Grundlagen der Elektrizität und Atomphysik

Elektrische Natur der Materie

Thales von Milet stellte fest, dass das Reiben von Bernstein mit einem Tuch andere Partikel anziehen konnte. Im achtzehnten Jahrhundert schlug Franklin vor, dass alle Körper Elektrizität besitzen und diese von einem zum anderen übertragen werden kann. Die drei grundlegenden Methoden, um einen Körper zu elektrisieren, sind:

• Reibung
• Kontakt
• Induktion

Elektrische Ladung (Q)

Die Menge der elektrischen Ladung (Q) ist eine physikalische Größe, die gemessen wird, und ihre Einheit ist Coulomb (C). Es gibt zwei Arten von elektrischer Ladung: negativ (wie bei Bernstein oder Kunststoff) und positiv (wie bei Glas). Neutrale Körper besitzen die gleiche Anzahl positiver wie negativer Ladungen.

Coulomb-Gesetz

Coulomb war der Erste, der die elektrische Kraft quantitativ mit dem folgenden Gesetz berechnete: F = k · Q1 · Q2 / r².

• F: Kraft
• k: Dielektrizitätskonstante des Mediums
• Q1 und Q2: Elektrische Ladungen (in Coulomb)
• r: Abstand zwischen den Ladungen

Partikel des Atoms

Das Atom ist teilbar. Die verantwortlichen Partikel sind negativ geladene Elektronen und positiv geladene Protonen. Das Proton ist etwa 1800 Mal massereicher als das Elektron.

• Die elektrische Ladung eines Elektrons beträgt 1,602 × 10⁻¹⁹ C und seine Masse 9,109 × 10⁻³¹ kg.
• Die elektrische Ladung eines Protons beträgt 1,602 × 10⁻¹⁹ C und seine Masse 1,673 × 10⁻²⁷ kg.

Ionen

Definitionen:

• Kation: Wenn ein Atom ein oder mehrere Elektronen verliert und positiv geladen wird.
• Anion: Wenn ein Atom ein oder mehrere Elektronen aufnimmt und negativ geladen wird.
• Ion: Eine geladene chemische Spezies, also nicht neutral.

Atommodelle

Thomson-Atommodell

Dieses Modell schlägt vor, dass das Atom eine kontinuierliche, positiv geladene Kugel ist, in die Elektronen eingebettet sind, da diese eine viel geringere Masse als Protonen haben.

Rutherford-Modell

Dieses Modell entstand aus einem Experiment, das Rutherford durchführte: Er beschoss eine dünne Goldfolie mit positiv geladenen Alpha-Teilchen (Kerne von Helium-Atomen). Er beobachtete auf einem Schirm hinter der Goldfolie, dass die meisten Partikel die Folie ungehindert durchdrangen, einige leicht abgelenkt wurden und nur sehr wenige zurückprallten.

Aus den Experimenten leitete er ab:

• Das Atom besitzt einen zentralen Kern, in dem fast seine gesamte Masse konzentriert ist.
• Die positive Ladung der Protonen wird durch die negativen, kreisenden Elektronen ausgeglichen.
• Elektronen bewegen sich mit hoher Geschwindigkeit um den Atomkern.

Bohr-Modell

Das Bohr-Modell basiert auf den folgenden Postulaten:

• Ein einzelnes Elektron bewegt sich in einer „erlaubten“ kreisförmigen Umlaufbahn, in der es keine Energie abstrahlt.
• Die Elektronenbahnen besitzen eine bestimmte Energie, die umso größer ist, je weiter die Bahn vom Kern entfernt ist.
• Springt ein Elektron von einer Bahn höherer Energie auf eine Bahn niedrigerer Energie, wird die überschüssige Energie als Strahlung emittiert, was sich in den Spektren zeigt.

Elektronenkonfiguration

Die Elektronenkonfiguration beschreibt, wie Elektronen in Schichten oder verschiedenen Energieniveaus um den Kern herum angeordnet sind. In jeder Schicht kann eine maximale Anzahl von Elektronen nach der Formel 2n² untergebracht werden, wobei n die Anzahl der Schichten ist:

• 1. Schicht (K): 2 · 1² = 2 Elektronen (maximal)
• 2. Schicht (L): 2 · 2² = 8 Elektronen (maximal)
• 3. Schicht (M): 2 · 3² = 18 Elektronen (maximal)
• 4. Schicht (N): 2 · 4² = 32 Elektronen (maximal)

Regeln der Elektronenkonfiguration

Wenn sich in der 3. Schicht 8 Elektronen befinden, beginnt die 4. Schicht, obwohl die 3. Schicht bis zu 18 Elektronen aufnehmen könnte. Die Elektronen in der äußersten Schicht werden Valenzelektronen genannt, und diese Schicht ist die Valenzschale.

Ordnungszahl (Z) und Massenzahl (A)

Die Ordnungszahl (Z) ist die Anzahl der Protonen, die ein Atom besitzt. Alle Atome desselben Elements haben die gleiche Ordnungszahl. Die chemischen Elemente im Periodensystem sind zunehmend nach ihren Ordnungszahlen sortiert.

Die Massenzahl (A) entspricht der Summe der Protonen und Neutronen in einem Atom. Die Masse der Elektronen wird hierbei nicht berücksichtigt, da sie im Vergleich zu Protonen und Neutronen vernachlässigbar ist.

Isotope

Isotope sind Atome eines Elements mit gleicher Ordnungszahl (Z), aber unterschiedlicher Massenzahl (A).

Radioaktivität

Wenn die Anzahl der Neutronen im Kern viel größer ist als die der Protonen, ist der Kern instabil und emittiert spontan Teilchen oder Strahlung, bis er sich stabilisiert. Es gibt drei Arten von Strahlung:

• Alpha-Teilchen: Dies sind Heliumkerne mit geringer Durchschlagskraft (sie werden von einem Blatt Papier gestoppt).
• Beta-Teilchen: Dies sind Elektronen mit hoher Geschwindigkeit und hoher Durchdringungsfähigkeit (sie durchdringen Aluminiumfolie).
• Gamma-Strahlung: Dies ist hochenergetische elektromagnetische Strahlung, die sich mit Lichtgeschwindigkeit ausbreitet, sehr durchdringend ist und nur von dickem Beton oder Blei gestoppt wird.