Das Atom, mehr als ein Baustein

Das Atomium wurde für die Weltaustellung 1958 in Brüssel als Symbol für das Atomzeitalter errichtet.

Die meisten Abhandlungen über Atome beginnen mit der Feststellung, diese seien die „Bausteine der Materie“. Tatsächlich, 380.000 Jahre nach dem Urknall verbanden sich Atomkerne mit Elektronen zu Atomen und seit dem ist alle Materie aus diesen Gebilden aufgebaut. Mit einem Ziegelstein haben Atome aber so gut wie nichts gemein. Von diesem verlangen wir geradezu, möglichst über Jahrtausende passiv zu verharren und mit seiner Außenwelt - von dem ihn stützenden Mörtel abgesehen - möglichst wenig zu interagieren. Für unser Leben und die Welt, wie wir sie kennen, ist es dagegen eine Grundvoraussetzung, dass Atome miteinander wechselwirken, d.h. sich verbinden und sich auch wieder trennen.

Atome können massive Strukturen aufbauen aber auch Flüssigkeiten und Gase bilden. Als Teilchenströme tragen sie Energie und Informationen von einem Ort zum anderen. Diese Vielfalt ist nur möglich, weil sie nicht, wie ein Ziegelstein, homogen sind, sondern aus Atomkern und -hülle hochkomplex aufgebaut sind. Was in diesen beiden Kompartimenten genau geschieht, wird von Physikern und Chemikern beiderlei Geschlechts seit mehr als hundert Jahren intensiv erforscht.

Um sich die Größe eines Atomes vorzustellen, haben Sie die Wahl zwischen zwei Zahlen: Der Radius eines Atomes beträgt etwa 10 -10 Meter. 59 Gramm Kochsalz enthalten etwa 12 x 1023 Atome. Mit anderen Worten: Ein einzelnes Atom ist für Menschen - auch mit Hilfe der besten Lichtmikroskope - unsichtbar klein.

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Abbildung: mit freundlicher Genehmigung des Informationskreis Kernnenergie, www.kernfragen.de

Dass Atome keine massiven Gebilde sind, sondern ihr Inneres weitgehend leer ist, fand man heraus, als Phillip Lenard (1862 - 1947, leider ein schlimmer Antisemit) und Ernest Rutherford (1872 - 1937) in getrennten Versuchen Elektronen bzw. Atomkerne gegen Metallfolien beschleunigten. Die meisten Teilchen durchschlugen das jeweilige Hindernis, ohne abgelenkt zu werden. Die Forscher schlossen daraus, dass die Atome weitgehend leer sein müssten. Rutherford entwickelte ein Atommodell, das 1913 von Niels Bohr (1885 - 1962) weiterentwickelt wurde. Es bestimmt seit dem die Vorstellung der meisten Menschen vom Aufbau des Atoms aus drei verschiedenen Teilchen und zwei getrennten Räumen: Im Zentrum befindet sich der schwere Atomkern aus positiven Protonen und ungeladenen Neutronen, den Nukleonen. In der Hülle, deren Durchmesser etwa 100.000 mal größer ist als der des Kernes, halten sich die negativ geladenen leichten Elektronen auf. In ungeladenen Atomen existiert zu jedem Proton immer genau ein Elektron.

Das Bohrsche Atommodell (s. Abbildung oben) ist nicht nur ein schönes Bild, das uns an ein Planetensystem erinnert. Man kann mit Hilfe der eleganten Konstruktion, mit der der dänische Physiker die Elektronenhülle beschrieb, auch viele chemische und physikalische Prozesse gut beschreiben. Zunächst sollten Sie aber einen Blick auf den Atomkern werfen.

Im Zentrum wird es schwer: der Atomkern

Alle Atome, die in Ihrem Kern gleich viele Protonen enthalten, gehören zu demselben Element. Ein Atom des Elementes Wasserstoff hat ein Proton, ein Kohlenstoffatom sechs und ein Sauerstoffatom acht Protonen.

Die positiv geladenen Protonen, die sich wie alle gleichen Ladungen abstoßen, werden durch die starke Kernkraft zusammengehalten (s. Abbildung unten). Auch ein neutrales Neutron wird durch die Kernkraft an seine direkten Nachbarn gezogen - egal ob Proton oder Neutron. Die elektrische Abstoßung wirkt zwar über größere Entfernung,  ist aber viel schwächer als die starke Kernkraft. Bei den leichteren Elementen befinden sich im Kern in etwa genauso viele Neutronen wie Protonen. Im Periodensystem werden die Elemente nach der Anzahl ihrer Protonen aufsteigend aufgereiht. Darum nennt man die Protonenanzahl auch Ordnungszahl


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Abbildung: Die elektrische abstoßenden Kraft (grüne Pfeile) ist schwach, wirkt aber über eine größere Entfernung. Die anziehende starke Kernkraft (blaue Pfeile) wirkt nur zwischen benachbarten Nukleonen. Mit freundlicher Genehmigung des Informationskreis Kernenergie, www.kernfragen.de

Die schweren Atomsorten enthalten im Kern mehr Neutronen als Protonen. Weil Protonen etwa genauso schwer sind wie Neutronen erhält man aus der Summe der Anzahl der beiden Kernteilchen - mit ein paar Stellen hinter dem Komma -  das Atomgewicht. Ein Stickstoffatom (N) besitzt beispielsweise sieben Protonen (Ordnungszahl 7) und sieben Neutronen, sein Atomgewicht beträgt 14,007 (siehe dazu das Periodensystem weiter unten). Ab dem Element Bismut mit der Ordnungszahl 83 sind die Kerne nicht stabil und zerfallen nach einem bestimmten Zeitraum (der durch die Halbwertszeit definiert ist) ohne äußeren Einfluss in Atome mit kleineren Kernen. Dabei geben sie Gammastrahlung, Elektronen oder Heliumkerne an die Umgebung ab - sie sind radioaktiv.

Ein Wasserstoffkern besitzt ein Proton und ein Neutron, ein Heliumkern besteht aus jeweils zwei Kernteilchen und sollte deshalb doppelt so schwer sein. Wenn man genau misst, findet man aber, dass der Heliumkern etwas leichter ist als zwei Wasserstoffatomkerne. Wenn sich nun zwei Atomkerne zu einem größeren verbinden, wird dieser Masseunterschied als Energie freigesetzt. Man muss zwar erstmal die abstoßende Kraft der positiven Kerne überwinden, aber dann gewinnt man einen Energieüberschuss, der so groß ist, dass die Sonne damit bequem das ganze Sonnensystem heizen kann. (Albert Einstein hatte bereits 1905 erklärt, dass Masse und Energie unterschiedliche Formendergleichen Sache sind.)  Die Masse unseres Zentralgestirnes ist so groß, dass sie Wasserstoffkerne allein durch die Gravitationskraft fusionieren lässt (Fusion: von lateinisch fusio, schmelzen). 

Bei einer Wasserstoffbombe wird die gewaltige Energie eines Atomsprengsatzes vom Hiroshima-Typ genutzt, um Wasserstoffatome zu fusionieren und damit eine noch gewaltigere Explosion auszulösen. Das Fusionsfeuer so zu bändigen, dass damit im großen Maßstab friedlich Energie gewonnen werden kann, ist den Menschen trotz großer Anstrengungen noch nicht gelungen.

Unbestimmte Leichtigkeit: die Atomhülle

Die Vorstellungen, die sich die Menschen von der Atomhülle machen, haben sich in den letzten 100 Jahren stark verändert. Die aktuellen Erklärungen der Teilchenphysik können Sie nur mit Hilfe höherer Mathematik nachvollziehen. Aber schon die bildhaften Modelle des frühen 20. Jahrhunderts helfen Phänomene wie Licht, elektrischen Strom und die Verbindung von Atomen zu Molekülen zu verstehen.

Niels Bohr fand eine Antwort auf die Frage, warum die negativ geladenen Elektronen nicht in den positiv geladenen Kern stürzen. Sein Atommodell ordnet jedem Elektron einen Energiegehalt zu, der es auf Abstand zum Atomkern hält. Diese Energiemenge ist aber nicht beliebig, sondern stets ein Vielfaches des Planckschen Wirkungsquantums. Diese wichtige Größe (nach Max Planck 1858 -1947) ist gewissermaßen die 1-Cent-Münze der Energie. Kleiner geht es nicht. Der Energiegehalt des Elektrons bestimmt über seinen Aufenthaltsort innerhalb der Atomhülle. Je mehr Energie es besitzt, um so weiter ist es vom Atomkern entfernt.
Wegen der Portionierung der Energie in Quanten können sich die Elektronen nur an bestimmten Orten der Atomhülle aufhalten, die Bohr Bahnen nannte. Später nannte man diese Regionen - die also eigentlich Energieniveaus sind - Schalen. Weil man für die Räume zwischen den Schalen die Energiequanten zerteilen müsste, sind sie nicht zulässig, was bedeutet, dass sich die Elektronen dort nicht aufhalten.
Und noch eine schlüssige Idee verfeinerte die Architektur des Atommodells. 1924 formulierte Wolfgang Pauli (1900 - 1958) sein Ausschließungsprinzip: Niemals dürfen zwei Elektronen in all Ihren Eigenschaften (Ort, Energiegehalt und Drehimpuls) übereinstimmen.

Kombiniert man Paulis Gedanken mit der Idee der Schalen, versteht man auch den Aufbau des Periodensystems der Elemente: In der Schale, die dem Kern am nächsten liegt (der K-Schale) ist nur Raum für zwei unterschiedliche Elektronen. Als die Natur Elemente mit mehr Elektronen schuf, musste sie diese in der weiter außen liegenden L-Schale anordnen. Mit acht Elektronen ist auch hier kein Platz mehr frei und mit dem Element Neon endet die zweite Periode (das sind die Zeilen im Periodensystem). Zählen Sie einmal mit: zwei Elektronen in der K-Schale, acht Elektronen in der L-Schale. Für zehn Elektronen existieren auch 10 Protonen im Kern. Neon hat die Ordnungszahl Zehn. Natrium (Na) als erstes Element der dritten Periode hat in der äußeren M-Schale seiner Atomhülle ein Elektron. (Dieses negative Elektron „leiht“ es ganz gern dem Chlor wodurch sich dieser negativ und das Natriumatom positiv auflädt. Beide bilden dann NaCl-Kristalle, wie sie sich in dem Kochsalzstreuer auf Ihrem Mittagstisch befinden.)

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Quelle: http://de.wikipedia.org/wiki/Periodensystem [File:Periodic table (German) EN.svg|thumb|Periodic table (German) EN]], Author: D.wondrousch, Mattlaabs

Elektronen lassen sich durch Energiezufuhr für sehr kurze Zeit auf eine höheres Energieniveau - also eine kernfernere Schale - anheben. Wenn es von dort auf das niedrigere Energieniveau zurückspringt, gibt es elektromagnetische Strahlung ab. Der Energiegehalt dieser Emission entspricht genau der Differenz zwischen den beiden Schalen. Und auch diese ausgesendete Lichtenergie ist natürlich „gequantelt“:

Energie = Plancksches Wirkungsquantum x Frequenz der elektromagnetischen Strahlung

E = h x f

Je höher der Energiegehalt dieser Strahlung ist, um so höher ist also auch deren Frequenz. So kann Licht in unterschiedlichen Farben entstehen.

Eine wichtiger Grundgedanke der Quantenphysik ist, dass jede Messung den Gegenstand, den sie untersucht verändert. Betrachten Sie einen vorbeifliegenden Vogel mit Hilfe einer Taschenlampe, so wird deren Licht von der Oberfläche des Tieres reflektiert und in Ihrem Auge wahrgenommen. Allerdings wird die Strahlung auch ein wenig Energie im Federkleid des Tieres abladen.
Das Phänomen wird natürlich erst bei richtig kleinen Dingen erheblich. Wenn sie ein Leichtgewicht wie ein Elektronen mit Strahlung beschießen, um es zu beobachten werden Sie seinen Ort oder seinen Impuls verändern. (Der Impuls ist das Produkt aus der Masse und der Geschwindigkeit eines Körpers).
Werner Heisenberg (1901 - 1976) kam daher zu dem Schluss, dass man nicht nur keine genaue Aussage über den Ort und den Impuls eines Elektrons machen kann. Er ging soweit zu behaupten, dass es ein derart physikalisch definierbares Elektron gar nicht gebe. Die moderne Physik nahm diesen Gedanken auf und ersetzte Bahnen und Schalen durch Wahrscheinlichkeitsräume, die man Orbitale nennt. In Physikbüchern werden sie immer als wolkenartige Gebilde in Form von Kugeln und Hanteln dargestellt (s. Abbildung unten). Ein Orbital soll dann einem Raum entsprechen, in dem sich ein Elektron mit neunzigprozentiger Wahrscheinlichkeit aufhält. 

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Quelle: http://de.wikipedia.org/wiki/Orbital; File:AOs-3D-dots.png

Für die Biologie ist das Orbitalmodell ungeheuer wichtig. Man stellt sich vor, dass sich die Orbitale der äußersten Elektronen zweier Atome überlappen können und so eine chemische Bindung eingehen. So durchdringen sich beispielsweise die Aufenthaltsräume von zwei äußeren Elektronen eines Sauerstoffatoms mit den beiden Elektronenorbitalen von je einem Wasserstoffatom und bilden ein Wassermolekül (s. Abbildung unten). Die chemische Bindung wird so zu einer der wichtigsten Grundlagen des biologischen Lebens.

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Quelle: http://de.wikipedia.org/wiki/Eigenschaften_des_Wassers; File:Water molecule.svg; Based in part on the public domain image Image:H2O (water molecule).jpg by Solkoll. Corrected by Plenz

 

Literatur

 

 
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