Atomaufbau: Kern, Hülle und Modelle erklärt

Atome sind die kleinsten Einheiten eines chemischen Elements mit dessen charakteristischen chemischen Eigenschaften. Chemische Methoden zerlegen sie nicht in andere Elemente; physikalisch bestehen sie aus kleineren Teilchen.

Im kleinen Kern liegen Protonen und Neutronen. Sie sind Nukleonen und bestehen selbst aus Quarks. Für den grundlegenden Atomaufbau betrachten wir sie als Kernteilchen.

Die große Elektronenhülle enthält negativ geladene Elektronen. Sie nimmt fast den gesamten Atomraum ein, trägt aber nur einen geringen Teil der Masse.

Die Ordnungszahl Z zählt die Protonen und heißt auch Kernladungszahl. Z=1 kennzeichnet Wasserstoff; Z=6 kennzeichnet Kohlenstoff.

Die Massenzahl A zählt Protonen und Neutronen zusammen. Ist N die Neutronenzahl, gilt:

A=Z+N

Daher ist N=A-Z. Die ganzzahlige Massenzahl eines Isotops ist etwas anderes als die durchschnittliche Atommasse im Periodensystem.

Alle Atome eines Elements haben dieselbe Protonenzahl. Bei einem neutralen Atom sind Protonen- und Elektronenzahl gleich.

Gibt das Atom Elektronen ab, entsteht ein positiv geladenes Kation. Nimmt es Elektronen auf, entsteht ein negativ geladenes Anion. Ein Ion kann auch ein geladenes Molekül sein. Die Protonenzahl bleibt bei diesen Vorgängen gleich.

Isotope sind Atome desselben Elements mit unterschiedlicher Neutronenzahl und damit unterschiedlicher Massenzahl. Ändert sich die Protonenzahl, gehört das Atom zu einem anderen Element.

Atome sind etwa 10^{-10}\,\mathrm{m} groß; ihr Kern ist viel kleiner. Beim Rutherford-Versuch durchquerten die meisten positiv geladenen Alpha-Teilchen eine dünne Metallfolie fast ungehindert. Wenige wurden stark abgelenkt oder zurückgestreut. Daraus erschließt man einen kleinen Kern mit positiver Ladung und fast der gesamten Masse.

Ein Modell vereinfacht für eine bestimmte Frage. Das Kern-Hülle-Modell erklärt die Streuung. Das Bohr-Modell ordnet erlaubte Energien; das Schalenmodell zeigt die Verteilung der Elektronen vereinfacht. Ein Orbital im heutigen Modell beschreibt einen Bereich, in dem ein Elektron mit bestimmter Wahrscheinlichkeit gemessen werden kann. Es ist keine feste Kreisbahn.

Im vereinfachten Schalenbild heißen die Schalen K, L, M und N. Die K-Schale fasst höchstens 2 Elektronen, die L-Schale höchstens 8 und die M-Schale höchstens 18. Das sind Obergrenzen, keine vorgeschriebenen Besetzungen.

Bei den acht Hauptgruppen zeigt die Periode vereinfacht die Zahl besetzter Schalen; die Hauptgruppe zeigt die Zahl der Außenelektronen. Diese Valenzelektronen sind für Bindungen wichtig. Wasserstoff hat ein Elektron in K, Helium zwei; danach beginnt eine neue Schale. Ab der vierten Periode reicht dieses einfache Bild für die genaue Verteilung nicht mehr aus.