Das Atom: Geschichte, Modelle und Struktur

Das Atom ist die kleinste Einheit eines chemischen Elements. In der Philosophie des antiken Griechenlands wurde "Atom" als Bezeichnung für den kleinsten, unteilbaren Teil der Materie verwendet. Diese "Elementarteilchen" galten als unzerstörbar. Tatsächlich bedeutet Atom im Griechischen "unteilbar". Das Wissen über die Größe und Natur des Atoms entwickelte sich über Jahrhunderte nur sehr langsam, da man lediglich darüber spekulieren konnte. Mit dem Aufkommen der experimentellen Wissenschaft im 16. und 17. Jahrhundert beschleunigten sich die Fortschritte in der Atomtheorie. Chemiker erkannten sehr bald, dass alle Flüssigkeiten, Gase und Feststoffe in ihre letzten Bestandteile oder Elemente zerlegt werden können.

Das Atom in der antiken griechischen Philosophie

Die antiken griechischen Philosophen diskutierten intensiv über die Natur der Materie und kamen zu dem Schluss, dass die Welt einfacher war, als sie schien. Einige ihrer wichtigsten Ideen waren:

• Leukipp
• Demokrit

Im 5. Jahrhundert v. Chr. vertrat Leukipp die Ansicht, dass es nur eine Art von Materie gäbe und dass man, wenn man Materie in immer kleinere Teile zerlegt, schließlich ein Stück erhalten würde, das nicht mehr geteilt werden könnte. Demokrit nannte diese unteilbaren Stücke Atome ('nicht spaltbar'). Die atomistische Philosophie von Leukipp und Demokrit lässt sich wie folgt zusammenfassen:

1. Atome sind ewig, unteilbar, homogen und unsichtbar.
2. Atome unterscheiden sich durch ihre Form und Größe.
3. Die Eigenschaften der Materie hängen von der Gruppierung der Atome ab.

Empedokles und Aristoteles

Im 4. Jahrhundert v. Chr. postulierte Empedokles, dass Materie aus vier Elementen bestehe: Erde, Luft, Wasser und Feuer. Aristoteles postulierte ebenfalls, dass Materie aus diesen vier Elementen bestehe, bestritt jedoch die Idee der Atome. Diese Ansicht prägte das menschliche Denken für über 2000 Jahre.

Daltons Atomtheorie

Im frühen 19. Jahrhundert wurde untersucht, wie sich verschiedene Elemente zu chemischen Verbindungen verbinden. Obwohl die meisten Wissenschaftler, beginnend mit den alten Griechen, Atome als die kleinsten Einheiten eines Stoffes betrachteten, gilt Dalton als eine der wichtigsten Persönlichkeiten, da er die Atomtheorie quantitativ machte. Dalton zeigte, dass Atome sich in bestimmten Verhältnissen miteinander verbinden. Die Forschung zeigt, dass Atome dazu neigen, Gruppen zu bilden, die als Moleküle bezeichnet werden.

Alle Atome eines Elements besitzen die gleichen chemischen Eigenschaften. Daher wird das Atom als die kleinste Einheit betrachtet. Die chemischen Eigenschaften der Elemente unterscheiden sich stark voneinander; ihre Atome verbinden sich auf vielfältige Weise, um viele verschiedene chemische Verbindungen zu bilden.

Im Jahr 1808 veröffentlichte John Dalton seine Atomtheorie, die die alten Ideen von Leukipp und Demokrit aufgriff. Daltons Theorie besagt:

1. Elemente bestehen aus winzigen, unteilbaren und unveränderlichen Partikeln, den Atomen.

Dalton entwickelte ein System, um Atome zu beschreiben und zwischen verschiedenen Elementen zu unterscheiden:

2. Atome desselben Elements sind in Masse, Größe und anderen physikalischen oder chemischen Eigenschaften identisch. Atome verschiedener Elemente hingegen haben unterschiedliche Massen und Eigenschaften.
3. Verbindungen entstehen durch die Verbindung von Atomen der entsprechenden Elemente in einfachen, konstanten Zahlenverhältnissen.

Aus Daltons Atomtheorie ergeben sich folgende Definitionen:

• Ein Atom ist das kleinste Teilchen eines Elements, das dessen Eigenschaften behält.
• Ein Element ist eine reine Substanz, die aus gleichen Atomen besteht.
• Eine Verbindung ist eine Substanz, die aus verschiedenen Atomen in einem einfachen, konstanten Zahlenverhältnis besteht.

Das Atom ist teilbar

Nachdem die atomare Theorie der Materie akzeptiert wurde, zeigten Phänomene wie Elektrifizierung und Elektrolyse einerseits die elektrische Natur der Materie und andererseits, dass das Atom teilbar ist, d.h. aus kleineren, fundamentalen Teilchen zusammengesetzt ist. Auf dieser Seite finden Sie Beispiele für Elektrifizierungsphänomene.

Elektrische Phänomene sind Ausdruck ihrer elektrischen Ladung. Die SI-Einheit der elektrischen Ladung ist das Coulomb (C). Es gibt zwei Arten von elektrischen Ladungen: positive und negative. Zwei Körper, die Ladungen des gleichen Typs erworben haben, stoßen sich gegenseitig ab, während Ladungen unterschiedlicher Art sich anziehen. Materie ist elektrisch neutral, d.h., sie besitzt die gleiche Menge jeder Ladungsart. Wenn sie eine positive oder negative Ladung annimmt, liegt das daran, dass sie mehr von einer Art als von der anderen besitzt. Im späten 19. und frühen 20. Jahrhundert trugen eine Reihe von Experimenten dazu bei, die Teilchen zu identifizieren, die für die negative Ladung (die Elektronen) und die positive Ladung (Protonen) verantwortlich sind. Diese Versuche lieferten folgende Erkenntnisse über die Struktur der Materie:

• Das Atom enthält subatomare Teilchen.
• Elektronen haben eine negative elektrische Ladung und Masse. Jedes Elektron besitzt eine elementare elektrische Ladung.
• Protonen sind elektrisch positiv geladen und haben eine größere Masse.
• Da das Atom elektrisch neutral ist, muss die Anzahl der negativen elektrischen Ladungen (Elektronen) der Anzahl der positiven Ladungen (Protonen) entsprechen.

Das Thomson'sche "Plumpudding-Modell"

Da die Masse der Elektronen so gering ist, nahm der englische Physiker J.J. Thomson im Jahr 1904 an, dass der Großteil der Atommasse der positiven Ladung entspricht, die daher den größten Teil des Atomvolumens einnehmen sollte. Thomson stellte sich das Atom als eine Art kontinuierlichen positiven Bereich vor, in dem Elektronen eingebettet sind (wie Rosinen in einem Pudding).

Dieses Modell ermöglichte es, mehrere experimentelle Phänomene wie die Elektrifizierung und die Bildung von Ionen zu erklären:

• Die Elektrifizierung: Der Überschuss oder Mangel an Elektronen in einem Körper ist für dessen positive oder negative elektrische Ladung verantwortlich.
• Die Bildung von Ionen: Ein Ion ist ein Atom, das Elektronen gewonnen oder verloren hat. Wenn es Elektronen gewinnt, erhält es eine negative Ladung und wird als Anion bezeichnet; wenn es Elektronen verliert, erhält es eine positive Nettoladung und wird als Kation bezeichnet.

Das Rutherford'sche Atommodell

Das Thomson-Modell war bis 1911 weitgehend akzeptiert. Dann führten der englische Physiker und Chemiker Ernest Rutherford und seine Kollegen das Rutherford-Experiment durch.

Bei diesem Experiment wurde eine dünne Goldfolie mit Alpha-Teilchen (positiv geladen) aus einem radioaktiven Material beschossen. Dabei stellten sie fest, dass:

• Die meisten Alpha-Teilchen die Folie ohne Richtungsänderung durchdrangen, wie erwartet.
• Einige Alpha-Teilchen erheblich abgelenkt wurden.
• Einige Alpha-Teilchen von der Emissionsquelle zurückprallten.

Das Rutherford-Modell, auch Kernmodell genannt, besagt:

• Das Atom besitzt einen zentralen Kern, in dem die positive Ladung und fast die gesamte Masse konzentriert sind.
• Die positive Ladung der Protonen im Kern wird durch die negative Ladung der Elektronen außerhalb des Kerns ausgeglichen.
• Der Kern enthält somit Protonen in gleicher Anzahl wie Elektronen im Atom.
• Elektronen bewegen sich mit hoher Geschwindigkeit um den Kern und sind durch einen großen Abstand von ihm getrennt.

Die Entdeckung der Neutronen

Die Masse der Protonen und Elektronen stimmte nicht mit der gesamten Masse des Atoms überein, daher vermutete Rutherford, dass es eine weitere Art von subatomaren Teilchen im Atomkern geben müsse. Diese Teilchen wurden 1932 von James Chadwick entdeckt. Da sie keine elektrische Ladung besaßen, wurden sie Neutronen genannt. Neutronen sind ungeladene Teilchen mit einer Masse, die etwas größer ist als die des Protons.

Die Struktur des Atoms

Die Struktur des Atoms lässt sich demnach wie folgt zusammenfassen:

• Ein zentraler Kern, in dem die gesamte positive Ladung (die Protonen) und der Großteil der Atommasse (durch Protonen und Neutronen) konzentriert sind.
• Eine äußere Zone oder Hülle, in der die Elektronen den Kern umkreisen. Die Anzahl der Elektronen in der Hülle entspricht der Anzahl der Protonen im Kern, sodass das gesamte Atom elektrisch neutral ist.

Identifizierung von Atomen

Atome werden durch die Anzahl der Protonen in ihrem Kern identifiziert, da diese für Atome desselben Elements festgelegt ist.

Ordnungszahl: Die Anzahl der Protonen in einem Atom. Sie wird mit dem Buchstaben Z dargestellt und als Index links neben dem Elementsymbol geschrieben: ^ZX.

Massen-Nummer: Die Summe der Anzahl der Protonen und der Anzahl der Neutronen in einem Atom. Sie wird durch den Buchstaben A dargestellt und als Exponent links neben dem Elementsymbol geschrieben: ^AX.

• Wenn ein Kation Elektronen verloren hat, wird die Anzahl der verlorenen Elektronen durch die positive Ladung angegeben.
• Wenn ein Anion Elektronen gewonnen hat, wird die Anzahl der gewonnenen Elektronen durch die negative Ladung angegeben.

Isotope

Im frühen 20. Jahrhundert wurde entdeckt, dass nicht alle Atome desselben Elements die gleiche Masse haben. Das bedeutet, dass die Anzahl der Neutronen für Atome desselben Elements variieren kann. Isotope sind Atome desselben Elements, die die gleiche Ordnungszahl, aber unterschiedliche Massenzahlen haben. Das heißt, sie haben die gleiche Anzahl von Protonen, aber eine unterschiedliche Anzahl von Neutronen.

Relative Atommasse

Die relative Atommasse eines Elements entspricht der Masse eines seiner Atome und ist praktisch gleichbedeutend mit der Summe der Massen der Protonen und Neutronen, da die Masse der Elektronen so gering ist, dass sie vernachlässigt werden kann. Der Großteil der Atommasse befindet sich somit im Kern. Die Masse eines Atoms, verglichen mit der Masse von Kohlenstoff-12, wird als Atommasse bezeichnet. Ihr Wert ist für jedes Element im Periodensystem enthalten.

Neue Fakten und Atommodelle

Das Rutherford-Modell konnte bestimmte Fakten nicht erklären:

• Die negative Ladung der sich bewegenden Elektronen würde Energie verlieren und in den Kern stürzen, was die Atome instabil machen würde.
• Sichtbare Strahlung, die durch ein Prisma geleitet wird, bricht das Licht in die Farben des Regenbogens auf; dies wird als kontinuierliches Spektrum des sichtbaren Lichts bezeichnet. Das von den Atomen der Elemente emittierte Licht erzeugt jedoch diskontinuierliche Spektren. Die Tatsache, dass jedes Atom ein anderes Spektrum aufweist, deutet auf seine spezifische Struktur hin. Dies konnte mit dem Rutherford-Modell nicht erklärt werden.