Grundlagen der Atomphysik: Teilchen, Modelle & Quanten

Grundlegende atomare Bestandteile

Elektron

Es hat eine Masse von 9,1 x 10^-28 g (0,00055 amu) und eine elektrische Ladung von -1,6 x 10^-19 Coulomb.

Proton

Es hat eine Masse von 1,67 x 10^-24 g (1,00732 amu) und eine elektrische Ladung von +1,6 x 10^-19 Coulomb.

Radioaktivität

Radioaktive Strahlung wird in drei Hauptarten unterteilt:

• Alpha-Strahlen (α): Bestehen aus positiv geladenen Teilchen (Heliumkernen), die sich mit einer Geschwindigkeit zwischen 16.000 und 32.000 km/s bewegen. Sie sind nicht sehr durchdringend.
• Beta-Strahlen (β): Bestehen aus Elektronen (negativ geladen), die sich mit hoher Geschwindigkeit bewegen. Sie sind durchdringender als Alpha-Strahlen.
• Gamma-Strahlen (γ): Sind keine Teilchen, sondern hochfrequente elektromagnetische Strahlung. Sie bewegen sich mit Lichtgeschwindigkeit, haben keine elektrische Ladung und besitzen eine große Durchschlagskraft.

Historische Atommodelle

Das Rutherfordsche Atommodell

Rutherford schlug folgendes Modell vor:

1. Das Atom besteht aus einem zentralen, positiv geladenen Kern, der von negativen Elektronen umgeben ist.
2. Der Kern ist im Verhältnis zum gesamten Atomdurchmesser sehr klein, enthält aber den größten Teil der Atommasse.
3. Die Elektronen umkreisen den Kern in unterschiedlichen Abständen, ohne mit ihm zu kollidieren.
4. Die Anzahl der Elektronen ist ausreichend, um die positive Ladung des Kerns zu kompensieren, sodass das Atom als Ganzes elektrisch neutral ist.
5. Die Elektronen haben im Vergleich zur Gesamtmasse des Atoms eine vernachlässigbare Masse.

Das Bohrsche Atommodell

Die Interpretation der Atomspektren erlaubte es Bohr vorzuschlagen, dass Elektronen den Kern in definierten Bahnen oder Energieniveaus umkreisen.

Schlüsselkonzepte der Atomstruktur

Ordnungszahl (Kernladungszahl)

Jedes chemische Element hat eine bestimmte, charakteristische Anzahl von Protonen im Kern.

Massenzahl

Sie ist gleich der Summe der Anzahl der Protonen und Neutronen, die ein Atom in seinem Kern enthält.

Isotope

Isotope sind Atome mit der gleichen Anzahl von Protonen, aber einer unterschiedlichen Anzahl von Neutronen.

Ion

Ein Ion ist ein elektrisch geladenes Teilchen, das durch den Gewinn oder Verlust von Elektronen entsteht. Positive Ionen werden Kationen genannt, negative Ionen Anionen.

Grundlagen der Quantenmechanik

Energie-Unterniveaus

Mit Ausnahme des ersten Energieniveaus bestehen die anderen aus mehreren Unterniveaus, die eng beieinander liegen. Die Unterniveaus werden mit den Buchstaben s, p, d und f bezeichnet. Jedes Unterniveau kann nur eine maximale Anzahl von Elektronen aufnehmen.

Welle-Teilchen-Dualismus

De Broglie postulierte, dass sich sehr kleine Teilchen, die sich mit hoher Geschwindigkeit bewegen (z. B. Elektronen), manchmal wie Materieteilchen und manchmal wie Wellen verhalten können.

Quantenzahlen

Diese beschreiben den Zustand und die Eigenschaften der Elektronen. Jedes Elektron wird durch vier Quantenzahlen charakterisiert: die Hauptquantenzahl, die Nebenquantenzahl, die Magnetquantenzahl und die Spinquantenzahl.

Pauli-Prinzip (Ausschließungsprinzip)

In einem Atom können keine zwei Elektronen in allen vier Quantenzahlen übereinstimmen. Sie müssen sich in mindestens einer Quantenzahl unterscheiden.