Atom, Atomaufbau und Atommodelle – Physik

Die kleinsten Bausteine, aus denen alle Stoffe bestehen, werden Atome genannt. Alles ist aus Atomen aufgebaut. Atome können mit chemischen Methoden nicht weiter zerlegt werden. Sie bestehen aus einem Atomkern, in dem sich positiv geladene Protonen und neutrale Neutronen befinden, und einer Atomhülle, in der sich negativ geladene Elektronen befinden. Im folgenden Abschnitt wird der Atomaufbau einfach erklärt.

Der Aufbau von Atomen wird in Modellen beschrieben. Diese haben sich permanent geändert und weiterentwickelt. 

Vereinfacht kann man sagen: Alle Atome bestehen aus einem Atomkern mit Protonen und Neutronen und einer Hülle mit Elektronen. Die Atomhülle ist im Vergleich zum Atomkern sehr leicht, allerdings ist dieser 20.000- bis 150.000-mal kleiner als die Hülle.

Atome sind im Normalfall elektrisch neutral, da sie genauso viele Protonen wie Elektronen besitzen. Die Ladungen gleichen sich gegenseitig aus. 

Die folgende Grafik zeigt eine vereinfachte Darstellung eines Atoms.

Die Anzahl der Protonen im Atomkern wird auch Ordnungszahl style=“font-weight: 400;“> genannt. Diese Ordnungszahl definiert jedes Element. Die Ordnungszahl bestimmt zudem den Platz eines Elements im Periodensystem. Ändert sich die Anzahl der Protonen, entsteht ein neues Element.

Eine weitere wichtige Größe ist die Massenzahl. Sie ergibt sich als Summe aus der Anzahl der Protonen und der Anzahl der Neutronen.

In der Atomhülle bewegen sich die Elektronen. Eigenschaften, wie Größe oder Reaktionsverhalten eines Stoffes, hängen von den Vorgängen in der Atomhülle ab. Atome können bei chemischen Reaktionen Elektronen abgeben oder aufnehmen. Es entstehen elektrisch geladene Atome, die sogenannten Ionen. Der Atomkern verändert sich bei diesen Reaktionen nicht.
Betrachten wir als Beispiel das Atom Natrium (). Gibt dieses ein Elektron ab, so entsteht ein positiv geladenes Natriumion ().

Die Ladung der Elektronen sowie Protonen wird als Elementarladung () bezeichnet und besitzt die Einheit Coulomb (). Die Beträge beider Ladungen sind gleich. Die Elementarladungen unterscheiden sich lediglich im Vorzeichen. Die Elementarladung beträgt:

Da Atome so klein sind, ist ihr Umriss nur unter einem speziellen Mikroskop, dem Elektronenmikroskop, erkennbar. Atome haben einen Durchmesser von circa Nanometer, also Meter. Der Durchmesser des Atomkerns beträgt nur Meter.
Zum Vergleich: Eine menschliche Zelle hat einen Durchmesser von Mikrometer, also Meter.
Die Größe eines Atoms lässt sich durch den sogenannten Ölfleckversuch näherungsweise bestimmen.

Die Masse eines Atoms wird als Atommasse bezeichnet. Dabei wird zwischen absoluter Atommasse und relativer Atommasse unterschieden. Die Einheit der absoluten Atommasse ist , oder die atomare Masseneinheit . Die relative Atommasse wird ohne Einheit angegeben und gibt das Verhältnis der absoluten Masse zur atomaren Masseneinheit an. Um die relative Atommasse zu berechnen, wird die absolute Masse durch die atomare Masseneinheit geteilt.

Der heutige Wert der atomaren Masseneinheit ist:

Bei Atommodellen handelt es sich um die Vorstellungen über den Aufbau der Atome. Bei den meisten Modellen steht die Struktur der Atomhülle im Fokus. Moderne Atommodelle beruhen auf wissenschaftlichen Experimenten und Beobachtungen. Die historisch relevantesten Atommodelle sind das rutherfordsche Atommodell von Ernest Rutherford und das bohrsche Atommodell von Niels Bohr.

Bereits im 5. Jahrhundert vor Christus bestand die Vermutung, dass Stoffe aus kleinen, unteilbaren Teilchen bestehen. Daher stammt das Wort Atom, es leitet sich vom griechischen Wort atomos ab, was unteilbar bedeutet.
Verschiedene Experimente im 19. Jahrhundert deuteten dann auf die Existenz dieser kleinen Teilchen hin.

J. J. Thomson stellte zu Beginn des 20. Jahrhunderts ein Atommodell vor. Die Atome sind laut diesem Modell kugelförmig und bestehen aus einer positiv geladenen Masse, in die negativ geladene Elektronen eingebettet sind. Diese Vorstellung wird häufig mit Rosinen in einem Kuchen verglichen und daher auch Rosinenmodell genannt. Die Neutralität der Atome erklärte Thomson mit einer stabilen Verteilung der Elektronen.

Das Atommodell von Thomson wurde wenige Jahre später durch Ernest Rutherford erweitert. Seine Erkenntnisse beruhen ebenfalls auf Experimenten. Im sogenannten rutherfordschen Streuversuch untersuchte er den Durchgang von Alphastrahlung durch eine dünne Metallfolie. Ein großer Teil der Strahlung ging hindurch und nur ein kleiner Teil wurde reflektiert. Daraus schloss er, dass ein Großteil des Volumens von Atomen leer ist. Die Masse und die positive Ladung müssen sich also im Inneren des Atoms befinden und ein geringes Volumen besitzen. Mit diesem Modell konnte jedoch nicht die Stabilität von Atomen erklärt werden.

Im Jahr 1913 verfeinerte Niels Bohr Rutherfords Modell und brach dabei radikal mit einigen Vorstellungen der klassischen Physik. Laut diesem Modell bewegen sich die Elektronen nur auf bestimmten Bahnen, denen jeweils eine bestimmte Energie zugeordnet wird, um den Atomkern. Bei passender Energiezufuhr können die Elektronen auf eine weiter vom Kern entfernte Bahn springen. Wechseln sie zurück auf ihre ursprüngliche Bahn, wird diese Energie frei und in Form von Strahlung abgegeben.

Die Vorstellung, Atome in Modellen als Teilchen darzustellen, rückte mit der Entwicklung der Quantenphysik in den Hintergrund. Man kam zu der Auffassung, dass sich Atome nur in komplizierten mathematischen Modellen beschreiben lassen. So kann für die Elektronen nie genau angegeben werden, wo sie sich zu einem bestimmten Zeitpunkt befinden, es kann lediglich eine Wahrscheinlichkeit für einen Bereich, in dem sie sich aufhalten, angegeben werden. Der Bereich, in dem diese Wahrscheinlichkeit beträgt, wird als Orbital bezeichnet. Bei diesem Modell sprechen wir deshalb vom Orbitalmodell.

Der Atomkern wurde zunächst als unstrukturierter, positiv geladener Bereich betrachtet. Im Jahr 1932 wurde dann das Neutron entdeckt und wenig später entwickelten Werner Heisenberg und D. D. Iwanenko unabhängig voneinander das Konzept, dass der Kern aus Protonen und Neutronen besteht.

Aktuelle Atommodelle sind sehr kompliziert, da sie alle physikalischen Erkenntnisse der letzten Jahre berücksichtigen. Das Schalenmodell und das Kugelwolkenmodell stellen den Aufbau des Atoms vereinfacht dar.

• Schalenmodell
  Dieses Modell baut auf dem bohrschen Atommodell auf, enthält aber auch Elemente aus dem Orbitalmodell. Es besagt, dass sich die Elektronen auf kreisförmigen Schalen um den Atomkern bewegen. Jede Schale steht für eine andere Energie und kann jeweils nur eine bestimmte Anzahl an Elektronen aufnehmen. Die Schalen besitzen verschiedene Bezeichnung, so wird die äußerste Schale Valenzschale und die sich auf ihr befindenden Elektronen werden Valenzelektronen genannt.

• Kugelwolkenmodell
  Eine Erweiterung des Schalenmodells in Richtung des Orbitalmodells ist das Kugelwolkenmodell. Es besagt, dass sich die Elektronen in den einzelnen Schalen in sogenannten Kugelwolken befinden. Die Kugelwolken sind der Aufenthaltsraum der Elektronen und eine vereinfachte Darstellung der Orbitale. Es können sich in jeder Kugelwolke nur zwei Elektronen befinden.