Chemie Kapitel 1


Atombau


Atombausteine

Atome sind aus drei verschiedenen subatomaren Teilchen aufgebaut: Protonen, Neutronen und Elektronen. In der Tabelle sind die Symbole und Eigenschaften der drei Atombausteine aufgelistet.

TeilchenSymbolLadungMasse [u]

 Masse [kg]

ProtonAtombau Proton+1~1

Atombau Protonenmasse 1,6726\cdot 10^{-27}

NeutronAtombau Neutron0~1Atombau Neutronenmasse1,6749\cdot 10^{-27}
Elektron

Atombau Elektron e^-

-1\sim \frac{1}{2000}9,109\cdot 10^{-31}

 

 

 

 

 

 

 

Jedes Proton trägt genau eine positive Elementarladung und jedes Elektron genau eine negative Elementarladung. (Eine Elementarladung entspricht etwa 1,602 · 10−19 C (Coulomb) und ist die kleinst mögliche Ladung. Sie kann nicht mehr weiter geteilt werden.) Neutronen tragen keine elektrische Ladung, sie sind ungeladen.
Protonen und Neutronen haben etwa die gleiche Masse, wobei ein Neutron ein bisschen mehr Masse als ein Proton besitzt, jedoch ist dieser Unterschied in der Regel vernachlässigbar.Die Masse eines Protonen bzw. Neutrons enspricht etwa der atomaren Masseneinheit 1 Unit [u]. (Die wird auch oft als Dalton [Da] bezeichneit.)


Elementarteilchen

Elementarteilchen sind Teilchen die nicht weiter teilbar sind. Man vermutete lange dass alle subatomaren Teilchen solche unteilbaren Teilchen sind. Aus heutiger Sicht der theoretischen Physik gehören von den drei Atombausteinen allerdings nur Elektronen zu den Elementarteilchen da sich Protonen und Neutronen aus sogenannten Quarks zusammengesetzt sind.

Dies hat für das weitere Verständnis der Chemie allerdings kaum Relevanz.

Hier eine Übersicht über die 17 bekannten Elementarteilchen:

Atombau Elementarteilchen

Elementarteilchen des Standardmodells
violett: Quarks (Bausteine der Protonen und Neutronen)
grün: Leptonen (z.B. Elektron)
rot: Austauschteilchen (z.B. Photon)
gelb: Higgs-Boson


Der Atomkern

Der Atomkern besteht aus Protonen und Neutronen und ist daher stets positiv geladen. Die Elektronen befinden sich in den äußeren Schalen und machen den Großteils des Volumens des Atoms aus. Der Atomkern hat etwa 10.000-100.000 fach geringeren Durchmesser als das Atom selbst.

Atombau https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/1/1b/Atom-schematic_de.svg/220px-Atom-schematic_de.svg.png

Atombau Thomson
Thomsonsches Atommodell

Bei der Erforschung der Atome war es keineswegs selbstverständlich dass die Protonen im sehr kleinen Atomkern alle gemeinsam vorliegen, da dies einen Widersruch zum Coulomb´schen Gesetz darstellte. Nach diesem Gesetz stoßen sich gleichnamige (in dem Fall positive) Ladungen ab und die Abstoßungskraft wird größer je geringer der Abstand zwischen den Ladungen ist. Man hatte daher zunächst die Vorstellung dass die positive Ladungen im Atom gleichmäßig verteilt vorliegen würden. (Thomsonsches Atommodell, wird auch oft als Plumpudding- oder Rosinenkuchenmodell bezeichnet.)



Rutherford´scher Goldfolienversuch

Erst durch den Versuch von Ernest Rutherford im Jahr 1909 wurde gezeigt dass Atome einen positiv geladenen, massereichen und sehr kleinen kern besitzen müssen.

Rutherford und seine Mitarbeiter Hans Geiger und Ernest Marsden führten einen Versuch mit Alpha-Teilchen durch. Es wurde die Verteilung der Ablenkwinkel (zwischen 0° und 180°) im Vakuum mit dünnen Folien verschiedener Metalle, darunter Gold, untersucht. Es zeigte sich, dass etwa eines von 8000 Alphateilchen zurückgeworfen wurde, was auf ein kleines massives Zentrum im Inneren der Atome schließen ließ. Dieses massive Zentrum im Inneren des Atoms bezeichnete Rutherford als Atomkern.

Atombau Thomson

Oben das zu erwartende Ergebnis, wenn das thomsonsche Atommodell gegolten hätte. Unten das Ergebnis des Rutherfordexperiments,

Rutherford leitete aus den Experimenten Werte für die Größe und Ladung der positiven Ladungsverteilung von Gold und anderen Elementen ab. Dabei kam er zu dem Schluss, dass die enorme elektrische Feldstärke, die für die gemessene starke Ablenkung von Alpha-Teilchen erforderlich ist, nur erklärbar ist wenn die positive Ladung des Atoms vollständig in einem kompakten Atomkern konzentriert ist, dessen Radius sehr viel kleiner ist als der Atomradius.

„It was almost as incredible as if you fired a 15-inch shell at a piece of tissue paper and it came back and hit you.“„Es war beinahe so unglaublich, als ob man mit einem 15-Zoll-Geschoss auf ein Stück Seidenpapier schießt und das Geschoss zurückkommt und einen selbst trifft.“– Ernest Rutherford


In diesem interaktiven Applet kann der Rutherford-Versuch für beide Atommodelle simuliert werden:


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