Atombau: Atomkern, Atomhülle und Elementarteilchen

Einstieg: Ein Atom ist fast leer

Stell dir vor, ein Atom wäre so groß wie ein Fußballstadion. Dann wäre sein Kern etwa so groß wie eine Erbse am Anstoßpunkt. Fast die gesamte Masse des Atoms steckt in dieser Erbse. Der Rest des Stadions ist bis auf ein paar winzige Elektronen leer. Woher weiß man das, wenn niemand ein Atom von innen gesehen hat?

Erklärung: Der Streuversuch von Rutherford

Dalton stellte sich Atome als massive, unteilbare Kugeln vor. Um 1910 beschoss Ernest Rutherford eine hauchdünne Goldfolie mit sehr schnellen, positiv geladenen Teilchen (Alphateilchen). Hinter der Folie stand ein Schirm, der jeden Treffer anzeigte.

Beobachtungen:

1. Fast alle Teilchen flogen geradeaus durch die Folie, als wäre sie nicht da.
2. Einige wenige wurden abgelenkt.
3. Sehr wenige, etwa eines von vielen Tausend, prallten zurück.

Deutung:

1. Atome bestehen größtenteils aus leerem Raum.
2. In der Mitte jedes Atoms sitzt ein winziger, positiv geladener Atomkern. Er enthält fast die gesamte Masse. Kommt ein positives Teilchen ihm nahe, wird es abgestoßen und abgelenkt.
3. Trifft ein Teilchen den Kern fast direkt, prallt es zurück.

Um den Kern herum liegt die Atomhülle. Dort bewegen sich die negativ geladenen Elektronen. Dieses Bild heißt Kern-Hülle-Modell. Der Durchmesser der Hülle ist etwa 10 000- bis 100 000-mal so groß wie der des Kerns.

Die drei Bausteine der Atome

Baustein	Ort	Ladung	Masse (ungefähr)
Proton $\mathrm{p^{+}}$	Kern	positiv (+1)	1 u
Neutron $\mathrm{n}$	Kern	keine (0)	1 u
Elektron $\mathrm{e^{-}}$	Hülle	negativ (−1)	etwa $\frac{1}{1800}$ u, fast nichts

Die Einheit u (atomare Masseneinheit) ist sehr klein: $1\,\text{u} \approx 1{,}66 \cdot 10^{-24}\,\text{g}$.

Ein Atom ist nach außen elektrisch neutral. Es hat deshalb genauso viele Elektronen in der Hülle wie Protonen im Kern.

Ordnungszahl, Massenzahl, Isotope

• Die Ordnungszahl (Kernladungszahl) ist die Zahl der Protonen. Sie legt fest, um welches Element es sich handelt. Jedes Atom mit 6 Protonen ist ein Kohlenstoffatom, jedes mit 11 Protonen ein Natriumatom.
• Die Massenzahl ist die Zahl der Protonen plus die Zahl der Neutronen.
• Neutronenzahl = Massenzahl − Ordnungszahl.

Atome eines Elements können verschieden viele Neutronen haben. Solche Atomsorten heißen Isotope. Kohlenstoff kommt zum Beispiel als Kohlenstoff-12 (6 Neutronen) und in Spuren als Kohlenstoff-14 (8 Neutronen) vor. Chemisch verhalten sich Isotope eines Elements gleich, denn dafür ist die Hülle zuständig.

Beispiele

Beispiel 1: Ein Natriumatom

Natrium hat die Ordnungszahl 11 und die Massenzahl 23.

• Protonen: 11
• Elektronen: 11, weil das Atom neutral ist
• Neutronen: $23 - 11 = 12$

Beispiel 2: Chlor-35 und Chlor-37

Chlor hat die Ordnungszahl 17. Chlor-35 hat $35 - 17 = 18$ Neutronen, Chlor-37 hat $37 - 17 = 20$ Neutronen. Beide haben 17 Protonen und 17 Elektronen. Im natürlichen Chlor kommen etwa drei Viertel Chlor-35 und ein Viertel Chlor-37 vor. Deshalb steht im Periodensystem als mittlere Atommasse etwa 35,45 u und keine ganze Zahl.

Merksatz

Ein Atom besteht aus einem winzigen, positiv geladenen Kern aus Protonen und Neutronen und einer fast leeren Hülle mit Elektronen. Die Zahl der Protonen (Ordnungszahl) bestimmt das Element. Ein Atom ist neutral, weil es gleich viele Elektronen wie Protonen hat. Isotope sind Atome eines Elements mit unterschiedlich vielen Neutronen.

Übungen

Grundlagen

1. Nenne die drei Bausteine eines Atoms mit Ort und Ladung.
2. Bestimme Protonen, Neutronen und Elektronen für Sauerstoff (Ordnungszahl 8, Massenzahl 16) und Aluminium (Ordnungszahl 13, Massenzahl 27).
3. Erkläre, warum ein Atom nach außen ungeladen ist.

Weiter

4. Beschreibe die drei Beobachtungen des Rutherford-Versuchs und ordne jeder ihre Deutung zu.
5. Ein Atom hat 20 Protonen und 20 Neutronen. Um welches Element handelt es sich, und wie groß ist seine Massenzahl? Nutze ein Periodensystem.
6. Erkläre, warum Kohlenstoff-12 und Kohlenstoff-14 chemisch gleich reagieren.

Knobeln

7. Hätte Daltons Modell der massiven Kugel gestimmt, was hätte Rutherford dann beobachten müssen? Begründe.
8. Ein Goldatom hat einen Durchmesser von etwa $3 \cdot 10^{-10}\,\text{m}$, sein Kern etwa $1{,}4 \cdot 10^{-14}\,\text{m}$. Berechne, wie viel größer die Hülle ist. Wie groß wäre der Kern, wenn das Atom 100 m Durchmesser hätte?

Lösungen

1. Proton: im Kern, positiv. Neutron: im Kern, ungeladen. Elektron: in der Hülle, negativ.
2. Sauerstoff: 8 Protonen, 8 Elektronen, $16 - 8 = 8$ Neutronen. Aluminium: 13 Protonen, 13 Elektronen, $27 - 13 = 14$ Neutronen.
3. Es hat genauso viele negativ geladene Elektronen wie positiv geladene Protonen. Die Ladungen gleichen sich aus.
4. Fast alle Teilchen fliegen durch: Das Atom ist größtenteils leer. Einige werden abgelenkt: Es gibt einen positiv geladenen Kern, der sie abstößt. Sehr wenige prallen zurück: Der Kern ist winzig, enthält aber fast die ganze Masse.
5. 20 Protonen: Calcium. Massenzahl $20 + 20 = 40$.
6. Für chemische Reaktionen ist die Atomhülle entscheidend. Beide Isotope haben 6 Protonen und daher 6 Elektronen in gleicher Anordnung. Sie unterscheiden sich nur in der Neutronenzahl im Kern.
7. Bei massiven, dicht gepackten Kugeln hätten fast alle Teilchen abgelenkt oder zurückgeworfen werden müssen. Kaum ein Teilchen wäre geradeaus durch die Folie gekommen.
8. $\frac{3 \cdot 10^{-10}}{1{,}4 \cdot 10^{-14}} \approx 21\,000$. Die Hülle ist etwa 21 000-mal so groß. Bei 100 m Atomdurchmesser hätte der Kern $\frac{100\,\text{m}}{21\,000} \approx 0{,}005\,\text{m}$, also etwa 5 mm, so groß wie eine Erbse.