Atom

Was ist ein Atom?

Atome sind die Bausteine aller festen, flüssigen und gasförmigen Stoffe. Alle Materialeigenschaften und das Verhalten in chemischen Reaktionen werden durch die Eigenschaften und die räumliche Anordnung ihrer Atome festgelegt. Jedes Atom gehört zu einem chemischen Element und ist dessen kleinste Einheit; 118 Elemente sind bekannt, etwa 90 davon kommen auf der Erde natürlich vor.

Atome sind nicht unteilbar, sondern bestehen aus einem Atomkern und einer Atomhülle. Der Kern ist etwa ein Zehn- bis Hunderttausendstel des Atomdurchmessers groß, enthält aber über 99,9 Prozent der Masse. Er besteht aus positiv geladenen Protonen und neutralen, etwa gleich schweren Neutronen (zusammen Nukleonen), die durch die starke Wechselwirkung gebunden sind. Die Hülle besteht aus negativ geladenen Elektronen, trägt weniger als 0,06 Prozent zur Masse bei, bestimmt aber die Atomgröße. Kern und Hülle sind durch elektrostatische Anziehung gebunden.

Die Anzahl der Elektronen in der neutralen Hülle entspricht der Anzahl der Protonen; diese Zahl heißt chemische Ordnungszahl und legt das chemische Verhalten fest. Fehlen oder überzählige Elektronen ergeben ein positiv bzw. negativ geladenes Ion.

Größen: Durchmesser von 6·10⁻¹¹ m (Helium) bis 5·10⁻¹⁰ m (Cäsium); Massen von 1,7·10⁻²⁷ kg (Wasserstoff) bis knapp 5·10⁻²⁵ kg (schwerste synthetische Kerne). Einzelne Atome sind mit Lichtmikroskopen nicht sichtbar, da die Wellenlänge des sichtbaren Lichts dazu zu groß ist.

Weg zur Atomhypothese und Atommodell

Die Atomvorstellung (Atomismus: Materie besteht aus unteilbaren Grundeinheiten) existiert seit der Antike, zunächst nur als philosophische Spekulation, z. B. bei Leukipp und Demokrit (5. Jh. v. Chr., Begriff átomos = „das Unzerschneidbare“), sowie in indischen Schulen (Nyaya, Vaisheshika).

Naturwissenschaftliche Meilensteine:

• Boyle (1661): Materie aus corpuscules statt der vier Alchemie-Elemente.
• Bernoulli (1740): Gasdruck durch Stöße kleinster Teilchen erklärt.
• Lavoisier (1789) prägt den Elementbegriff; Dalton (1803) erklärt mit Atomen das Gesetz der multiplen Proportionen und begründet den Begriff Atomgewicht.
• Avogadro (1811): gleiche Gase bei gleichem Volumen, Druck und Temperatur enthalten gleich viele Moleküle; elementare Gase bestehen aus zweiatomigen Molekülen.
• Loschmidt (1866) bestimmt Größe und Masse von Luftmolekülen und die Loschmidtsche Zahl.
• Kundt und Warburg (1876) weisen erstmals ein einatomiges Gas (Quecksilberdampf) nach.
• Einstein (1905) erklärt quantitativ die Brownsche Bewegung durch Molekülstöße; Perrin bestimmte daraus experimentell die Molekülmasse. Damit war die Atomhypothese allgemein anerkannt.

Aufbau der Atome:

• Thomson (1897) entdeckt das Elektron (Masse kleiner als ein Tausendstel der Atommasse); Thomsonsches Atommodell: Elektronen wie „Rosinen in einem Kuchen“.
• Rutherford (1909, Goldfolienversuch): fast die ganze Masse ist in einem winzigen, geladenen Kern konzentriert – Rutherfordsches Atommodell mit Kern und Hülle; α-Teilchen erwiesen sich als Heliumkerne, die Kernladungszahl als Ordnungszahl.
• Soddy (1911) und der Begriff Isotop (Margaret Todd, 1913); Thomson weist 1913 mit einem Massenspektrometer stabile Neon-Isotope nach, Aston 1918, dass fast alle Elemente Isotopengemische mit (nahezu) ganzzahligen Massen sind.
• Rutherford (1919) entdeckt das Proton; Chadwick (1932) das Neutron – damit entstand das heutige Atommodell (Kern aus Protonen und Neutronen, Hülle aus Elektronen).

Kern und Hülle: moderne Modelle und Experimente

Hülle: Die Eigenschaften der Hülle ließen sich klassisch nicht erklären. Bohr (1913) erklärte mit Quantisierungsregeln und der Planck-Konstante die Spektrallinien (Spektralanalyse nach Bunsen und Kirchhoff, 1859); im Franck-Hertz-Versuch wurde die Quantisierung bestätigt. Das Bohrsche Modell (Elektronen auf festen Umlaufbahnen, Bild vom „Planetensystem“) galt nur für ein Elektron.

1925/1926 entstanden Heisenbergs Matrizenmechanik und Schrödingers Wellenmechanik – die Quantenmechanik. Danach können Ort und Impuls eines Elektrons nicht gleichzeitig genau bestimmt werden (Heisenbergs Unschärferelation, 1927); statt Bahnen gibt es Wahrscheinlichkeitsverteilungen, die Atomorbitale. Das Orbitalmodell erklärt Spektrallinien, Hüllenstruktur und chemische Bindung auch bei Atomen mit mehreren Elektronen und ist bis heute Ausgangspunkt genauer Berechnungen; bei mehreren Elektronen ist es eine Ein-Teilchen-Näherung (Konfiguration, Konfigurationsmischung für genauere Rechnungen). Einfachere Modelle wie das Schalenmodell und das Thomas-Fermi-Modell werden weiterhin genutzt.

Kern: Das Tröpfchenmodell (von Weizsäcker, Bethe, ab 1935) erklärt den Verlauf der mittleren Bindungsenergie (Maximum bei etwa A=60). Da das Maximum bei mittelschweren Kernen liegt, setzt sowohl Kernfusion leichter Kerne als auch Kernspaltung schwerer Kerne Energie frei: Fusion von Wasserstoff zu Helium wurde 1938 als Energiequelle der Sterne identifiziert; die Spaltung wurde 1938 von Hahn und Strassmann an U-235 nachgewiesen. Das Schalenmodell der Kerne (Jensen, Goeppert-Mayer, 1949) erklärt Grund- und angeregte Zustände; Aage Bohr, Mottelson und Rainwater verbanden es Anfang der 1960er mit kollektiver Bewegung. Die Kernkräfte wurden in den 1970ern auf die starke Wechselwirkung zwischen Quarks zurückgeführt; seit Ende der 1960er weiß man durch tief inelastische Streuung, dass Protonen und Neutronen aus Quarks bestehen.

Wichtige Experimente: Feldionenmikroskop (Müller, 1951), Paulfalle (1953), Laserkühlung (Chu, 1985) bis zu Mikrokelvin und Bose-Einstein-Kondensation, Rastertunnelmikroskop (Binnig, Rohrer, Anfang der 1980er), Untersuchung einzelner Photonen mit einzelnen Atomen (Haroche, Wineland). Rydberg-Atome haben ein Elektron in sehr hohem Energiezustand, können über 100.000-mal größer als normale Atome sein; bei zwei oder mehr angeregten Elektronen spricht man von planetarischen Atomen.

Elemente, Isotope und der Atomkern im Detail

Elemente und Isotope: Kennzahlen sind die Protonenzahl Z (Ordnungszahl), die Neutronenzahl N und die Massenzahl A=Z+N. Es gibt 118 Elemente (Wasserstoff Z=1 bis Oganesson Z=118), davon 91 in natürlichen Vorkommen, 27 nur künstlich. Im Periodensystem stehen Elemente mit aufsteigender Ordnungszahl; Zeilen heißen Perioden, Spalten mit ähnlichen chemischen Eigenschaften Gruppen. Isotope sind Atome eines Elements mit unterschiedlicher Neutronenzahl; die 118 Elemente umfassen etwa 2800 Isotope, davon 2500 künstlich. Isotopsymbole: z. B. ¹²C, ⁵⁸Fe, Pb-208; Deuterium und Tritium sind die schweren Wasserstoffisotope.

Nuklide: allgemeine Bezeichnung für Atomarten; die Nuklidkarte ordnet sie nach Protonen- und Neutronenzahl. Metastabile angeregte Kerne heißen Isomere. Isobare haben gleiche Massenzahl A, Isotone gleiche Neutronenzahl N.

Stabilität: Nur etwa 250 Isotope von 80 Elementen sind stabil; alle anderen sind radioaktive Radioisotope/Radionuklide. Auf der Erde wurden 30 natürliche Radioisotope (10 radioaktive Elemente) gefunden. Oberhalb von 82 Protonen (jenseits von Blei) sind alle Kerne instabil; auch für Z=43 (Technetium) und Z=61 (Promethium) gibt es keinen stabilen Kern.

Kernaufbau: Protonen und Neutronen (Durchmesser etwa 1,6 fm) sind keine Elementarteilchen, sondern bestehen aus je drei Quarks, die durch Gluonen gebunden sind. Die starke Wechselwirkung bindet Nukleonen bis etwa 2,5 fm, ist darunter stark abstoßend – der Kern verhält sich anziehend wie ein Haufen harter Kugeln, sein Radius beträgt etwa 1,3·∛A fm. Stabile Kerne bis etwa 20 Protonen haben ein Neutronen-zu-Protonen-Verhältnis nahe 1:1, darüber steigt es bis etwa 1,5:1. Die Bindungsenergie liegt oberhalb von 7 MeV pro Nukleon, also rund 10⁶-mal über chemischer Bindungsenergie. Magische Zahlen (z. B. He-4, O-16, Pb-208) bedeuten besondere Stabilität.

Masse: 1 u = 1,66053904·10⁻²⁷ kg; ein ¹²C-Atom hat exakt 12 u. Leichtestes Wasserstoffatom: 1,007825 u; schwerstes stabiles Nuklid: ²⁰⁸Pb mit 207,9766521 u. Ein Mol sind etwa 6,022·10²³ Teilchen; 1 Mol Atome der Atommasse X u wiegt exakt X Gramm.

Zerfälle und Fusion: Wichtig sind Alpha-Zerfall (Ausstoß eines Heliumkerns), Beta-Zerfall (Umwandlung Neutron↔Proton mit Aussendung von Elektron/Positron und Neutrino/Antineutrino) und Gamma-Zerfall (Abgabe von Gammastrahlung ohne Änderung von Z und N). Halbwertszeit und Strahlungsenergien sind nuklidspezifisch; mehrere Zerfallsstufen bilden eine Zerfallsreihe. Kernfusion ist nur bei sehr hohen Temperaturen (Millionen Grad) und Drücken möglich, weil der Coulombwall überwunden werden muss; bis Nickel-62 ist sie exotherm und die Energiequelle der Sterne.

Seltene Formen: In exotischen Atomen sind Teilchen ersetzt, z. B. Elektron durch Myon (myonisches Atom); Positronium besteht aus Elektron und Positron. 1995 wurden am CERN erstmals Antiwasserstoffatome hergestellt.

Die Atomhülle und chemische Eigenschaften

Die Atomhülle (Elektronenhülle) besteht aus negativ geladenen Elektronen, die an den positiven Kern gebunden sind. Die durchschnittliche Bindungsenergie je Elektron beträgt bei einem neutralen Atom etwa 13,6·Z^(4/3) eV – sie steigt also mit der Elektronenzahl, anders als die Bindungsenergie pro Nukleon im Kern. Die Hülle ist für praktisch alle äußeren Eigenschaften des Atoms verantwortlich.

Schalenmodell: Elektronen ordnen sich in Schalen (K, L, M, … bzw. Hauptquantenzahl) an, die sich räumlich überlappen und durchdringen. Ab der zweiten Schale gibt es Unterschalen (Neben-/Drehimpulsquantenzahl). Orbitalmodell: Atomorbitale sind unscharf begrenzte Wahrscheinlichkeitsverteilungen; jedes Orbital fasst maximal zwei Elektronen (Pauli-Prinzip, Elektronenpaar). Sind vom energetisch niedrigsten Orbital an gerade so viele Elektronen vorhanden wie Protonen, ist das Atom neutral im Grundzustand; höhere Besetzung ergibt angeregte Zustände mit einem für jedes Atom charakteristischen Termschema.

Angeregte Atome geben Energie ab durch Stöße, Elektronenemission (Auger-Effekt) oder Photonenemission (Licht, Röntgenstrahlung). Bei hoher Temperatur oder in Gasentladungen verlieren Atome Elektronen – es entsteht ein Plasma. Jedes Element hat ein charakteristisches Linienspektrum (z. B. Natrium-D-Linie bei 588,99 nm und 589,59 nm), sichtbar in Emissions- und Absorptionsspektren; Spektrallinien dienen z. B. in Atomuhren zur präzisen Frequenzmessung.

Atomgröße: Wegen des unscharfen Hüllenrands sind Atomradien aus Bindungslängen abgeleitet. Innerhalb einer Periode nimmt die Größe ab (anwachsende Kernladung), innerhalb einer Gruppe von oben nach unten zu. Kleinstes Atom: Helium (32 pm); eines der größten: Cäsium (225 pm).

Chemische Bindung und Stoffeigenschaften: Im großen Abstand entstehen anziehende Van-der-Waals-Kräfte (Kondensation von Gasen). Bei starker Annäherung stoßen sich Atome ab, sobald sich die Hüllen überschneiden – deshalb sind Flüssigkeiten und Festkörper nahezu inkompressibel. Im mittleren Bereich entsteht die chemische Bindung (Ionenbindung durch Elektronenwechsel oder kovalente Bindung durch ein bindendes Elektronenpaar); die Elektronegativität bestimmt, bei welchem Atom sich die Elektronen aufhalten. Meist stellen sich Atome Edelgaskonfigurationen ein (Edelgasregel). Viele aneinander gebundene Moleküle bilden feste Körper, bei regelmäßiger Anordnung ein Kristallgitter. Bei Metallen bewegen sich Elektronen fast frei durch das Gitter – Ursache der hohen elektrischen und Wärmeleitfähigkeit; Metallverbindungen heißen Legierungen. Da die Orbitalstruktur nur von der Protonenzahl abhängt, verhalten sich Isotope chemisch nahezu gleich.

Kern-Hülle-Wechselwirkung: Bereits die Coulomb-Wechselwirkung mit einer punktförmigen Kernladung beschreibt die Hülle sehr genau. Kleine Korrekturen (Hyperfeinstruktur) beruhen auf der endlichen Kernausdehnung (nur s-Orbitale betroffen, etwa 1 Prozent bei mittleren Ordnungszahlen), der magnetischen Dipolwechselwirkung und der elektrischen Quadrupolwechselwirkung. Im Wasserstoffatom beträgt diese Aufspaltung etwa ein Millionstel der Elektronenbindungsenergie (21-cm-Linie).

Entstehung, Vorkommen und Beobachtung von Atomen

Entstehung: Etwa eine Sekunde nach dem Urknall blieben Elektronen, Protonen und Neutronen übrig. In den folgenden drei Minuten bildete die primordiale Nukleosynthese die einfachsten Kerne: Deuterium, Helium, in geringerem Umfang Lithium, möglicherweise etwas Beryllium und Bor; 86 Prozent der Protonen blieben als Wasserstoff erhalten. Erste neutrale Atome entstanden erst 380.000 Jahre nach dem Urknall in der Rekombinationsphase, als das Universum abgekühlt genug war.

Schwerere Kerne entstehen durch Kernfusion: In der stellaren Nukleosynthese bilden Sterne Helium und Elemente bis zum Eisen; schwerere Elemente entstehen explosiv, etwa im r-Prozess in Supernovae und im s-Prozess in AGB-Sternen. Radioaktive Zerfälle liefern u. a. Helium und Blei, Spallationen Lithium, Beryllium und Bor.

Vorkommen: Im beobachtbaren Universum haben Atome eine mittlere Dichte von 0,25 Atome/m³ und machen nach dem Lambda-CDM-Modell etwa 4,9 Prozent der Energiedichte aus; der Rest ist dunkle Materie (etwa 27 Prozent) und dunkle Energie (etwa 68 Prozent). Im interstellaren Medium liegt die Dichte zwischen 10⁴ und 10¹¹ Atome/m³, um die Sonne nur etwa 10³ Atome/m³ (lokale Blase), in festen Himmelskörpern etwa 10²⁹ Atome/m³. Im Universum dominiert Wasserstoff mit rund drei Viertel der Masse, dann Helium mit etwa einem Viertel. Auf der Erde überwiegen schwere Elemente: häufigst sind Sauerstoff, Eisen, Silicium und Magnesium; der Erdkern besteht vorwiegend aus Eisen, die Erdkruste besteht vor allem aus Sauerstoff und Silicium.

Beobachtung: Indirekt erkennt man Atome über ihre Strahlung – Spektrallinien in Sternspektren verraten die Elementzusammensetzung (Helium wurde 1868 in der Sonne entdeckt, über 10 Jahre vor der Entdeckung auf der Erde). Das Massenspektrometer bestimmt Masse-zu-Ladung-Verhältnisse von Ionen; die Elektronenenergieverlustspektroskopie misst Energieverluste eines Elektronenstrahls in einer Probe.

Direkt: Das Feldionenmikroskop lieferte 1951 die erste millionenfach vergrößerte Abbildung einzelner Atome. Das Rastertunnelmikroskop nutzt den Tunneleffekt zwischen einer leitenden Spitze und der Probe und erreicht teils atomare Auflösung; damit lassen sich Atome auch einzeln platzieren. Eine tomographische Atomsonde erstellt dreidimensionale Bilder unter einem Nanometer und ordnet Atome ihren Elementen zu. 2020 gelangen Fotos einzelner Atome, die über einer lichtleitenden Glasfaser schweben – hilfreich für die Untersuchung von Lichtabsorption und -emission und neuartige Glasfaser-Netzwerke.