzt sein. Die Außenelektronen besitzen beson<strong>de</strong>re Be<strong>de</strong>utung für die Eigenschaften<br />
<strong>de</strong>r chemischen Elemente.<br />
Achterschalen<br />
Atom<br />
Atomhülle Atomkern<br />
Protonen<br />
positive elektr. Ladung<br />
Neutronen<br />
nicht elektr. gela<strong>de</strong>n<br />
Achterschalen sind Elektronenschalen, die beim Vorhan<strong>de</strong>nsein von 8 Elektronen beson<strong>de</strong>rs<br />
stabil sind (z.B. E<strong>de</strong>lgase = chemische Elemente <strong>de</strong>r 8.Hauptgruppe).<br />
Alle nicht vollständig besetzten Achterschalen sind wenig stabil und können durch Abgabe<br />
o<strong>de</strong>r Aufnahme von Elektronen zu einer stabilen Achterschale wer<strong>de</strong>n. Hierzu wird eine<br />
Energieän<strong>de</strong>rung vollzogen.
Chemische Eigenschaften und <strong>Atombau</strong><br />
Der Aufbau <strong>de</strong>r Atomhülle, insbeson<strong>de</strong>re die Besetzung <strong>de</strong>r Außenelektronen ist entschei<strong>de</strong>nd für<br />
die chemischen Eigenschaften und chemischen Reaktionen <strong>de</strong>r Elemente <strong>de</strong>s Perio<strong>de</strong>nsystems.<br />
Die Anzahl <strong>de</strong>r Außenelektronen ist gleichbe<strong>de</strong>utend mit <strong>de</strong>r Zuordnung zu einer Hauptgruppe im<br />
Perio<strong>de</strong>nsystem <strong>de</strong>r Elemente.<br />
Die Anzahl <strong>de</strong>r besetzten Schalen bezeichnet die Zuordnung zu <strong>de</strong>r jeweils entsprechen<strong>de</strong>n<br />
Perio<strong>de</strong> im Perio<strong>de</strong>nsystem <strong>de</strong>r chemischen Elemente.<br />
Ordnungszahl Z<br />
Ordnungszahl ist die Zahl für die Zuordnung im Perio<strong>de</strong>nsystem <strong>de</strong>r chemischen Elemente. Für ein<br />
elektrisch neutrales Atom ist die Ordnungszahl i<strong>de</strong>ntisch mit <strong>de</strong>r Kernladungszahl o<strong>de</strong>r <strong>de</strong>r<br />
Protonenanzahl o<strong>de</strong>r <strong>de</strong>r Elektronenanzahl.<br />
Massenzahl A<br />
Die Massenzahl A eines Atoms ist gleich <strong>de</strong>r Anzahl <strong>de</strong>r Nukleonen. Die Anzahl <strong>de</strong>r Nukleonen<br />
ergibt sich aus <strong>de</strong>r Summe <strong>de</strong>r Protonen und Neutronen. Die Massenzahl ist i<strong>de</strong>ntisch mit <strong>de</strong>r auf<br />
ganze Zahlen gerun<strong>de</strong>ten relativen Atommasse mr.<br />
Absolute Atommasse mA<br />
Die absolute Atommasse mA gibt die Masse eines bestimmten Atoms in Kilogramm an. Die<br />
absoluten Atommassen sind Zahlen mit sehr kleinen Werten, daher benutzt man für chemische<br />
Berechnungen die relativen Atommassen.<br />
Beispiele für absolute Atommassen: Wasserstoffatom 1,673 . 10 -27 kg<br />
Kohlenstoffatom 19,9 . 10 -27 kg<br />
Sauerstoffatom 26,6 . 10 -27 kg<br />
Relative Atommasse mr<br />
Die relative Atommasse gibt an, wieviel mal größer die absolute Atommasse eines beliebigen<br />
Atoms ist, als <strong>de</strong>r zwölfte Teil <strong>de</strong>r Atommasse <strong>de</strong>s Kohlenstoff-12-Isotops.<br />
m r =<br />
m a<br />
1<br />
12 ⋅m a 12<br />
6 C<br />
Atomare Masseneinheit u<br />
Die atomare Masseneinheit u ist <strong>de</strong>finiert als <strong>de</strong>r zwölfte Teil <strong>de</strong>r Masse <strong>de</strong>s Kohlenstoff-12-<br />
Isotops.<br />
1 u = 1,660 277 . 10 -27 kg<br />
1 kg = 6,023 091 . 10 26 u<br />
Die Masse eines Atom ermittelt man wie folgt:<br />
mA = mr . 1 u