Grundlagen: Atommodelle, Elektrizität und Radioaktivität

Elektrostatische Wechselwirkungen

In der Elektrostatik gilt: In der Nähe von zwei elektrischen Körpern mit gleichem Vorzeichen stoßen sie sich ab; haben sie entgegengesetzte Vorzeichen, ziehen sie sich an. Diese Wechselwirkungen beruhen auf elektrischen Ladungen und folgen dem Coulombschen Gesetz.

Elektroskop: Nachweis geladener Körper

Das Elektroskop (u. a. im 18. Jahrhundert von Jean-Antoine Nollet weiter beschrieben) ist ein Gerät zur Erkennung und zum Nachweis geladener Körper. Es kann durch Berührung oder Induktion elektrifiziert werden und zeigt Ladung durch Ausschlag oder Auslenkung an.

Elektrisches Pendel zur Untersuchung von Kräften

Das elektrische Pendel wurde benutzt, um die Anziehung und Abstoßung zwischen geladenen Körpern zu untersuchen. Es besteht meist aus einem aufgehängten, elektrisch leitenden Körper, dessen Auslenkung durch elektrostatische Kräfte sichtbar wird.

Versorium: Früher elektrischer Indikator

Das Versorium wurde von William Gilbert beschrieben. Es ist vergleichbar mit einer Kompassnadel, die jedoch nicht magnetisch wirkt: Ein leicht drehbares Metallblättchen oder eine Nadel auf einer vertikalen Achse reagiert auf geladene Körper, wobei Reibung möglichst vermieden wird.

Elektron und Proton im Atom

Elektronen sind negativ geladene Teilchen. Protonen sind positiv geladene Teilchen und haben die gleiche Ladungsgröße wie das Elektron, jedoch entgegengesetztes Vorzeichen. Neutronen sind elektrisch neutral.

Thomson: Frühe Vorstellung vom Atom

J. J. Thomson nahm an, dass Atome aus einer positiven Masse mit eingebetteten Elektronen bestehen (Plumpudding-Modell). Er erklärte damit erste Beobachtungen geladener Teilchen im Atom.

Rutherford: Kern und Hülle

Ernest Rutherford bestimmte, dass das Atom aus einem dichten, sehr kleinen Kern und einer vergleichsweise großen Hülle besteht. Im Kern ist die positive Ladung konzentriert und fast die gesamte Masse des Atoms konzentriert sich im Kern, während die Elektronen die Hülle bilden und den Kern umkreisen.

Bohr: Quantisierte Bahnen

Niels Bohr schlug vor, dass Elektronen sich in der Hülle um den Atomkern auf bestimmten, quantisierten Kreisbahnen bewegen. Diese Bahnen sind in Schalen organisiert; nur bestimmte Energieniveaus sind erlaubt.

Quantenmechanisches Modell und Orbitale

Heute beschreibt das quantenmechanische Modell das Atom: Anstelle klassischer Kreisbahnen spricht man von Orbitalen. Ein Orbital ist eine Region im Raum mit einer hohen Wahrscheinlichkeit, ein Elektron anzutreffen. Orbitale haben unterschiedliche Formen und Energieniveaus.

Isotope: Gleiche Protonenzahl, verschiedene Neutronenzahl

Isotope sind Atome desselben Elements (gleiche Anzahl Protonen), die sich in der Anzahl der Neutronen unterscheiden. Isotope haben ähnliche chemische Eigenschaften, unterscheiden sich jedoch in ihrer Masse und oft in ihrer Stabilität.

Ionen: Geladene Atome

Ionen entstehen, wenn Atome Elektronen gewinnen oder verlieren. Bei solchen Prozessen sind die Atome nicht mehr elektrisch neutral und werden geladen (positiv geladene Kationen oder negativ geladene Anionen). Ionen sind grundlegend für viele chemische Bindungen und elektrische Leitfähigkeit.

Atome und chemische Elemente

Atome sind die Bausteine der Materie. Alle chemischen Stoffe bestehen aus Atomen, und jedes Atom gehört zu einem chemischen Element, das durch seine Protonenzahl definiert ist.

Radioaktivität: Zerfall instabiler Kerne

Radioaktivität ist der Prozess, bei dem instabile Atomkerne spontan zerfallen und dabei ionisierende Strahlung abgeben. Diese Strahlung kann verschiedene Formen annehmen:

• Alpha-Strahlung (α): Heliumkerne, relativ schwer und wenig durchdringend.
• Beta-Strahlung (β): Elektronen oder Positronen, mittelstarke Durchdringung.
• Gamma-Strahlung (γ): Hochenergetische elektromagnetische Strahlung, sehr durchdringend.

Kernspaltung und Kernfusion

Kernspaltung ist der Prozess, bei dem sehr große, instabile Kerne in zwei oder mehrere kleinere Kerne zerbrechen und dabei Energie freisetzen. Im Gegensatz dazu ist die Kernfusion (Verschmelzen leichter Kerne) der Mechanismus, der die enorme Energie in der Sonne und anderen Sternen erzeugt. Beide Prozesse haben wichtige Anwendungen, aber auch Risiken.

Anwendungen der Kernenergie und Radioaktivität

Radioaktive Prozesse und Kernreaktionen werden in vielen Bereichen genutzt:

• Als Energiequelle (Kernkraftwerke, Forschungsreaktoren).
• In der Forschung (Physik, Materialwissenschaften).
• In der Medizin (Diagnostik, Strahlentherapie).

Radioaktiver Abfall und Sicherheit

Radioaktive Abfälle werden nach ihrer Aktivität klassifiziert. Niedrig- und mittelradioaktive Abfälle können nach einigen Jahren bis Jahrzehnten eine so reduzierte Aktivität erreichen, dass sie keine große Gefahr mehr für die Gesundheit darstellen, vorausgesetzt sie werden sicher verwahrt. Hochradioaktive Abfälle bleiben über sehr lange Zeiträume (oft Tausende von Jahren) gefährlich und erfordern sichere Lagerungs- und Isolationslösungen, um Menschen und Umwelt zu schützen.