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Atom

Die Vorstellung vom atomaren Aufbau der Materie existierte bereits in der Antike, allerdings nur in Form von philosophischen Überlegungen. Noch Anfang des 20. Jahrhunderts war ihre Existenz umstritten. Aufgrund ihrer extrem geringen Größe sind einzelne Atome selbst mit den stärksten Lichtmikroskopen nicht zu erkennen. Der endgültige Nachweis ihrer Existenz gilt als eine der bedeutendsten Entdeckungen in Physik und Chemie. Einen entscheidenden Beitrag lieferte Albert Einstein 1905, indem er die bereits seit langem bekannte, im Mikroskop direkt sichtbare Brownsche Bewegung kleiner Körnchen quantitativ dadurch erklärte, dass sie von zufällig gehäuften Stößen von Atomen oder Molekülen aus der Umgebung herrührte. Erst seit wenigen Jahrzehnten erlauben Feldionenmikroskope und Rastertunnelmikroskope, seit einigen Jahren zudem auch Elektronenmikroskope, einzelne Atome direkt zu beobachten.

Philosophische Überlegungen

Das Konzept des Atomismus, nämlich dass Materie aus Grundeinheiten aufgebaut ist – „kleinsten Teilchen“, die nicht immer weiter in kleinere Stücke zerteilt werden können – existiert seit Jahrtausenden, genauso wie das Gegenkonzept, Materie sei ein beliebig teilbares Kontinuum. Doch diese Ideen beruhten zunächst ausschließlich auf philosophischen Überlegungen und nicht auf empirischer experimenteller Untersuchung. Dabei wurden den Atomen verschiedene Eigenschaften zugeschrieben, und zwar je nach Zeitalter, Kultur und philosophischer Schule sehr unterschiedliche.

Eine frühe Erwähnung des Atomkonzepts in der Philosophie ist aus Indien bekannt. Die Nyaya- und Vaisheshika-Schulen entwickelten ausgearbeitete Theorien, wie sich Atome zu komplexeren Gebilden zusammenschlössen (erst in Paaren, dann je drei Paare).

In der griechischen Philosophie ist die Atomvorstellung erstmals im 5. Jahrhundert v. Chr. bei Leukipp überliefert. Sein Schüler Demokrit systematisierte sie und führte den Begriffátomos (ἄτομος) ein, was etwa „das Unzerschneidbare“ bedeutet, also ein nicht weiter zerteilbares Objekt. Diese Bezeichnung wurde Ende des 18. Jahrhunderts für die damals hypothetischen kleinsten Einheiten der chemischen Elemente der beginnenden modernen Chemie übernommen, denn mit chemischen Methoden lassen sich Atome in der Tat nicht „zerschneiden“.

Experimentell arbeitende Naturwissenschaftler machten sich Ende des 18. Jahrhunderts die Hypothese vom Atom zu eigen, weil diese Hypothese im Rahmen eines Teilchenmodells der Materie eine elegante Erklärung für neue Entdeckungen in der Chemie bot. Doch wurde gleichzeitig die gegenteilige Vorstellung, Materie sei ein Kontinuum, von Philosophen und auch unter Naturwissenschaftlern noch bis ins 20. Jahrhundert hinein aufrechterhalten.

Naturwissenschaftliche Erforschung

Im Rahmen der wissenschaftlichen Erforschung konnte die Existenz von Atomen bestätigt werden. Es wurden viele verschiedene Atommodelle entwickelt, um ihren Aufbau zu beschreiben. Insbesondere das Wasserstoffatom als das einfachste aller Atome war dabei wichtig. Einige der Modelle werden heute nicht mehr verwendet und sind nur von wissenschaftsgeschichtlichem Interesse. Andere gelten je nach Anwendungsbereich als noch heute brauchbare Näherung. In der Regel wird das einfachste Modell genommen, welches im gegebenen Zusammenhang noch ausreicht, um die auftretenden Fragen zu klären.

Viele der im Folgenden genannten Entdeckungen (sofern nach 1900) wurden mit dem Nobelpreis für Physik oder Chemie ausgezeichnet.

Bestätigung der Atomhypothese

Verschiedene Atome und Moleküle, wie sie in A New System of Chemical Philosophy (1808) von John Dalton abgebildet sind.

Robert Boyle vertrat 1661 in seinem Werk The Sceptical Chymist die Meinung, die Materie sei aus diversen Kombinationen verschiedener corpuscules aufgebaut und nicht aus den vier Elementen der Alchemie: Wasser, Erde, Feuer, Luft. Damit bereitete er die Überwindung der Alchemie durch den Element- und Atombegriff der modernen Chemie vor.

Daniel Bernoulli zeigte 1740, dass der gleichmäßige Druck von Gasen auf die Behälterwände, insbesondere das Gesetz von Boyle und Mariotte, sich durch zahllose Stöße kleinster Teilchen erklären lässt. Damit wurde seine Forschung zum Vorläufer der kinetischen Gastheorie und statistischen Mechanik.

Ab Ende des 18. Jahrhunderts wurde die Vorstellung von Atomen genutzt, um die wohlbestimmten Winkel an den Kanten und Ecken der Edelsteine auf die verschiedenen möglichen Schichtungen von harten Kugeln zurückzuführen.

Nachdem Antoine Lavoisier 1789 den heutigen Begriff des chemischen Elements geprägt und die ersten Elemente richtig identifiziert hatte, benutzte 1803 John Dalton das Atomkonzept, um zu erklären, wieso Elemente immer in Mengenverhältnissen kleiner ganzer Zahlen miteinander reagieren (Gesetz der multiplen Proportionen). Er nahm an, dass jedes Element aus gleichartigen Atomen besteht, die sich nach festen Regeln miteinander verbinden können und so Stoffe mit anderen Materialeigenschaften bilden. Außerdem ging er davon aus, dass alle Atome eines Elements die gleiche Masse hätten, und begründete damit den Begriff Atomgewicht.

Die Beobachtungen zum chemischen und physikalischen Verhalten von Gasen konnte Amedeo Avogadro 1811 dahingehend zusammenfassen, dass zwei ideale Gase bei gleichen Werten von Volumen, Druck und Temperatur des Gases immer aus gleich vielen identischen Teilchen („Molekülen“) bestehen. Die Moleküle bestehen bei elementaren Gasen wie Wasserstoff, Sauerstoff oder Stickstoff immer aus zwei Atomen des Elements (Avogadrosches Gesetz).

1866 konnte Johann Loschmidt die Größe der Luftmoleküle bestimmen, indem er mit einer von James C. Maxwell aus der kinetischen Gastheorie gewonnenen Formel die von George Stokes gemessenen Werte für die innere Reibung in Luft auswertete. Damit konnte er das Gewicht eines Luftmoleküls bestimmen. Außerdem erhielt er die nach ihm benannte Loschmidtsche Zahl als Anzahl der Luftmoleküle pro Kubikzentimeter (unter Normalbedingungen).

Infolge der Arbeiten von Avogadro und Stanislao Cannizzaro wurde angenommen, dass Atome nicht als einzelne Teilchen auftreten, sondern nur als Bestandteile von Molekülen aus mindestens zwei Atomen. Doch 1876 gelang August Kundt und Emil Warburg der erste Nachweis eines einatomigen Gases. Sie bestimmten den Adiabatenexponenten von Quecksilber-Dampf bei hoher Temperatur und erhielten einen Wert, wie er nach der kinetischen Gastheorie nur für Teilchen in Gestalt echter Massepunkte auftreten kann. Ab 1895 kamen entsprechende Beobachtungen an den neu entdeckten Edelgasen hinzu.

Nach Erscheinen seiner Dissertation über die Bestimmung von Moleküldimensionen schlug Albert Einstein im selben Jahr 1905 ein Experiment vor, um die Hypothese von der Existenz der Atome anhand der Zitterbewegung kleiner Partikel in Wasser quantitativ zu prüfen. Nach seiner Theorie müssten die Partikel aufgrund der Unregelmäßigkeit der Stöße durch die Wassermoleküle kleine, aber immerhin unter dem Mikroskop sichtbare Bewegungen ausführen. Es war Einstein dabei zunächst nicht bekannt, dass er damit die seit 1827 bekannte Brownsche Bewegung von Pollen quantitativ erklärt hatte, für deren Ursache schon 1863 Christian Wiener erstmals Molekularstöße angenommen hatte. Nach Einsteins Formeln hängt die Stärke der Zitterbewegung von der Masse der stoßenden Moleküle ab, und auf dieser Grundlage bestimmte der französische Physiker Jean Perrin die Molekülmasse experimentell und fand ähnliche Ergebnisse wie Loschmidt. Diese Arbeiten trugen entscheidend zur allgemeinen Anerkennung der bis dahin so genannten „Atomhypothese“ bei.

Teilbarkeit und Aufbau der Atome

Joseph John Thomson entdeckte 1897, dass die Kathodenstrahlen aus Teilchen bestimmter Ladung und Masse bestehen, und dass deren Masse kleiner als ein Tausendstel der Atommasse ist. Diese Teilchen wurden als Elektronen bezeichnet und erwiesen sich als ein Bestandteil aller Materie, was dem Konzept des Atoms als unzerteilbarer Einheit widersprach. Thomson glaubte, dass die Elektronen dem Atom seine Masse verliehen und dass sie im Atom in einem masselosen, positiv geladenen Medium verteilt seien wie „Rosinen in einem Kuchen“ (Thomsonsches Atommodell).

Die kurz zuvor entdeckte Radioaktivität wurde 1903 von Ernest Rutherford und Frederick Soddy mit Umwandlungen verschiedener Atomsorten ineinander in Verbindung gebracht. Sie konnten 1908 nachweisen, dass aus den α-Teilchen, die die Alphastrahlung bilden, Helium-Atome werden.

Zusammen mit seiner Forschergruppe beschoss Ernest Rutherford 1909 eine Goldfolie mit α-Teilchen. Er stellte fest, dass die meisten der Teilchen die Folie fast ungehindert durchdrangen, einige wenige aber um sehr viel größere Winkel abgelenkt wurden, als nach Thomsons Modell möglich wäre. Rutherford schloss daraus, dass fast die ganze Masse des Atoms in einem sehr viel kleineren, elektrisch geladenen Volumen in der Mitte des Atoms konzentriert sei und schuf damit das seitdem gültige Rutherfordsche Atommodell mit dem grundlegenden Aufbau des Atoms aus Atomkern und Atomhülle. Die stark abgelenkten α-Teilchen waren diejenigen, die einem Kern zufällig näher als etwa ein Hundertstel des Atomradius gekommen waren. Die Ladungszahl des Atomkerns entpuppte sich als die chemische Ordnungszahl des betreffenden Elements, und α-Teilchen erwiesen sich als die Atomkerne des Heliums.

Einfaches Massenspektrometer (Schematische Darstellung)

Der Chemiker Frederick Soddy stellte 1911 fest, dass manche der natürlichen radioaktiven Elemente aus Atomen mit unterschiedlichen Massen und unterschiedlicher Radioaktivität bestehen mussten. Der Begriff Isotop für physikalisch verschiedene Atome desselben chemischen Elements wurde 1913 von Margaret Todd vorgeschlagen. Da die Isotope desselben Elements an ihrem chemischen Verhalten nicht zu unterscheiden waren, entwickelte der Physiker J.J. Thomson ein erstes Massenspektrometer zu ihrer physikalischen Trennung. Damit konnte er 1913 am Beispiel von Neon nachweisen, dass es auch stabile Elemente mit mehreren Isotopen gibt.

1918 fand Francis William Aston mit einem Massenspektrometer von erheblich größerer Genauigkeit heraus, dass fast alle Elemente Gemische aus mehreren Isotopen sind, wobei die Massen der einzelnen Isotope immer (nahezu) ganzzahlige Vielfache der Masse des Wasserstoffatoms sind. Rutherford wies 1919 in der ersten beobachteten Kernreaktion nach, dass durch Beschuss mit α-Teilchen aus den Kernen von Stickstoffatomen die Kerne von Wasserstoffatomen herausgeschossen werden können. Diesen gab er den Namen Proton und entwickelte ein Atommodell, in dem die Atome nur aus Protonen und Elektronen bestehen, wobei die Protonen und ein Teil der Elektronen den kleinen, schweren Atomkern bilden, die übrigen Elektronen die große, leichte Atomhülle. Die Vorstellung von Elektronen im Atomkern stellte sich jedoch als problematisch heraus und wurde 1932 endgültig fallengelassen, nachdem von James Chadwick das Neutron als ein neutraler Kernbaustein mit etwa gleicher Masse wie das Proton nachgewiesen wurde. Damit entstand das heutige Atommodell: Der Atomkern ist zusammengesetzt aus so vielen Protonen wie die Ordnungszahl angibt, und zusätzlich so vielen Neutronen, dass die betreffende Isotopenmasse erreicht wird; die Atomhülle besteht aus so vielen Elektronen, dass das ganze Atom neutral wird.

Aufbau der Atomhülle

Hauptartikel: Atomhülle
Illustration des Bohrschen Modells des Wasserstoffatoms (Z=1) mit einem Elektron, das zwischen festen Umlaufbahnen (Orbits) springt und dabei ein Photon mit einer bestimmten Frequenz f abstrahlt.

Die beobachteten Eigenschaften (wie Größe, Stabilität, Reaktionsweisen) der Atomhülle konnten im Rahmen der klassischen Physik keine Erklärung finden. Erst unter Einbeziehung von neuartigen Quantisierungsregeln mithilfe des Planckschen Wirkungsquantums konnte Niels Bohr 1913 erklären, wie es in den optischen Spektren reiner Elemente zu den Spektrallinien kommt, die für das jeweilige Element absolut charakteristisch sind (Spektralanalyse nach Robert Wilhelm Bunsen und Gustav Robert Kirchhoff 1859). Im Franck-Hertz-Versuch konnte die quantisierte Energieaufnahme und -abgabe an Quecksilberatomen experimentell bestätigt werden. Das Bohrsche Atommodell war zwar nur für Systeme mit lediglich einem Elektron (damals nur Wasserstoff und ionisiertes Helium) gültig, bildete jedoch im Laufe des folgenden Jahrzehnts das Fundament für eine Reihe von Verfeinerungen. Sie führten im Schalenmodell zu einem ersten Verständnis des Aufbaus der Elektronenhüllen aller Elemente und damit auch zum physikalischen Verständnis des chemischen Periodensystems. Damit wurde das Bohrsche Atommodell zur Grundlage des populären Bildes vom Atom als einem kleinen Planetensystem.

Orbitalmodell des Atoms: Darstellung der Atomorbitale der ersten (2 Elektronen) und zweiten (8 Elektronen) Elektronenschale

1925 entwickelte Werner Heisenberg zusammen mit Max Born, Pascual Jordan, Wolfgang Pauli u. a. die Matrizenmechanik. 1926 ersetzte Erwin Schrödinger die Quantisierungsregeln durch seine Wellenmechanik. Sie beschreibt die Elektronen nicht als Massenpunkte auf bestimmten ebenen Bahnen, sondern als in drei Dimensionen ausgedehnte stehende Materiewelle. Beide Formen einer neuen "Quantenmechanik" konnten das Spektrum des Wasserstoffatoms richtig erklären. Als Folge dieser Beschreibungen ist es unter anderem unzulässig, einem Elektron gleichzeitig genaue Werte für Ort und Impuls zuzuschreiben. Dieser Sachverhalt wurde 1927 vonHeisenberg in der Unschärferelation formuliert. Demnach können statt der Bewegung auf bestimmten Bahnen nur Wahrscheinlichkeitsverteilungen für Wertebereiche von Ort und Impuls angegeben werden, eine Vorstellung, die nur schwer zu veranschaulichen ist. Den quantisierten Umlaufbahnen des Bohrschen Modells entsprechen hier „Atomorbitale“. Sie geben unter anderem an, wie sich in der Nähe des Atomkerns die Aufenthaltswahrscheinlichkeit der Elektronen konzentriert, und bestimmen damit die wirkliche Größe des Atoms.

Die Beschreibung der Eigenschaften der Atome gelang mit diesen ersten vollständig quantenmechanischen Atommodellen sehr viel besser als mit den Vorläufermodellen. Insbesondere ließen sich auch bei Atomen mit mehreren Elektronen die Spektrallinien und die Struktur der Atomhülle in räumlicher und energetischer Hinsicht darstellen, einschließlich der genauen Möglichkeiten, mit den Atomhüllen anderer Atome gebundene Zustände zu bilden, also stabile Moleküle. Daher wurde das Bohrsche Atommodell zugunsten des quantenmechanischen Orbitalmodells des Atoms verworfen.

Das Orbitalmodell ist bis heute Grundlage und Ausgangspunkt genauer quantenmechanischer Berechnungen fast aller Eigenschaften der Atome. Das Orbitalmodell bei einem Atom mit mehr als einem Elektron ist physikalisch als eine Näherung zu bezeichnen, nämlich als eine Ein-Teilchen-Näherung, die jedem einzelnen Elektron ein bestimmtes Orbital zuschreibt. Ein so gebildeter Zustand wird als Konfiguration des Atoms bezeichnet und gehört in der Quantenmechanik zu der einfachsten Art von Mehrteilchenzuständen. Genauere Modelle berücksichtigen, dass nach den Regeln der Quantenmechanik die Hülle auch in einem Zustand sein kann, der durch Superposition verschiedener Konfigurationen entsteht, wo also mit verschiedenen Wahrscheinlichkeitsamplituden gleichzeitig verschiedene Elektronenkonfigurationen vorliegen (Konfigurationsmischung). Hiermit werden die genauesten Berechnungen von Energieniveaus und Wechselwirkungen der Atome möglich. Wegen des dazu nötigen mathematischen Aufwands werden jedoch, wo es möglich ist, auch weiterhin einfachere Atommodelle genutzt. Zu nennen ist hier neben dem Schalenmodell unter anderen das Thomas-Fermi-Modell, in dem die Elektronenhülle pauschal wie ein im Potentialtopf gebundenes ideales Elektronengas („Fermigas“) behandelt wird, dessen Dichte wiederum zusammen mit der Kernladung die Form des elektrostatischen Potentialtopfs bestimmt.

Aufbau des Atomkerns

Hauptartikel: Atomkern

Zur Entdeckung des Atomkerns und seiner Zusammensetzung aus Protonen und Neutronen siehe den Abschnitt "Teilbarkeit und Aufbau der Atome" oben. Hier folgen Stichworte zur Erforschung weiterer Eigenschaften der Kerne.

Bindungsenergie

Die Bindungsenergie der Nukleonen ist Ursache der hohen Energie der Quanten der radioaktiven Strahlung. Sie übersteigt die chemische Bindungsenergie von Molekülen um fünf bis sechs Größenordnungen. Ab 1935 war hierbei erstmals eine grobe Modellvorstellung erfolgreich, das Tröpfchenmodell von C.F. von Weizsäcker und Hans Bethe. Damit wurde für Kerne ab etwa 10 Nukleonen die anfängliche Zunahme der mittleren Bindungsenergie bis etwa A = 60 {\displaystyle A=60} durch die wachsende Anzahl erklärt, in der die Nukleonen sich aufgrund der eigentlichen Kernkräfte mit ihren jeweiligen Nachbarn binden, und danach die Abnahme der mittleren Bindungsenergie aufgrund der zunehmenden elektrostatischen Abstoßung, die alle Protonen untereinander betrifft.

Kernfusion und Kernspaltung

Da das Maximum der mittleren Bindungsenergie bei mittelschweren Kernen liegt, bedeutet es Energiefreisetzung sowohl, wenn sehr leichte Kerne fusionieren, als auch wenn sehr schwere Kerne spalten. Die Fusion von Wasserstoff zu Helium wurde 1938 als Energiequelle der Sterne identifiziert. Die Spaltung nach Neutroneneinfang wurde erstmals 1938 an Urankernen (des Isotops U-235) durch Otto Hahn und Fritz Strassmann nachgewiesen. Danach wurde die Kernforschung erheblich intensiviert und führte 1945 zu den ersten Atombomben, 1952 den Wasserstoffbomben und ab Mitte der 1950er Jahre zur Nutzung der Atomenergie zur Energieversorgung.

Schalenmodell und vereinheitlichtes Modell

Sehr viel detaillierter als das Tröpfchenmodell ist das 1949 von J.H.D. Jensen und Maria Goeppert-Mayer aufgestellte Schalenmodell der Kerne. Ähnlich wie das Schalenmodell der Atome nimmt es für je ein Nukleon ein bestimmtes Orbital in einem gemeinsamen kugelsymmetrischen Potentialtopf an. Damit kann eine Fülle von Daten über die Grundzustände und angeregten Zustände der Kerne erklärt werden, zum Beispiel ihr Kernspin, ihr magnetisches Dipol- und elektrisches Quadrupolmoment, sowie über ihre Zerfalls- und Reaktionsweisen. Aage Bohr, Ben Mottelson und James Rainwater gelang es Anfang der 1960er Jahre, dies Einzelteilchenmodell mit den Aspekten kollektiver Bewegung zu verbinden, womit auch die Abweichungen von der Kugelgestalt in bestimmten Bereichen der Nukleonenzahlen verständlich wurden.

Ursprung der Kernkräfte

Die kurzreichweitigen Kernkräfte konnten in den 1970er Jahren auf die Starke Wechselwirkung zwischen Quarks zurückgeführt werden.

Aufbau von Proton und Neutron

Ab den 1950er Jahren konnten Atome und vor allem die Atomkerne durch die Entwicklung verbesserter Teilchenbeschleuniger und Teilchendetektoren beim Beschuss mit Teilchen sehr hoher Energie untersucht werden. Ende der 1960er Jahre zeigte sich in der „tiefinelastischen Streuung“ von Elektronen an Atomkernen, dass auch Neutronen und Protonen keine unteilbaren Einheiten sind, sondern aus Quarks zusammengesetzt sind.

Einige fortgeschrittene Experimente mit Atomen

1951 entwickelte Erwin Müller das Feldionenmikroskop und konnte damit von einer Nadelspitze erstmals ein Abbild erzeugen, das auf direkte Weise so stark vergrößert war, dass einzelne Atome darin sichtbar wurden (wenn auch nur als verschwommene Flecken). 1953 entwickelte Wolfgang Paul die magnetische Ionenfalle (Paulfalle), in der einzelne Ionen gespeichert und mit immer höherer Genauigkeit untersucht werden können.

1985 entwickelte eine Arbeitsgruppe um Steven Chu die Laserkühlung, ein Verfahren, die Temperatur einer Ansammlung von Atomen mittels Laser­strahlung stark zu verringern. Im selben Jahr gelang es einer Gruppe um William D. Phillips, neutrale Natriumatome in einer magneto-optischen Falle einzuschließen. Durch Kombination dieser Verfahren mit einer Methode, die den Dopplereffekt nutzt, gelang es einer Arbeitsgruppe um Claude Cohen-Tannoudji, geringe Mengen von Atomen auf Temperaturen von einigen Mikrokelvin zu kühlen. Mit diesem Verfahren können Atome mit höchster Genauigkeit untersucht werden; außerdem ermöglichte es auch die experimentelle Realisierung der Bose-Einstein-Kondensation.

Anfang der 1980er Jahre wurde von Gerd Binnig und Heinrich Rohrer das Rastertunnelmikroskop entwickelt, in dem eine Nadelspitze eine Oberfläche mittels des Tunneleffekts so fein abtastet, dass einzelne Atome sichtbar werden. Damit wurde es auch möglich, Atome einzeln an bestimmte Plätze zu setzen. In den 1990er Jahren konnten Serge Haroche und David Wineland in Experimenten die Wechselwirkung eines einzelnen Atoms mit einem einzelnen Photon erfolgreich untersuchen. In den 2000er Jahren wurde die Handhabbarkeit einzelner Atome unter anderem genutzt, um einen Transistor aus nur einem Metallatom mit organischen Liganden herzustellen.

Seit Ende der 1980er Jahre werden durch Vielfachanregung mit einem Laserimpuls Rydberg-Atome erzeugt. In einem Rydberg-Atom ist ein Elektron in einem so hohen Energiezustand angeregt, dass es den Atomkern, teilweise auch den gesamten Atomrumpf, bestehend aus dem Atomkern und den restlichen Elektronen, in weitem Abstand umkreist und sein Verhalten sich damit dem eines klassischen Teilchens nähert. Rydberg-Atome können über 100.000-mal größer sein als nicht angeregte Atome. Da sie extrem empfindlich auf äußere Felder reagieren, kann man mit ihnen z. B. die Wechselwirkung eines einzelnen Atoms mit einem einzelnen Photon im Detail untersuchen. Sind zwei oder mehr Elektronen in solchen Zuständen angeregt, spricht man von planetarischen Atomen.

Periodensystem
Nuklidkarte

Elemente, Isotope, Nuklide

Die Unterscheidung und Bezeichnung verschiedener Atomsorten geht zunächst vom Aufbau des Atomkerns aus, während der Zustand der Hülle gegebenenfalls durch zusätzliche Symbole angegeben wird. Kennzahlen sind die Protonenzahl (Ordnungszahl, Kernladungszahl) Z, die Neutronenzahl N des Kerns, und die daraus gebildete Massenzahl A=Z+N. Je nach ihrer Protonenzahl gehören die Atome zu einem der 118 bekannten chemischen Elemente, von Wasserstoff mit Z=1 bis Oganesson mit Z=118. Davon sind 91 in natürlichen Vorkommen entdeckt worden, 27 nur nach künstlicher Herstellung durch Kernreaktionen. Die Ordnung der Elemente wird im Periodensystem – wichtig für die Chemie – graphisch veranschaulicht. Darin werden die Elemente mit aufsteigender Ordnungszahl in Form einer Tabelle angeordnet. Jede Zeile wird als Periode des Periodensystems bezeichnet und endet, wenn das jeweilige Orbital mit Elektronen voll besetzt ist (Edelgas). In den nächsten Zeilen wiederholt sich aufgrund der schrittweisen Elektronenbesetzung der nächsten Orbitale der chemische Charakter der Elemente. So stehen Elemente mit ähnlichen chemischen Eigenschaften in einer Spalte untereinander; sie bilden eine Gruppe des Periodensystems.

Atome eines Elements, die sich in der Neutronenzahl unterscheiden, gehören zu verschiedenen Isotopen des Elements. Insgesamt bestehen die 118 Elemente aus etwa 2800 Isotopen, wovon 2500 künstlich erzeugt wurden. Isotope werden – bis auf die Ausnahmen der Wasserstoffisotope Deuterium und Tritium – nach dem chemischen Element und der Massenzahl bezeichnet. Das Symbol für ein bestimmtes Isotop des Elements X {\displaystyle X} hat die Form Z A X {\displaystyle _{Z}^{A}\mathrm {X} } , A X {\displaystyle ^{A}\mathrm {X} } oder X-A (Beispiele: 6 12 C {\displaystyle _{\,\,6}^{12}\mathrm {C} } , 58 F e {\displaystyle ^{58}\mathrm {Fe} } , Pb-208). Die Angabe der Protonenzahl Z ist redundant, da sie schon durch die Ordnungszahl des Elements X {\displaystyle X} gegeben ist.

Nuklid ist die ganz allgemeine Bezeichnung für Atomarten, unabhängig davon, ob sie zum gleichen Element gehören oder nicht. Die Nuklidkarte oder Isotopenkarte – wichtig für die Kernphysik und ihre Anwendungen – ist eine Tabelle, in der jede Atomart einen eigenen Platz erhält. Dazu wird auf einer Achse die Anzahl der Protonen, auf der anderen die der Neutronen aufgetragen. Häufig wird die Stabilität und bei instabilen Nukliden auch die Art der Umwandlung oder die Größenordnung der Halbwertszeit durch bestimmte Farben und gegebenenfalls auch Teilung des dem Isotop zugewiesenen Platzes dargestellt.

Stabile und instabile (radioaktive) Atome

Der Atomkern eines Nuklids Z A X {\displaystyle _{Z}^{A}\mathrm {X} } kann entweder im energetischen Grundzustand oder in einem der verschiedenen Anregungszustände vorliegen. Wenn darunter relativ langlebige, sogenannte metastabile Zustände sind, werden diese als Isomere bezeichnet und als eigene Nuklide gezählt (Symbol Z A X m {\displaystyle _{Z}^{A}\mathrm {X} ^{m}} , Z A X {\displaystyle _{Z}^{A}\mathrm {X} ^{*}} o. ä.). Nach dieser Definition sind mit dem Stand von 2003 insgesamt etwa 3200 Nuklide bekannt.

In der Kernphysik werden Nuklide mit unterschiedlichen Protonenzahlen, aber gleicher Massenzahl A {\displaystyle A} als Isobare bezeichnet. Seltener werden unter dem Namen Isotone Nuklide mit verschiedenen Protonenzahlen, aber gleicher Neutronenzahl zusammengefasst.

Nur etwa 250 Isotope von 80 Elementen haben einen stabilen Kern. Alle anderen Atome sind instabil und wandeln sich über kurz oder lang in Atome eines stabilen Isotops um. Da sie dabei im Allgemeinen ionisierende Strahlung aussenden, heißen sie auch Radioisotope oder Radionuklide. Auf der Erde wurden in den natürlichen Vorkommen neben allen 250 stabilen Isotopen 30 Radioisotope gefunden, die sich auf 10 radioaktive Elemente verteilen und die natürliche Radioaktivität verursachen. Viele weitere kurzlebige Isotope existieren im Inneren von Sternen, insbesondere während der Supernova-Phase.

Seltene und theoretische Formen

Als Rydberg-Atom wird ein Atom bezeichnet, in dem ein Elektron in einem so hohen Energiezustand angeregt ist, dass es den Atomkern, teilweise auch den gesamten Atomrumpf, bestehend aus dem Atomkern und den restlichen Elektronen, in weitem Abstand umkreist und sein Verhalten damit dem eines klassischen Teilchens ähnelt. Rydberg-Atome können über 100.000-mal größer sein als nicht angeregte Atome. Da sie extrem empfindlich auf äußere Felder reagieren, kann man mit ihnen z. B. die Wechselwirkung mit einem einzelnen Photon im Detail untersuchen. Sind zwei oder mehr Elektronen in solchen Zuständen angeregt, spricht man von planetarischen Atomen.

Im teils übertragenen Sinn werden als exotische Atome auch solche Systeme bezeichnet, die in physikalischer Hinsicht gewisse Ähnlichkeiten zu den gewöhnlichen Atomen aufweisen. In ihnen kann z. B. eines der Protonen, Neutronen oder Elektronen durch ein anderes Teilchen derselben Ladung ersetzt worden sein. Wird etwa ein Elektron durch ein schwereres Myon ersetzt, bildet sich ein myonisches Atom. Als Positronium wird ein exotisches Atom bezeichnet, in dem ein Elektron statt an ein Proton an ein Positron, das ist das positiv geladene Antiteilchen des Elektrons, gebunden ist. Auch Atome, die gänzlich aus Antiteilchen zur normalen Materie aufgebaut sind, sind möglich. So wurden erstmals 1995 am Genfer CERN Antiwasserstoffatome künstlich hergestellt und nachgewiesen. An solchen exotischen Atomen lassen sich unter anderem fundamentale physikalische Theorien über die Symmetrie zwischen Teilchen und Antiteilchen überprüfen.

Des Weiteren wird der Name Atom manchmal auch für Zwei-Teilchen-Systeme verwendet, die nicht durch elektromagnetische Wechselwirkung zusammengehalten werden, sondern durch die starke Wechselwirkung. Bei einem solchen Quarkonium handelt es sich um ein kurzlebiges Elementarteilchen vom Typ Meson, das aus einem Quark und einem Antiquark aufgebaut ist. Ein Quarkonium-Atom lässt sich in seinen verschiedenen metastabilen Zuständen so durch Quantenzahlen klassifizieren wie das Wasserstoffatom.

Etwa eine Sekunde nach dem Urknall kamen wegen sinkender Temperatur die ständigen Umwandlungen zwischen den Elementarteilchen zur Ruhe, übrig blieben Elektronen, Protonen und Neutronen. In den darauf folgenden drei Minuten verbanden sich in der primordialen Nukleosynthese die vorhandenen Neutronen mit Protonen zu den einfachsten Kernen: Deuterium, Helium, in geringerem Umfang auch Lithium und möglicherweise in noch kleineren Mengen Beryllium und Bor. Die übrigen Protonen (86 Prozent) blieben erhalten. Die ersten neutralen Atome mit dauerhaft gebundenen Elektronen wurden erst 380.000 Jahre nach dem Urknall in der Rekombinationsphase gebildet, als das Universum durch Expansion so weit abgekühlt war, dass die Atome nicht sogleich wieder ionisiert wurden.

Die Kerne aller schwereren Atome wurden und werden durch verschiedene Prozesse der Kernfusion erzeugt. Am wichtigsten ist die stellare Nukleosynthese, durch die in Sternen zunächst Helium, anschließend auch die schwereren Elemente bis zum Eisen gebildet werden. Elemente mit höheren Kernladungszahlen als Eisen entstehen in explosionsartigen Vorgängen wie im r-Prozess in Supernovae und im s-Prozess in AGB-Sternen, die kurz vor dem Ende ihrer Lebensdauer sind.

Kleine Mengen verschiedener Elemente und Isotope werden auch dadurch gebildet, dass schwere Kerne wieder geteilt werden. Das geschieht durch radioaktive Zerfälle (siehe Zerfallsreihe), die u. a. für einen Teil des Vorkommens von Helium und Blei verantwortlich sind, und Spallationen, die für die Entstehung von Lithium, Beryllium und Bor wichtig sind.

Häufigkeiten von Elementen im Universum (logarithmische Skala)

Im beobachtbaren Universum liegen die Atome mit einer mittleren Dichte von 0,25 Atome/m³ vor. Nach dem Urknallmodell (Lambda-CDM-Modell) bilden sie etwa 4,9 Prozent der gesamten Energiedichte. Die übrigen 95,1 Prozent, deren Natur noch weitgehend unklar ist, setzen sich aus etwa 27 Prozent dunkler Materie und 68 Prozent dunkler Energie zusammen, sowie kleinen Beiträgen von Neutrinos und elektromagnetischer Strahlung. Im Inneren einer Galaxie wie etwa der Milchstraße ist im interstellaren Medium (ISM) die Dichte der Atome wesentlich höher und liegt zwischen 104 und 1011 Atome/m3. Die Sonne befindet sich in der weitgehend staubfreien lokalen Blase, daher ist die Dichte in der Umgebung des Sonnensystems nur etwa 103 Atome/m3. In festen Himmelskörpern wie der Erde beträgt die Atomdichte etwa 1029 Atome/m3.

In der Verteilung der Elemente dominiert im Universum Wasserstoff mit rund drei Viertel der Masse, danach folgt Helium mit etwa einem Viertel. Alle schwereren Elemente sind viel seltener und machen nur einen kleinen Teil der im Universum vorhandenen Atome aus. Ihre Häufigkeiten werden von den verschiedenen Mechanismen der Nukleosynthese bestimmt.

Im Sonnensystem sind Wasserstoff und Helium vorwiegend in der Sonne und den Gasplaneten enthalten. Dagegen überwiegen auf der Erde die schweren Elemente. Die häufigsten Elemente sind hier Sauerstoff, Eisen, Silicium und Magnesium. Der Erdkern besteht vorwiegend aus Eisen, während in der Erdkruste Sauerstoff und Silicium vorherrschen.

Die beiden Hauptbestandteile eines Atoms sind der Atomkern und die Atomhülle. Die Hülle besteht aus Elektronen. Sie trägt mit weniger als 0,06 Prozent zur Masse des Atoms bei, bestimmt aber dessen Größe und dessen Verhalten gegenüber anderen Atomen, wenn sie einander nahekommen. Der Kern besteht aus Protonen und Neutronen, ist im Durchmesser zehn- bis hunderttausendmal kleiner als die Hülle, enthält aber mehr als 99,9 Prozent der Masse des Atoms.

Atomkern

Hauptartikel: Atomkern

Aufbau

Die Bindungsenergie, die pro Nukleon aufgebracht werden muss, um den Kern vollständig in Nukleonen zu zerlegen, für die auf der Erde natürlich vorkommenden Kerne.

Die in einem Atom vorhandenen Protonen und Neutronen, zusammen auch als Nukleonen bezeichnet, sind aneinander gebundenen und bilden den Atomkern. Die Nukleonen zählen zu den Hadronen. Das Proton ist positiv geladen, das Neutron ist elektrisch neutral. Proton und Neutron haben einen Durchmesser von etwa 1,6 fm (Femtometer) und sind selber keine Elementarteilchen, sondern nach dem Standardmodell der Elementarteilchenphysik aus den punktförmigen Quarks aufgebaut. Jeweils drei Quarks binden sich durch die starke Wechselwirkung, die durch Gluonen vermittelt wird, zu einem Nukleon. Die starke Wechselwirkung ist darüber hinaus für den Zusammenhalt der Nukleonen im Atomkern verantwortlich, insbesondere ist die Anziehung bis zu etwa 2,5 fm Abstand deutlich stärker als die gegenseitige elektrische Abstoßung der Protonen. Unterhalb von etwa 1,6 fm wird die starke Wechselwirkung der Hadronen jedoch stark abstoßend. Anschaulich gesprochen verhalten sich die Nukleonen im Kern also etwa wie harte Kugeln, die aneinander haften. Daher steigt das Volumen des Kerns proportional zur Nukleonenzahl (Massenzahl) A {\displaystyle A} . Sein Radius beträgt etwa 1 , 3 A 3 {\displaystyle 1{,}3{\sqrt[{3}]{A}}} fm.

Der leichteste Atomkern besteht aus nur einem Proton. Mehrere Protonen stoßen sich zwar gemäß der Elektrostatik ab, können zusammen mit einer geeigneten Anzahl von Neutronen aber ein stabiles System bilden. Doch schon bei kleinen Abweichungen von dem energetisch günstigsten Zahlenverhältnis ist der Kern instabil und wandelt sich spontan um, indem aus einem Neutron ein Proton wird oder umgekehrt und die frei werdende Energie und Ladung als Betastrahlung abgegeben wird. Kerne mit bis zu etwa 20 Protonen sind nur bei einem Verhältnis von nahezu 1:1 von Neutronenzahl und Protonenzahl stabil. Darüber steigt in den stabilen Atomkernen das Verhältnis von 1:1 bis auf etwa 1,5:1, weil bei größeren Protonenzahlen wegen ihrer elektrostatischen Abstoßung die Anzahl der Neutronen schneller anwachsen muss als die der Protonen (Details siehe Tröpfchenmodell). Die Bindungsenergie liegt in stabilen Kernen (abgesehen von den leichtesten) oberhalb von 7 MeV pro Nukleon (siehe Abbildung) und übertrifft damit die Bindungsenergie der äußeren Elektronen der Atomhülle oder die chemische Bindungsenergie in stabilen Molekülen um das ca. 106-fache. Kerne mit bestimmten Nukleonenzahlen, die als Magische Zahl bezeichnet werden, beispielsweise Helium-4, Sauerstoff-16 oder Blei-208, sind besonders stabil, was mit dem Schalenmodell des Atomkerns erklärt werden kann.

Oberhalb einer Zahl von 82 Protonen (also jenseits von Blei) sind alle Kerne instabil. Sie wandeln sich durch Ausstoßen eines Kerns He-4 in leichtere Kerne um (Alphastrahlung). Dies wiederholt sich, zusammen mit Betastrahlung, so lange, bis ein stabiler Kern erreicht ist; mehrere Zerfallsstufen bilden eine Zerfallsreihe. Auch zu den Protonenzahlen 43 (Technetium) und 61 (Promethium) existiert kein stabiler Kern. Daher kann es insgesamt nur 80 verschiedene stabile chemische Elemente geben, alle weiteren sind radioaktiv. Sie kommen auf der Erde nur dann natürlich vor, wenn sie selber oder eine ihrer Muttersubstanzen eine genügend lange Halbwertzeit haben.

Masse

Da der Großteil der Atommasse von den Neutronen und Protonen stammt und diese etwa gleich schwer sind, wird die Gesamtzahl dieser Teilchen in einem Atom als Massenzahl bezeichnet. Die genaue Masse eines Atoms wird oft in der atomaren Masseneinheit u angegeben; ihr Zahlenwert ist dann etwa gleich der Massenzahl. Kleinere Abweichungen entstehen durch den Massendefekt der Atomkerne. Die atomare Masseneinheit ergibt sich aus der Definition der SI-Einheit des Mols in der Art und Weise, dass ein Atom des Kohlenstoffisotops 12C (im Grundzustand inklusive seiner Hüllenelektronen) eine Masse von exakt 12 u besitzt. Damit beträgt 1 u gleich 1,66053904 · 10−27 kg. Ein Atom des leichtesten Wasserstoffisotops hat eine Masse von 1,007825 u. Das schwerste stabile Nuklid ist das Bleiisotop 208Pb mit einer Masse von 207,9766521 u.

Da makroskopische Stoffmengen so viele Atome enthalten, dass die Angabe ihrer Anzahl als natürliche Zahl unhandlich wäre, erhielt die Stoffmenge eine eigene Einheit, das Mol. Ein Mol sind etwa 6,022 · 1023 Atome (oder auch Moleküle oder andere Teilchen; die betrachtete Teilchenart muss immer mitgenannt werden). Die Masse von 1 Mol Atomen der Atommasse X u ist daher exakt X g. Daher ist es in der Chemie üblich, Atommassen statt in u auch indirekt in g/mol anzugeben.

Bildung und Zerfall

In welcher Art ein instabiler Atomkern zerfällt, ist für das jeweilige Radionuklid typisch. Bei manchen Nukliden können die (untereinander völlig gleichen) Kerne auch auf verschiedene Arten zerfallen, so dass mehrere Zerfallskanäle mit bestimmten Anteilen beteiligt sind. Die wichtigsten radioaktiven Zerfälle sind

Illustration einer Kernfusion: ein Proton und ein Deuterium-Kern (oben) reagieren zu einem 3He-Kern, bestehend aus zwei Protonen und einem Neutron. Die bei der Reaktion frei werdenden Energie wird als Gammastrahlung abgestrahlt.

Die Energien der Strahlungen sind für das jeweilige Nuklid charakteristisch, ebenso wie die Halbwertszeit, die angibt, wie lange es dauert, bis die Hälfte einer Probe des Nuklids zerfallen ist.

Durch Anlagerung eines Neutrons kann sich ein Kern in das nächstschwerere Isotop desselben Elements verwandeln. Durch den Beschuss mit Neutronen oder anderen Atomkernen kann ein großer Atomkern in mehrere kleinere Kerne gespalten werden. Einige schwere Nuklide können sich auch ohne äußere Einwirkung spontan spalten.

Größere Atomkerne können aus kleineren Kernen gebildet werden. Dieser Vorgang wird Kernfusion genannt. Für eine Fusion müssen sich Atomkerne sehr nahekommen. Diesem Annähern steht die elektrostatische Abstoßung beider Kerne, der sogenannte Coulombwall, entgegen. Aus diesem Grund ist eine Kernfusion (außer in bestimmten Experimenten) nur unter sehr hohen Temperaturen von mehreren Millionen Grad und hohen Drücken, wie sie im Inneren von Sternen herrschen, möglich. Die Kernfusion ist bei Nukliden bis zum Nickel-62 eine exotherme Reaktion, so dass sie im Großen selbsterhaltend ablaufen kann. Sie ist die Energiequelle der Sterne. Bei Atomkernen jenseits des Nickels nimmt die Bindungsenergie pro Nukleon ab; die Fusion schwererer Atomkerne ist daher endotherm und damit kein selbsterhaltender Prozess. Die Kernfusion in Sternen kommt daher zum Erliegen, wenn die leichten Atomkerne aufgebraucht sind.

Atomhülle

Hauptartikel: Atomhülle

Aufbau und Bindungsenergie

Die Atomhülle besteht aus Elektronen, die aufgrund ihrer negativen Ladung an den positiven Atomkern gebunden sind. Sie wird oft auch als Elektronenhülle bezeichnet. Bei einem neutralen Atom mit Z {\displaystyle Z} Elektronen beträgt die durchschnittliche Bindungsenergie je Elektron etwa 13 , 6 Z 4 / 3 {\displaystyle 13{,}6\;Z^{4/3}} . Sie nimmt daher mit steigender Teilchenzahl erheblich zu, im Gegensatz zur durchschnittlichen Bindungsenergie pro Nukleon im Kern, die ab der Massenzahl A = 62 {\displaystyle A=62} sogar abnimmt. Zur Erklärung wird angeführt, dass zwischen Nukleonen nur Bindungskräfte kurzer Reichweite wirken, die kaum über die benachbarten Teilchen hinausreichen, während die Hülle durch die elektrostatische Anziehungskraft gebunden ist, die vom Z {\displaystyle Z} -fach geladenen Kern aus alle Elektronen erfasst.

Abgesehen von der Masse, die zu über 99,95 Prozent im Atomkern konzentriert ist, ist die Atomhülle für praktisch alle äußeren Eigenschaften des Atoms verantwortlich. Der Begriff Atommodell bezieht sich daher im engeren Sinn meist nur auf die Hülle (siehe Liste der Atommodelle). Ein einfaches Atommodell ist das Schalenmodell, nach dem die Elektronen sich in bestimmten Schalen um den Kern anordnen, in denen jeweils für eine bestimmte Anzahl Elektronen Platz ist. Allerdings haben diese Schalen weder einen bestimmten Radius noch eine bestimmte Dicke, sondern überlappen und durchdringen einander teilweise. Besser getrennt sind sie auf der Skala der Bindungsenergie der Elektronen.

Interpretation grundlegender Atomeigenschaften im Rahmen des Schalenmodells

Die Atomhülle bestimmt die Stärke und Abstandsabhängigkeit der Kräfte zwischen zwei Atomen. Im Abstandsbereich mehrerer Atomdurchmesser polarisieren sich die gesamten Atomhüllen wechselseitig, sodass durch elektrostatische Anziehung anziehende Kräfte, die Van-der-Waals-Kräfte, entstehen. Sie bewirken vor allem die Kondensation der Gase zu Flüssigkeiten, also einen Wechsel der Aggregatzustände.

Die (näherungsweise) Inkompressibilität der Flüssigkeiten und Festkörper hingegen beruht darauf, dass alle Atome bei starker Annäherung einander stark abstoßen, sobald sich ihre Hüllen im Raum merklich überschneiden und daher verformen müssen. Außer im Fall zweier Wasserstoff­atome, die jeweils nur ein Elektron in der Hülle haben, spielt die elektrostatische Abstoßung der beiden Atomkerne dabei nur eine geringe Rolle.

In einem mittleren Abstandsbereich zwischen dem Vorherrschen der schwach anziehenden Van-der-Waals-Kräfte und der starken Abstoßung kommt es zwischen zwei oder mehr zueinander passenden Atomhüllen zu einer besonders starken Anziehung, der chemischen Bindung. Bei Atomen bestimmter Elemente kann diese Anziehung zu einem stabilen Molekül führen, das aus Atomen in zahlenmäßig genau festgelegter Beteiligung und räumlicher Anordnung aufgebaut ist. Die Moleküle sind die kleinsten Stoffeinheiten der chemischen Verbindungen, also der homogenen Materialien in all ihrer Vielfalt. Vermittelt über die Hüllen ihrer Atome ziehen auch Moleküle einander an. Ein fester Körper entsteht, wenn viele Moleküle sich aneinander binden und dabei, weil es energetisch günstig ist, eine feste Anordnung einhalten. Ist diese Anordnung regelmäßig, bildet sich ein Kristallgitter. Infolge dieser Bindung ist der feste Körper nicht nur weitgehend inkompressibel wie eine Flüssigkeit, sondern im Unterschied zu dieser auch auf Zug belastbar und deutlich weniger leicht verformbar. Verbinden sich Atome metallischer Elemente miteinander, ist ihre Anzahl nicht festgelegt und es können sich nach Größe und Gestalt beliebige Körper bilden. Vor allem chemisch reine Metalle zeigen dann meist auch eine große Verformbarkeit. Verbindungen verschiedener Metalle werden Legierung genannt. Die Art der Bindung von Metallatomen erklärt, warum Elektronen sich fast frei durch das Kristallgitter bewegen können, was die große elektrische Leitfähigkeit und Wärmeleitfähigkeit der Metalle verursacht. Zusammengefasst ergeben sich aus der Wechselwirkung der Atomhüllen miteinander die mechanische Stabilität und viele weitere Eigenschaften der makroskopischen Materialien.

Aufgrund des unscharfen Randes der Atomhülle liegt die Größe der Atome nicht eindeutig fest. Die als Atomradien tabellierten Werte sind aus der Bindungslänge gewonnen, das ist der energetisch günstigste Abstand zwischen den Atomkernen in einer chemischen Bindung. Insgesamt zeigt sich mit steigender Ordnungszahl eine in etwa periodische Variation der Atomgröße, die mit der periodischen Variation des chemischen Verhaltens gut übereinstimmt. Im Periodensystem der Elemente gilt allgemein, dass innerhalb einer Periode, also einer Zeile des Systems, eine bestimmte Schale aufgefüllt wird. Von links nach rechts nimmt die Größe der Atome dabei ab, weil die Kernladung anwächst und daher alle Schalen stärker angezogen werden. Wenn eine bestimmte Schale mit den stark gebundenen Elektronen gefüllt ist, gehört das Atom zu den Edelgasen. Mit dem nächsten Elektron beginnt die Besetzung der Schale mit nächstkleinerer Bindungsenergie, was mit einem größeren Radius verbunden ist. Innerhalb einer Gruppe, also einer Spalte des Periodensystems, nimmt die Größe daher von oben nach unten zu. Dementsprechend ist das kleinste Atom das Heliumatom am Ende der ersten Periode mit einem Radius von 32 pm, während eines der größten Atome das Caesium­atom ist, das erste Atom der 5. Periode. Es hat einen Radius von 225 pm.

Erklärung der Atomeigenschaften im Rahmen des Orbitalmodells

Hauptartikel: Orbitalmodell

Die dem Schalenmodell zugrundeliegenden Elektronenschalen ergeben sich durch die Quantisierung der Elektronenenergien im Kraftfeld des Atomkerns nach den Regeln der Quantenmechanik. Um den Kern herum bilden sich verschiedene Atomorbitale, das sind unscharf begrenzte Wahrscheinlichkeitsverteilungen für mögliche räumliche Zustände der Elektronen. Jedes Orbital kann aufgrund des Pauli-Prinzips mit maximal zwei Elektronen besetzt werden, dem Elektronenpaar. Die Orbitale, die unter Vernachlässigung der gegenseitigen Abstoßung der Elektronen und der Feinstruktur theoretisch die gleiche Energie hätten, bilden eine Schale. Die Schalen werden mit der Hauptquantenzahl durchnummeriert oder fortlaufend mit den Buchstaben K, L, M,… bezeichnet. Genauere Messungen zeigen, dass ab der zweiten Schale nicht alle Elektronen einer Schale die gleiche Energie besitzen. Falls erforderlich, wird durch die Nebenquantenzahl oder Drehimpulsquantenzahl eine bestimmte Unterschale identifiziert.

Sind die Orbitale, angefangen vom energetisch niedrigsten, so weit mit Elektronen besetzt, dass die gesamte Elektronenzahl gleich der Protonenzahl des Kerns ist, ist das Atom neutral und befindet sich im Grundzustand. Werden in einem Atom ein oder mehrere Elektronen in energetisch höherliegende Orbitale versetzt, ist das Atom in einem angeregten Zustand. Die Energien der angeregten Zustände haben für jedes Atom wohlbestimmte Werte, die sein Termschema bilden. Ein angeregtes Atom kann seine Überschussenergie abgeben durch Stöße mit anderen Atomen, durch Emission eines der Elektronen (Auger-Effekt) oder durch Emission eines Photons, also durch Erzeugung von Licht oder Röntgenstrahlung. Bei sehr hoher Temperatur oder in Gasentladungen können die Atome durch Stöße Elektronen verlieren (siehe Ionisationsenergie), es entsteht ein Plasma, so z. B. in einer heißen Flamme oder in einem Stern.

Absorptionslinien im Spektrum der Sonne. Aus dem eingestrahlten Licht, das ein kontinuierliches Spektrum aufweist, wird bei bestimmten Wellenlängen Strahlung absorbiert, was die schwarzen Linien hervorruft.

Da die Energien der Quanten der emittierten Strahlung je nach Atom bzw. Molekül und den beteiligten Zuständen verschieden sind, lässt sich durch Spektroskopie dieser Strahlung die Quelle im Allgemeinen eindeutig identifizieren. Beispielsweise zeigen die einzelnen Atome ihr elementspezifisches optisches Linienspektrum. Bekannt ist etwa die Natrium-D-Linie, eine Doppellinie im gelben Spektralbereich bei 588,99 nm und 589,59 nm, die auch in nebenstehender Abbildung mit D-1 bezeichnet wird. Ihr Aufleuchten zeigt die Anwesenheit von angeregten Natrium-Atomen an, sei es auf der Sonne oder über der Herdflamme bei Anwesenheit von Natrium oder seinen Salzen. Da diese Strahlung einem Atom auch durch Absorption dieselbe Energie zuführen kann, lassen sich die Spektrallinien der Elemente sowohl in Absorptions- als auch in Emissionsspektren beobachten. Diese Spektrallinien lassen sich auch verwenden, um Frequenzen sehr präzise zu vermessen, beispielsweise für Atomuhren.

Obwohl Elektronen sich untereinander elektrostatisch abstoßen, können in einem neutralen Atom zusätzlich bis zu zwei weitere Elektronen gebunden werden, wenn es bei der höchsten vorkommenden Elektronenenergie noch Orbitale mit weiteren freien Plätzen gibt (siehe Elektronenaffinität). Chemische Reaktionen, d. h. die Verbindung mehrerer Atome zu einem Molekül oder sehr vieler Atome zu einem Festkörper, werden dadurch erklärt, dass ein oder zwei Elektronen aus einem der äußeren Orbitale eines Atoms (Valenzelektronen) unter Energiegewinn auf einen freien Platz in einem Orbital eines benachbarten Atoms ganz hinüberwechseln (Ionenbindung) oder sich mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit dort aufhalten (kovalente Bindung durch ein bindendes Elektronenpaar). Dabei bestimmt die Elektronegativität der Elemente, bei welchem Atom sich die Elektronen wahrscheinlicher aufhalten. In der Regel werden chemische Bindungen so gebildet, dass die Atome die Elektronenkonfiguration eines Edelgases erhalten (Edelgasregel). Für das chemische Verhalten des Atoms sind also Form und Besetzung seiner Orbitale entscheidend. Da diese allein von der Protonenzahl bestimmt werden, zeigen alle Atome mit gleicher Protonenzahl, also die Isotope eines Elements, nahezu das gleiche chemische Verhalten.

Nähern sich zwei Atome über die chemische Bindung hinaus noch stärker an, müssen die Elektronen eines Atoms wegen des Pauli-Prinzips auf freie, aber energetisch ungünstige Orbitale des anderen Atoms ausweichen, was einen erhöhten Energiebedarf und damit eine abstoßende Kraft nach sich zieht.

Wechselwirkung zwischen Kern und Hülle

Mit großer Genauigkeit wird die Wechselwirkung zwischen Kern und Hülle schon durch den einfachen Ansatz beschrieben, in dem der Kern eine punktförmige Quelle eines elektrostatischen Felds nach dem Coulomb-Gesetz darstellt. Alle genannten Atommodelle beruhen hierauf. Aufgrund zusätzlicher Effekte, die in erweiterten Modellen behandelt werden, sind nur extrem kleine Korrekturen nötig, die unter dem Namen Hyperfeinstruktur zusammengefasst werden. Zu berücksichtigen sind hier drei Effekte: erstens die endliche Ausdehnung, die jeder Kern besitzt, zweitens eine magnetische Dipolwechselwirkung, wenn sowohl Kern als auch Hülle eine Drehimpulsquantenzahl von mindestens ½ haben, und drittens eine elektrische Quadrupolwechselwirkung, wenn beide Drehimpulsquantenzahlen mindestens 1 sind.

Die endliche Ausdehnung des Kerns – verglichen mit einer theoretischen Punktladung – bewirkt eine schwächere Anziehung derjenigen Elektronen, deren Aufenthaltswahrscheinlichkeit bis in den Kern hineinreicht. Betroffen sind nur s-Orbitale (Bahndrehimpuls Null). Bei Atomen mittlerer Ordnungszahl liegt die Korrektur der Bindungsenergie in der Größenordnung von 1 Prozent. Die magnetischen Dipol- bzw. elektrischen Quadrupol-Momente von Hülle und Kern bewirken eine Kopplung mit der Folge, dass die Gesamtenergie eines freien Atoms je nach Quantenzahl seines Gesamtdrehimpulses äußerst geringfügig aufgespalten ist. Im H-Atom beträgt die Aufspaltung etwa ein Millionstel der Bindungsenergie des Elektrons (siehe 21-cm-Linie). Anschaulich gesprochen hängt die Energie davon ab, in welchem Winkel die Achsen der beiden magnetischen Dipolmomente bzw. elektrischen Quadrupolmomente von Kern und Hülle zueinander stehen.

Auch bei Atomen in Flüssigkeiten und Festkörpern machen sich diese Wechselwirkungen in entsprechend modifizierter Form bemerkbar. Trotz der Kleinheit der dadurch verursachten Effekte haben sie eine große Rolle in der Atom- und Kernforschung gespielt und sind in besonderen Fällen auch bei modernen Anwendungen wichtig.

Indirekte Beobachtung

Indirekte Möglichkeiten, Atome zu erkennen, beruhen auf der Beobachtung der von ihnen ausgehenden Strahlung. So kann aus Atomspektren beispielsweise die Elementzusammensetzung entfernter Sterne bestimmt werden. Die verschiedenen Elemente lassen sich durch charakteristische Spektrallinien identifizieren, die auf Emission oder Absorption durch Atome des entsprechenden Elements in der Sternatmosphäre zurückgehen. Gasentladungslampen, die dasselbe Element enthalten, zeigen diese Linien als Emissionslinien. Auf diese Weise wurde z. B. 1868 Helium im Spektrum der Sonne nachgewiesen – über 10 Jahre bevor es auf der Erde entdeckt wurde.

Ein Atom kann ionisiert werden, indem eines seiner Elektronen entfernt wird. Die elektrische Ladung sorgt dafür, dass die Flugbahn eines Ions von einem Magnetfeld abgelenkt wird. Dabei werden leichte Ionen stärker abgelenkt als schwere. Das Massenspektrometer nutzt dieses Prinzip, um das Masse-zu-Ladung-Verhältnis von Ionen und damit die Atommassen zu bestimmen.

Die Elektronenenergieverlustspektroskopie misst den Energieverlust eines Elektronenstrahls bei der Wechselwirkung mit einer Probe in einem Transmissionselektronenmikroskop.

Beobachtung einzelner Atome

Ein mit einem Rastertunnelmikroskop erstelltes Bild einer rekonstruierten Goldoberfläche mit atomarer Auflösung.

Eine direkte Abbildung, die einzelne Atome erkennen lässt, wurde erstmals 1951 mit dem Feldionenmikroskop (oder Feldemissionsmikroskop) erzielt. Auf einem kugelförmigen Bildschirm, in dessen Mittelpunkt sich eine extrem feine Nadelspitze befindet, erscheint ein etwa millionenfach vergrößertes Bild. Darin sind die obersten Atome, die die Spitze bilden, nebeneinander als einzelne Lichtpunkte zu erkennen. Dies kann heute auch im Physikunterricht an der Schule vorgeführt werden. Das Bild entsteht in Echtzeit und erlaubt z. B. die Betrachtung der Wärmebewegung einzelner Fremdatome auf der Spitze.

Auch das Rastertunnelmikroskop ist ein Gerät, das einzelne Atome an der Oberfläche eines Körpers sichtbar macht. Es verwendet den Tunneleffekt, der es Teilchen erlaubt, eine Energiebarriere zu passieren, die sie nach klassischer Physik nicht überwinden könnten. Bei diesem Gerät tunneln Elektronen durch einen nur Nanometer breiten Spalt zwischen einer elektrisch leitenden Spitze und der elektrisch leitenden Probe. Bei Seitwärtsbewegungen zur Abrasterung der Probe wird die Höhe der Spitze so nachgeregelt, dass immer derselbe Strom fließt. Die Bewegung der Spitze bildet die Topographie und Elektronenstruktur der Probenoberfläche ab. Da der Tunnelstrom sehr stark vom Abstand abhängt, ist die laterale Auflösung viel feiner als der Radius der Spitze, manchmal atomar.

Eine tomographische Atomsonde erstellt ein dreidimensionales Bild mit einer Auflösung unterhalb eines Nanometers und kann einzelne Atome ihrem chemischen Element zuordnen.

Aufbauend auf einer um 2010 entwickelten Atom-Licht-Schnittstelle ist es 2020 gelungen, Fotos einzelner Atome zu machen, die weniger als einen Tausendstel Millimeter über einer lichtleitenden Glasfaser schweben. Dadurch ist es unter Laborbedingungen nun möglich, Effekte wie die Absorption und Aussendung von Licht kontrollierter als bisher zu untersuchen. Dies kann bei der Entwicklung neuartiger optischer Glasfaser-Netzwerke helfen.

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Wiktionary: Atom – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen
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Atom
atom, grundbaustein, materie, sprache, beobachten, bearbeiten, dieser, artikel, behandelt, naturwissenschaftliche, anderen, bedeutungen, siehe, begriffsklärung, altgriechisch, ἄτομος, átomos, unteilbar, sind, bausteine, denen, alle, festen, flüssigen, oder, ga. Atom Grundbaustein der Materie Sprache Beobachten Bearbeiten Dieser Artikel behandelt das naturwissenschaftliche Atom zu anderen Bedeutungen siehe Atom Begriffsklarung Atome von altgriechisch ἄtomos atomos unteilbar sind die Bausteine aus denen alle festen flussigen oder gasformigen Stoffe bestehen Alle Materialeigenschaften dieser Stoffe sowie ihr Verhalten in chemischen Reaktionen werden durch die Eigenschaften und die raumliche Anordnung ihrer Atome festgelegt Jedes Atom gehort zu einem bestimmten chemischen Element und bildet dessen kleinste Einheit Zurzeit sind 118 Elemente bekannt von denen etwa 90 auf der Erde naturlich vorkommen Atome verschiedener Elemente unterscheiden sich in ihrer Grosse und Masse und vor allem in ihrer Fahigkeit mit anderen Atomen chemisch zu reagieren und sich zu Molekulen oder festen Korpern zu verbinden Die Durchmesser von Atomen liegen im Bereich von 6 10 11 m Helium bis 5 10 10 m Casium ihre Massen in einem Bereich von 1 7 10 27 kg Wasserstoff bis knapp 5 10 25 kg die derzeit schwersten synthetisch hergestellten Kerne Ein Heliumatom Der Atomkern rosa liegt im Zentrum einer wesentlich grosseren Wolke aus zwei Elektronen grau In einer massstablichen Darstellung wurde zu einem Atomkern mit Durchmesser 1 Millimeter eine Elektronenwolke von etwa 100 Meter gehoren Rechts oben ist der Kern aus je zwei Protonen und Neutronen zusatzlich schematisch und vergrossert dargestellt In Wirklichkeit ist die Anordnung aus den vier Teilchen kugelsymmetrisch Die Atome der Elemente in der Anordnung des Periodensystems in massstablicher Darstellung ihres kovalenten Radius Atome sind nicht unteilbar wie zum Zeitpunkt der Namensgebung angenommen sondern zeigen einen wohlbestimmten Aufbau aus noch kleineren Teilchen Sie bestehen aus einem Atomkern und einer Atomhulle Der Atomkern hat einen Durchmesser von etwa einem Zehn bis Hunderttausendstel des gesamten Atomdurchmessers enthalt jedoch uber 99 9 Prozent der Atommasse Er besteht aus positiv geladenen Protonen und einer Anzahl von etwa gleich schweren elektrisch neutralen Neutronen Diese Nukleonen sind durch die starke Wechselwirkung aneinander gebunden Die Hulle besteht aus negativ geladenen Elektronen Sie tragt mit weniger als 0 06 Prozent zur Masse bei bestimmt jedoch die Grosse des Atoms Der positive Kern und die negative Hulle sind durch elektrostatische Anziehung aneinander gebunden In der elektrisch neutralen Grundform des Atoms ist die Anzahl der Elektronen in der Hulle gleich der Anzahl der Protonen im Kern Diese Zahl legt den genauen Aufbau der Hulle und damit auch das chemische Verhalten des Atoms fest und wird deshalb als chemische Ordnungszahl bezeichnet Alle Atome desselben Elements haben die gleiche chemische Ordnungszahl Sind zusatzliche Elektronen vorhanden oder fehlen welche ist das Atom negativ bzw positiv geladen und wird als Ion bezeichnet Die Vorstellung vom atomaren Aufbau der Materie existierte bereits in der Antike war jedoch bis in die Neuzeit umstritten Der endgultige Nachweis konnte erst Anfang des 20 Jahrhunderts erbracht werden und gilt als eine der bedeutendsten Entdeckungen in Physik und Chemie Einzelne Atome sind selbst mit den starksten Lichtmikroskopen nicht zu erkennen Eine direkte Beobachtung einzelner Atome ist erst seit Mitte des 20 Jahrhunderts mit Feldionenmikroskopen moglich seit einigen Jahren auch mit Rastertunnelmikroskopen und hochauflosenden Elektronenmikroskopen Die Atomphysik die neben dem Aufbau der Atome auch die Vorgange in ihrem Inneren und ihre Wechselwirkungen mit anderen Atomen erforscht hat entscheidend zur Entwicklung der modernen Physik und insbesondere der Quantenmechanik beigetragen Inhaltsverzeichnis 1 Erforschungsgeschichte 1 1 Philosophische Uberlegungen 1 2 Naturwissenschaftliche Erforschung 1 2 1 Bestatigung der Atomhypothese 1 2 2 Teilbarkeit und Aufbau der Atome 1 2 3 Aufbau der Atomhulle 1 2 4 Aufbau des Atomkerns 1 2 4 1 Bindungsenergie 1 2 4 2 Kernfusion und Kernspaltung 1 2 4 3 Schalenmodell und vereinheitlichtes Modell 1 2 4 4 Ursprung der Kernkrafte 1 2 4 5 Aufbau von Proton und Neutron 1 2 5 Einige fortgeschrittene Experimente mit Atomen 2 Klassifizierung 2 1 Elemente Isotope Nuklide 2 2 Stabile und instabile radioaktive Atome 2 3 Seltene und theoretische Formen 3 Entstehung 4 Vorkommen und Verteilung 5 Bestandteile des Atoms 5 1 Atomkern 5 1 1 Aufbau 5 1 2 Masse 5 1 3 Bildung und Zerfall 5 2 Atomhulle 5 2 1 Aufbau und Bindungsenergie 5 2 2 Interpretation grundlegender Atomeigenschaften im Rahmen des Schalenmodells 5 2 3 Erklarung der Atomeigenschaften im Rahmen des Orbitalmodells 5 3 Wechselwirkung zwischen Kern und Hulle 6 Beobachtung 6 1 Indirekte Beobachtung 6 2 Beobachtung einzelner Atome 7 Literatur 8 Weblinks 9 EinzelnachweiseErforschungsgeschichteDie Vorstellung vom atomaren Aufbau der Materie existierte bereits in der Antike allerdings nur in Form von philosophischen Uberlegungen Noch Anfang des 20 Jahrhunderts war ihre Existenz umstritten Aufgrund ihrer extrem geringen Grosse sind einzelne Atome selbst mit den starksten Lichtmikroskopen nicht zu erkennen Der endgultige Nachweis ihrer Existenz gilt als eine der bedeutendsten Entdeckungen in Physik und Chemie Einen entscheidenden Beitrag lieferte Albert Einstein 1905 indem er die bereits seit langem bekannte im Mikroskop direkt sichtbare Brownsche Bewegung kleiner Kornchen quantitativ dadurch erklarte dass sie von zufallig gehauften Stossen von Atomen oder Molekulen aus der Umgebung herruhrte Erst seit wenigen Jahrzehnten erlauben Feldionenmikroskope und Rastertunnelmikroskope seit einigen Jahren zudem auch Elektronenmikroskope einzelne Atome direkt zu beobachten Philosophische Uberlegungen Das Konzept des Atomismus namlich dass Materie aus Grundeinheiten aufgebaut ist kleinsten Teilchen die nicht immer weiter in kleinere Stucke zerteilt werden konnen existiert seit Jahrtausenden genauso wie das Gegenkonzept Materie sei ein beliebig teilbares Kontinuum Doch diese Ideen beruhten zunachst ausschliesslich auf philosophischen Uberlegungen und nicht auf empirischer experimenteller Untersuchung Dabei wurden den Atomen verschiedene Eigenschaften zugeschrieben und zwar je nach Zeitalter Kultur und philosophischer Schule sehr unterschiedliche Eine fruhe Erwahnung des Atomkonzepts in der Philosophie ist aus Indien bekannt Die Nyaya und Vaisheshika Schulen entwickelten ausgearbeitete Theorien wie sich Atome zu komplexeren Gebilden zusammenschlossen erst in Paaren dann je drei Paare 1 In der griechischen Philosophie ist die Atomvorstellung erstmals im 5 Jahrhundert v Chr bei Leukipp uberliefert Sein Schuler Demokrit systematisierte sie und fuhrte den Begriff atomos ἄtomos ein was etwa das Unzerschneidbare bedeutet also ein nicht weiter zerteilbares Objekt Diese Bezeichnung wurde Ende des 18 Jahrhunderts fur die damals hypothetischen kleinsten Einheiten der chemischen Elemente der beginnenden modernen Chemie ubernommen denn mit chemischen Methoden lassen sich Atome in der Tat nicht zerschneiden Experimentell arbeitende Naturwissenschaftler machten sich Ende des 18 Jahrhunderts die Hypothese vom Atom zu eigen weil diese Hypothese im Rahmen eines Teilchenmodells der Materie eine elegante Erklarung fur neue Entdeckungen in der Chemie bot 2 Doch wurde gleichzeitig die gegenteilige Vorstellung Materie sei ein Kontinuum von Philosophen und auch unter Naturwissenschaftlern noch bis ins 20 Jahrhundert hinein aufrechterhalten 3 Naturwissenschaftliche Erforschung Siehe auch Liste der Atommodelle Im Rahmen der wissenschaftlichen Erforschung konnte die Existenz von Atomen bestatigt werden Es wurden viele verschiedene Atommodelle entwickelt um ihren Aufbau zu beschreiben Insbesondere das Wasserstoffatom als das einfachste aller Atome war dabei wichtig Einige der Modelle werden heute nicht mehr verwendet und sind nur von wissenschaftsgeschichtlichem Interesse Andere gelten je nach Anwendungsbereich als noch heute brauchbare Naherung In der Regel wird das einfachste Modell genommen welches im gegebenen Zusammenhang noch ausreicht um die auftretenden Fragen zu klaren Viele der im Folgenden genannten Entdeckungen sofern nach 1900 wurden mit dem Nobelpreis fur Physik oder Chemie ausgezeichnet Bestatigung der Atomhypothese Verschiedene Atome und Molekule wie sie in A New System of Chemical Philosophy 1808 von John Dalton abgebildet sind Robert Boyle vertrat 1661 in seinem Werk The Sceptical Chymist die Meinung die Materie sei aus diversen Kombinationen verschiedener corpuscules aufgebaut und nicht aus den vier Elementen der Alchemie Wasser Erde Feuer Luft 4 Damit bereitete er die Uberwindung der Alchemie durch den Element und Atombegriff der modernen Chemie vor Daniel Bernoulli zeigte 1740 dass der gleichmassige Druck von Gasen auf die Behalterwande insbesondere das Gesetz von Boyle und Mariotte sich durch zahllose Stosse kleinster Teilchen erklaren lasst Damit wurde seine Forschung zum Vorlaufer der kinetischen Gastheorie und statistischen Mechanik Ab Ende des 18 Jahrhunderts wurde die Vorstellung von Atomen genutzt um die wohlbestimmten Winkel an den Kanten und Ecken der Edelsteine auf die verschiedenen moglichen Schichtungen von harten Kugeln zuruckzufuhren 5 Nachdem Antoine Lavoisier 1789 den heutigen Begriff des chemischen Elements gepragt und die ersten Elemente richtig identifiziert hatte 6 benutzte 1803 John Dalton das Atomkonzept um zu erklaren wieso Elemente immer in Mengenverhaltnissen kleiner ganzer Zahlen miteinander reagieren Gesetz der multiplen Proportionen Er nahm an dass jedes Element aus gleichartigen Atomen besteht die sich nach festen Regeln miteinander verbinden konnen und so Stoffe mit anderen Materialeigenschaften bilden 7 8 Ausserdem ging er davon aus dass alle Atome eines Elements die gleiche Masse hatten und begrundete damit den Begriff Atomgewicht 9 Die Beobachtungen zum chemischen und physikalischen Verhalten von Gasen konnte Amedeo Avogadro 1811 dahingehend zusammenfassen dass zwei ideale Gase bei gleichen Werten von Volumen Druck und Temperatur des Gases immer aus gleich vielen identischen Teilchen Molekulen bestehen Die Molekule bestehen bei elementaren Gasen wie Wasserstoff Sauerstoff oder Stickstoff immer aus zwei Atomen des Elements Avogadrosches Gesetz 1866 konnte Johann Loschmidt die Grosse der Luftmolekule bestimmen indem er mit einer von James C Maxwell aus der kinetischen Gastheorie gewonnenen Formel die von George Stokes gemessenen Werte fur die innere Reibung in Luft auswertete 10 Damit konnte er das Gewicht eines Luftmolekuls bestimmen Ausserdem erhielt er die nach ihm benannte Loschmidtsche Zahl als Anzahl der Luftmolekule pro Kubikzentimeter unter Normalbedingungen Infolge der Arbeiten von Avogadro und Stanislao Cannizzaro wurde angenommen dass Atome nicht als einzelne Teilchen auftreten sondern nur als Bestandteile von Molekulen aus mindestens zwei Atomen Doch 1876 gelang August Kundt und Emil Warburg der erste Nachweis eines einatomigen Gases Sie bestimmten den Adiabatenexponenten von Quecksilber Dampf bei hoher Temperatur und erhielten einen Wert wie er nach der kinetischen Gastheorie nur fur Teilchen in Gestalt echter Massepunkte auftreten kann Ab 1895 kamen entsprechende Beobachtungen an den neu entdeckten Edelgasen hinzu 3 Nach Erscheinen seiner Dissertation uber die Bestimmung von Molekuldimensionen 11 schlug Albert Einstein im selben Jahr 1905 ein Experiment vor um die Hypothese von der Existenz der Atome anhand der Zitterbewegung kleiner Partikel in Wasser quantitativ zu prufen Nach seiner Theorie mussten die Partikel aufgrund der Unregelmassigkeit der Stosse durch die Wassermolekule kleine aber immerhin unter dem Mikroskop sichtbare Bewegungen ausfuhren 12 13 14 Es war Einstein dabei zunachst nicht bekannt dass er damit die seit 1827 bekannte Brownsche Bewegung von Pollen quantitativ erklart hatte fur deren Ursache schon 1863 Christian Wiener erstmals Molekularstosse angenommen hatte 15 Nach Einsteins Formeln hangt die Starke der Zitterbewegung von der Masse der stossenden Molekule ab und auf dieser Grundlage bestimmte der franzosische Physiker Jean Perrin die Molekulmasse experimentell und fand ahnliche Ergebnisse wie Loschmidt 16 Diese Arbeiten trugen entscheidend zur allgemeinen Anerkennung der bis dahin so genannten Atomhypothese bei Teilbarkeit und Aufbau der Atome Joseph John Thomson entdeckte 1897 dass die Kathodenstrahlen aus Teilchen bestimmter Ladung und Masse bestehen und dass deren Masse kleiner als ein Tausendstel der Atommasse ist Diese Teilchen wurden als Elektronen bezeichnet und erwiesen sich als ein Bestandteil aller Materie was dem Konzept des Atoms als unzerteilbarer Einheit widersprach 17 Thomson glaubte dass die Elektronen dem Atom seine Masse verliehen und dass sie im Atom in einem masselosen positiv geladenen Medium verteilt seien wie Rosinen in einem Kuchen Thomsonsches Atommodell Die kurz zuvor entdeckte Radioaktivitat wurde 1903 von Ernest Rutherford und Frederick Soddy mit Umwandlungen verschiedener Atomsorten ineinander in Verbindung gebracht Sie konnten 1908 nachweisen dass aus den a Teilchen die die Alphastrahlung bilden Helium Atome werden Zusammen mit seiner Forschergruppe beschoss Ernest Rutherford 1909 eine Goldfolie mit a Teilchen Er stellte fest dass die meisten der Teilchen die Folie fast ungehindert durchdrangen einige wenige aber um sehr viel grossere Winkel abgelenkt wurden als nach Thomsons Modell moglich ware Rutherford schloss daraus dass fast die ganze Masse des Atoms in einem sehr viel kleineren elektrisch geladenen Volumen in der Mitte des Atoms konzentriert sei und schuf damit das seitdem gultige Rutherfordsche Atommodell mit dem grundlegenden Aufbau des Atoms aus Atomkern und Atomhulle Die stark abgelenkten a Teilchen waren diejenigen die einem Kern zufallig naher als etwa ein Hundertstel des Atomradius gekommen waren 18 Die Ladungszahl des Atomkerns entpuppte sich als die chemische Ordnungszahl des betreffenden Elements und a Teilchen erwiesen sich als die Atomkerne des Heliums Einfaches Massenspektrometer Schematische Darstellung Der Chemiker Frederick Soddy stellte 1911 fest dass manche der naturlichen radioaktiven Elemente aus Atomen mit unterschiedlichen Massen und unterschiedlicher Radioaktivitat bestehen mussten 19 Der Begriff Isotop fur physikalisch verschiedene Atome desselben chemischen Elements wurde 1913 von Margaret Todd vorgeschlagen 20 Da die Isotope desselben Elements an ihrem chemischen Verhalten nicht zu unterscheiden waren entwickelte der Physiker J J Thomson ein erstes Massenspektrometer zu ihrer physikalischen Trennung Damit konnte er 1913 am Beispiel von Neon nachweisen dass es auch stabile Elemente mit mehreren Isotopen gibt 21 1918 fand Francis William Aston mit einem Massenspektrometer von erheblich grosserer Genauigkeit heraus dass fast alle Elemente Gemische aus mehreren Isotopen sind wobei die Massen der einzelnen Isotope immer nahezu ganzzahlige Vielfache der Masse des Wasserstoffatoms sind 22 Rutherford wies 1919 in der ersten beobachteten Kernreaktion nach dass durch Beschuss mit a Teilchen aus den Kernen von Stickstoffatomen die Kerne von Wasserstoffatomen herausgeschossen werden konnen Diesen gab er den Namen Proton und entwickelte ein Atommodell in dem die Atome nur aus Protonen und Elektronen bestehen wobei die Protonen und ein Teil der Elektronen den kleinen schweren Atomkern bilden die ubrigen Elektronen die grosse leichte Atomhulle Die Vorstellung von Elektronen im Atomkern stellte sich jedoch als problematisch heraus und wurde 1932 endgultig fallengelassen nachdem von James Chadwick das Neutron als ein neutraler Kernbaustein mit etwa gleicher Masse wie das Proton nachgewiesen wurde 23 Damit entstand das heutige Atommodell Der Atomkern ist zusammengesetzt aus so vielen Protonen wie die Ordnungszahl angibt und zusatzlich so vielen Neutronen dass die betreffende Isotopenmasse erreicht wird die Atomhulle besteht aus so vielen Elektronen dass das ganze Atom neutral wird Aufbau der Atomhulle Hauptartikel Atomhulle Illustration des Bohrschen Modells des Wasserstoffatoms Z 1 mit einem Elektron das zwischen festen Umlaufbahnen Orbits springt und dabei ein Photon mit einer bestimmten Frequenz f abstrahlt Die beobachteten Eigenschaften wie Grosse Stabilitat Reaktionsweisen der Atomhulle konnten im Rahmen der klassischen Physik keine Erklarung finden Erst unter Einbeziehung von neuartigen Quantisierungsregeln mithilfe des Planckschen Wirkungsquantums konnte Niels Bohr 1913 erklaren wie es in den optischen Spektren reiner Elemente zu den Spektrallinien kommt die fur das jeweilige Element absolut charakteristisch sind Spektralanalyse nach Robert Wilhelm Bunsen und Gustav Robert Kirchhoff 1859 Im Franck Hertz Versuch konnte die quantisierte Energieaufnahme und abgabe an Quecksilberatomen experimentell bestatigt werden Das Bohrsche Atommodell war zwar nur fur Systeme mit lediglich einem Elektron damals nur Wasserstoff und ionisiertes Helium gultig bildete jedoch im Laufe des folgenden Jahrzehnts das Fundament fur eine Reihe von Verfeinerungen Sie fuhrten im Schalenmodell zu einem ersten Verstandnis des Aufbaus der Elektronenhullen aller Elemente und damit auch zum physikalischen Verstandnis des chemischen Periodensystems Damit wurde das Bohrsche Atommodell zur Grundlage des popularen Bildes vom Atom als einem kleinen Planetensystem 24 Orbitalmodell des Atoms Darstellung der Atomorbitale der ersten 2 Elektronen und zweiten 8 Elektronen Elektronenschale 1925 entwickelte Werner Heisenberg zusammen mit Max Born Pascual Jordan Wolfgang Pauli u a die Matrizenmechanik 1926 ersetzte Erwin Schrodinger die Quantisierungsregeln durch seine Wellenmechanik Sie beschreibt die Elektronen nicht als Massenpunkte auf bestimmten ebenen Bahnen sondern als in drei Dimensionen ausgedehnte stehende Materiewelle Beide Formen einer neuen Quantenmechanik konnten das Spektrum des Wasserstoffatoms richtig erklaren Als Folge dieser Beschreibungen ist es unter anderem unzulassig einem Elektron gleichzeitig genaue Werte fur Ort und Impuls zuzuschreiben Dieser Sachverhalt wurde 1927 vonHeisenberg in der Unscharferelation formuliert Demnach konnen statt der Bewegung auf bestimmten Bahnen nur Wahrscheinlichkeitsverteilungen fur Wertebereiche von Ort und Impuls angegeben werden eine Vorstellung die nur schwer zu veranschaulichen ist Den quantisierten Umlaufbahnen des Bohrschen Modells entsprechen hier Atomorbitale Sie geben unter anderem an wie sich in der Nahe des Atomkerns die Aufenthaltswahrscheinlichkeit der Elektronen konzentriert und bestimmen damit die wirkliche Grosse des Atoms Die Beschreibung der Eigenschaften der Atome gelang mit diesen ersten vollstandig quantenmechanischen Atommodellen sehr viel besser als mit den Vorlaufermodellen Insbesondere liessen sich auch bei Atomen mit mehreren Elektronen die Spektrallinien und die Struktur der Atomhulle in raumlicher und energetischer Hinsicht darstellen einschliesslich der genauen Moglichkeiten mit den Atomhullen anderer Atome gebundene Zustande zu bilden also stabile Molekule Daher wurde das Bohrsche Atommodell zugunsten des quantenmechanischen Orbitalmodells des Atoms verworfen 25 26 Das Orbitalmodell ist bis heute Grundlage und Ausgangspunkt genauer quantenmechanischer Berechnungen fast aller Eigenschaften der Atome Das Orbitalmodell bei einem Atom mit mehr als einem Elektron ist physikalisch als eine Naherung zu bezeichnen namlich als eine Ein Teilchen Naherung die jedem einzelnen Elektron ein bestimmtes Orbital zuschreibt Ein so gebildeter Zustand wird als Konfiguration des Atoms bezeichnet und gehort in der Quantenmechanik zu der einfachsten Art von Mehrteilchenzustanden Genauere Modelle berucksichtigen dass nach den Regeln der Quantenmechanik die Hulle auch in einem Zustand sein kann der durch Superposition verschiedener Konfigurationen entsteht wo also mit verschiedenen Wahrscheinlichkeitsamplituden gleichzeitig verschiedene Elektronenkonfigurationen vorliegen Konfigurationsmischung Hiermit werden die genauesten Berechnungen von Energieniveaus und Wechselwirkungen der Atome moglich Wegen des dazu notigen mathematischen Aufwands werden jedoch wo es moglich ist auch weiterhin einfachere Atommodelle genutzt Zu nennen ist hier neben dem Schalenmodell unter anderen das Thomas Fermi Modell in dem die Elektronenhulle pauschal wie ein im Potentialtopf gebundenes ideales Elektronengas Fermigas behandelt wird dessen Dichte wiederum zusammen mit der Kernladung die Form des elektrostatischen Potentialtopfs bestimmt Aufbau des Atomkerns Hauptartikel Atomkern Zur Entdeckung des Atomkerns und seiner Zusammensetzung aus Protonen und Neutronen siehe den Abschnitt Teilbarkeit und Aufbau der Atome oben Hier folgen Stichworte zur Erforschung weiterer Eigenschaften der Kerne Bindungsenergie Die Bindungsenergie der Nukleonen ist Ursache der hohen Energie der Quanten der radioaktiven Strahlung Sie ubersteigt die chemische Bindungsenergie von Molekulen um funf bis sechs Grossenordnungen Ab 1935 war hierbei erstmals eine grobe Modellvorstellung erfolgreich das Tropfchenmodell von C F von Weizsacker und Hans Bethe Damit wurde fur Kerne ab etwa 10 Nukleonen die anfangliche Zunahme der mittleren Bindungsenergie bis etwa A 60 displaystyle A 60 durch die wachsende Anzahl erklart in der die Nukleonen sich aufgrund der eigentlichen Kernkrafte mit ihren jeweiligen Nachbarn binden und danach die Abnahme der mittleren Bindungsenergie aufgrund der zunehmenden elektrostatischen Abstossung die alle Protonen untereinander betrifft Kernfusion und Kernspaltung Siehe auch Die Entdeckung der Kernspaltung Da das Maximum der mittleren Bindungsenergie bei mittelschweren Kernen liegt bedeutet es Energiefreisetzung sowohl wenn sehr leichte Kerne fusionieren als auch wenn sehr schwere Kerne spalten Die Fusion von Wasserstoff zu Helium wurde 1938 als Energiequelle der Sterne identifiziert Die Spaltung nach Neutroneneinfang wurde erstmals 1938 an Urankernen des Isotops U 235 durch Otto Hahn und Fritz Strassmann nachgewiesen Danach wurde die Kernforschung erheblich intensiviert und fuhrte 1945 zu den ersten Atombomben 1952 den Wasserstoffbomben und ab Mitte der 1950er Jahre zur Nutzung der Atomenergie zur Energieversorgung Schalenmodell und vereinheitlichtes Modell Sehr viel detaillierter als das Tropfchenmodell ist das 1949 von J H D Jensen und Maria Goeppert Mayer aufgestellte Schalenmodell der Kerne Ahnlich wie das Schalenmodell der Atome nimmt es fur je ein Nukleon ein bestimmtes Orbital in einem gemeinsamen kugelsymmetrischen Potentialtopf an Damit kann eine Fulle von Daten uber die Grundzustande und angeregten Zustande der Kerne erklart werden zum Beispiel ihr Kernspin ihr magnetisches Dipol und elektrisches Quadrupolmoment sowie uber ihre Zerfalls und Reaktionsweisen Aage Bohr Ben Mottelson und James Rainwater gelang es Anfang der 1960er Jahre dies Einzelteilchenmodell mit den Aspekten kollektiver Bewegung zu verbinden womit auch die Abweichungen von der Kugelgestalt in bestimmten Bereichen der Nukleonenzahlen verstandlich wurden Ursprung der Kernkrafte Die kurzreichweitigen Kernkrafte konnten in den 1970er Jahren auf die Starke Wechselwirkung zwischen Quarks zuruckgefuhrt werden 27 28 Aufbau von Proton und Neutron Ab den 1950er Jahren konnten Atome und vor allem die Atomkerne durch die Entwicklung verbesserter Teilchenbeschleuniger und Teilchendetektoren beim Beschuss mit Teilchen sehr hoher Energie untersucht werden 29 Ende der 1960er Jahre zeigte sich in der tiefinelastischen Streuung von Elektronen an Atomkernen dass auch Neutronen und Protonen keine unteilbaren Einheiten sind sondern aus Quarks zusammengesetzt sind 30 Einige fortgeschrittene Experimente mit Atomen 1951 entwickelte Erwin Muller das Feldionenmikroskop und konnte damit von einer Nadelspitze erstmals ein Abbild erzeugen das auf direkte Weise so stark vergrossert war dass einzelne Atome darin sichtbar wurden wenn auch nur als verschwommene Flecken 1953 entwickelte Wolfgang Paul die magnetische Ionenfalle Paulfalle in der einzelne Ionen gespeichert und mit immer hoherer Genauigkeit untersucht werden konnen 1985 entwickelte eine Arbeitsgruppe um Steven Chu die Laserkuhlung ein Verfahren die Temperatur einer Ansammlung von Atomen mittels Laser strahlung stark zu verringern Im selben Jahr gelang es einer Gruppe um William D Phillips neutrale Natriumatome in einer magneto optischen Falle einzuschliessen Durch Kombination dieser Verfahren mit einer Methode die den Dopplereffekt nutzt gelang es einer Arbeitsgruppe um Claude Cohen Tannoudji geringe Mengen von Atomen auf Temperaturen von einigen Mikrokelvin zu kuhlen Mit diesem Verfahren konnen Atome mit hochster Genauigkeit untersucht 31 werden ausserdem ermoglichte es auch die experimentelle Realisierung der Bose Einstein Kondensation 32 Anfang der 1980er Jahre wurde von Gerd Binnig und Heinrich Rohrer das Rastertunnelmikroskop entwickelt in dem eine Nadelspitze eine Oberflache mittels des Tunneleffekts so fein abtastet dass einzelne Atome sichtbar werden 33 34 Damit wurde es auch moglich Atome einzeln an bestimmte Platze zu setzen In den 1990er Jahren konnten Serge Haroche und David Wineland in Experimenten die Wechselwirkung eines einzelnen Atoms mit einem einzelnen Photon erfolgreich untersuchen In den 2000er Jahren wurde die Handhabbarkeit einzelner Atome unter anderem genutzt um einen Transistor aus nur einem Metallatom mit organischen Liganden herzustellen 35 Seit Ende der 1980er Jahre werden durch Vielfachanregung mit einem Laserimpuls Rydberg Atome erzeugt In einem Rydberg Atom ist ein Elektron in einem so hohen Energiezustand angeregt dass es den Atomkern teilweise auch den gesamten Atomrumpf bestehend aus dem Atomkern und den restlichen Elektronen in weitem Abstand umkreist und sein Verhalten sich damit dem eines klassischen Teilchens nahert Rydberg Atome konnen uber 100 000 mal grosser sein als nicht angeregte Atome Da sie extrem empfindlich auf aussere Felder reagieren kann man mit ihnen z B die Wechselwirkung eines einzelnen Atoms mit einem einzelnen Photon im Detail untersuchen Sind zwei oder mehr Elektronen in solchen Zustanden angeregt spricht man von planetarischen Atomen Klassifizierung Periodensystem Nuklidkarte Elemente Isotope Nuklide Die Unterscheidung und Bezeichnung verschiedener Atomsorten geht zunachst vom Aufbau des Atomkerns aus wahrend der Zustand der Hulle gegebenenfalls durch zusatzliche Symbole angegeben wird Kennzahlen sind die Protonenzahl Ordnungszahl Kernladungszahl Z die Neutronenzahl N des Kerns und die daraus gebildete Massenzahl A Z N Je nach ihrer Protonenzahl gehoren die Atome zu einem der 118 bekannten chemischen Elemente von Wasserstoff mit Z 1 bis Oganesson mit Z 118 Davon sind 91 in naturlichen Vorkommen entdeckt worden 27 nur nach kunstlicher Herstellung durch Kernreaktionen Die Ordnung der Elemente wird im Periodensystem wichtig fur die Chemie graphisch veranschaulicht Darin werden die Elemente mit aufsteigender Ordnungszahl in Form einer Tabelle angeordnet Jede Zeile wird als Periode des Periodensystems bezeichnet und endet wenn das jeweilige Orbital mit Elektronen voll besetzt ist Edelgas In den nachsten Zeilen wiederholt sich aufgrund der schrittweisen Elektronenbesetzung der nachsten Orbitale der chemische Charakter der Elemente So stehen Elemente mit ahnlichen chemischen Eigenschaften in einer Spalte untereinander sie bilden eine Gruppe des Periodensystems Atome eines Elements die sich in der Neutronenzahl unterscheiden gehoren zu verschiedenen Isotopen des Elements Insgesamt bestehen die 118 Elemente aus etwa 2800 Isotopen wovon 2500 kunstlich erzeugt wurden Isotope werden bis auf die Ausnahmen der Wasserstoffisotope Deuterium und Tritium nach dem chemischen Element und der Massenzahl bezeichnet Das Symbol fur ein bestimmtes Isotop des Elements X displaystyle X hat die Form Z A X displaystyle Z A mathrm X A X displaystyle A mathrm X oder X A Beispiele 6 12 C displaystyle 6 12 mathrm C 58 F e displaystyle 58 mathrm Fe Pb 208 Die Angabe der Protonenzahl Z ist redundant da sie schon durch die Ordnungszahl des Elements X displaystyle X gegeben ist Nuklid ist die ganz allgemeine Bezeichnung fur Atomarten unabhangig davon ob sie zum gleichen Element gehoren oder nicht Die Nuklidkarte oder Isotopenkarte wichtig fur die Kernphysik und ihre Anwendungen ist eine Tabelle in der jede Atomart einen eigenen Platz erhalt Dazu wird auf einer Achse die Anzahl der Protonen auf der anderen die der Neutronen aufgetragen Haufig wird die Stabilitat und bei instabilen Nukliden auch die Art der Umwandlung oder die Grossenordnung der Halbwertszeit durch bestimmte Farben und gegebenenfalls auch Teilung des dem Isotop zugewiesenen Platzes dargestellt Stabile und instabile radioaktive Atome Der Atomkern eines Nuklids Z A X displaystyle Z A mathrm X kann entweder im energetischen Grundzustand oder in einem der verschiedenen Anregungszustande vorliegen Wenn darunter relativ langlebige sogenannte metastabile Zustande sind werden diese als Isomere bezeichnet und als eigene Nuklide gezahlt Symbol Z A X m displaystyle Z A mathrm X m Z A X displaystyle Z A mathrm X o a Nach dieser Definition sind mit dem Stand von 2003 insgesamt etwa 3200 Nuklide bekannt 36 In der Kernphysik werden Nuklide mit unterschiedlichen Protonenzahlen aber gleicher Massenzahl A displaystyle A als Isobare bezeichnet Seltener werden unter dem Namen Isotone Nuklide mit verschiedenen Protonenzahlen aber gleicher Neutronenzahl zusammengefasst Nur etwa 250 Isotope von 80 Elementen haben einen stabilen Kern Alle anderen Atome sind instabil und wandeln sich uber kurz oder lang in Atome eines stabilen Isotops um Da sie dabei im Allgemeinen ionisierende Strahlung aussenden heissen sie auch Radioisotope oder Radionuklide Auf der Erde wurden in den naturlichen Vorkommen neben allen 250 stabilen Isotopen 30 Radioisotope gefunden die sich auf 10 radioaktive Elemente verteilen und die naturliche Radioaktivitat verursachen 37 Viele weitere kurzlebige Isotope existieren im Inneren von Sternen insbesondere wahrend der Supernova Phase Seltene und theoretische Formen Als Rydberg Atom wird ein Atom bezeichnet in dem ein Elektron in einem so hohen Energiezustand angeregt ist dass es den Atomkern teilweise auch den gesamten Atomrumpf bestehend aus dem Atomkern und den restlichen Elektronen in weitem Abstand umkreist und sein Verhalten damit dem eines klassischen Teilchens ahnelt Rydberg Atome konnen uber 100 000 mal grosser sein als nicht angeregte Atome Da sie extrem empfindlich auf aussere Felder reagieren kann man mit ihnen z B die Wechselwirkung mit einem einzelnen Photon im Detail untersuchen Sind zwei oder mehr Elektronen in solchen Zustanden angeregt spricht man von planetarischen Atomen Im teils ubertragenen Sinn werden als exotische Atome auch solche Systeme bezeichnet die in physikalischer Hinsicht gewisse Ahnlichkeiten zu den gewohnlichen Atomen aufweisen In ihnen kann z B eines der Protonen Neutronen oder Elektronen durch ein anderes Teilchen derselben Ladung ersetzt worden sein Wird etwa ein Elektron durch ein schwereres Myon ersetzt bildet sich ein myonisches Atom 38 39 40 Als Positronium wird ein exotisches Atom bezeichnet in dem ein Elektron statt an ein Proton an ein Positron das ist das positiv geladene Antiteilchen des Elektrons gebunden ist Auch Atome die ganzlich aus Antiteilchen zur normalen Materie aufgebaut sind sind moglich So wurden erstmals 1995 am Genfer CERN Antiwasserstoffatome kunstlich hergestellt und nachgewiesen 41 An solchen exotischen Atomen lassen sich unter anderem fundamentale physikalische Theorien uber die Symmetrie zwischen Teilchen und Antiteilchen uberprufen Des Weiteren wird der Name Atom manchmal auch fur Zwei Teilchen Systeme verwendet die nicht durch elektromagnetische Wechselwirkung zusammengehalten werden sondern durch die starke Wechselwirkung Bei einem solchen Quarkonium handelt es sich um ein kurzlebiges Elementarteilchen vom Typ Meson das aus einem Quark und einem Antiquark aufgebaut ist Ein Quarkonium Atom lasst sich in seinen verschiedenen metastabilen Zustanden so durch Quantenzahlen klassifizieren wie das Wasserstoffatom EntstehungEtwa eine Sekunde nach dem Urknall kamen wegen sinkender Temperatur die standigen Umwandlungen zwischen den Elementarteilchen zur Ruhe ubrig blieben Elektronen Protonen und Neutronen In den darauf folgenden drei Minuten verbanden sich in der primordialen Nukleosynthese die vorhandenen Neutronen mit Protonen zu den einfachsten Kernen Deuterium Helium in geringerem Umfang auch Lithium und moglicherweise in noch kleineren Mengen Beryllium und Bor Die ubrigen Protonen 86 Prozent blieben erhalten 42 Die ersten neutralen Atome mit dauerhaft gebundenen Elektronen wurden erst 380 000 Jahre nach dem Urknall in der Rekombinationsphase gebildet als das Universum durch Expansion so weit abgekuhlt war dass die Atome nicht sogleich wieder ionisiert wurden 43 Die Kerne aller schwereren Atome wurden und werden durch verschiedene Prozesse der Kernfusion erzeugt Am wichtigsten ist die stellare Nukleosynthese durch die in Sternen zunachst Helium anschliessend auch die schwereren Elemente bis zum Eisen gebildet werden Elemente mit hoheren Kernladungszahlen als Eisen entstehen in explosionsartigen Vorgangen wie im r Prozess in Supernovae und im s Prozess in AGB Sternen die kurz vor dem Ende ihrer Lebensdauer sind Kleine Mengen verschiedener Elemente und Isotope werden auch dadurch gebildet dass schwere Kerne wieder geteilt werden Das geschieht durch radioaktive Zerfalle siehe Zerfallsreihe die u a fur einen Teil des Vorkommens von Helium und Blei verantwortlich sind und Spallationen die fur die Entstehung von Lithium Beryllium und Bor wichtig sind 44 Vorkommen und Verteilung Haufigkeiten von Elementen im Universum logarithmische Skala Im beobachtbaren Universum liegen die Atome mit einer mittleren Dichte von 0 25 Atome m vor Nach dem Urknallmodell Lambda CDM Modell bilden sie etwa 4 9 Prozent der gesamten Energiedichte Die ubrigen 95 1 Prozent deren Natur noch weitgehend unklar ist setzen sich aus etwa 27 Prozent dunkler Materie und 68 Prozent dunkler Energie zusammen 45 sowie kleinen Beitragen von Neutrinos und elektromagnetischer Strahlung 46 Im Inneren einer Galaxie wie etwa der Milchstrasse ist im interstellaren Medium ISM die Dichte der Atome wesentlich hoher und liegt zwischen 104 und 1011 Atome m3 47 Die Sonne befindet sich in der weitgehend staubfreien lokalen Blase daher ist die Dichte in der Umgebung des Sonnensystems nur etwa 103 Atome m3 48 In festen Himmelskorpern wie der Erde betragt die Atomdichte etwa 1029 Atome m3 In der Verteilung der Elemente dominiert im Universum Wasserstoff mit rund drei Viertel der Masse danach folgt Helium mit etwa einem Viertel Alle schwereren Elemente sind viel seltener und machen nur einen kleinen Teil der im Universum vorhandenen Atome aus Ihre Haufigkeiten werden von den verschiedenen Mechanismen der Nukleosynthese bestimmt 49 Im Sonnensystem sind Wasserstoff und Helium vorwiegend in der Sonne und den Gasplaneten enthalten Dagegen uberwiegen auf der Erde die schweren Elemente Die haufigsten Elemente sind hier Sauerstoff Eisen Silicium und Magnesium Der Erdkern besteht vorwiegend aus Eisen wahrend in der Erdkruste Sauerstoff und Silicium vorherrschen Bestandteile des AtomsDie beiden Hauptbestandteile eines Atoms sind der Atomkern und die Atomhulle Die Hulle besteht aus Elektronen Sie tragt mit weniger als 0 06 Prozent zur Masse des Atoms bei bestimmt aber dessen Grosse und dessen Verhalten gegenuber anderen Atomen wenn sie einander nahekommen Der Kern besteht aus Protonen und Neutronen ist im Durchmesser zehn bis hunderttausendmal kleiner als die Hulle enthalt aber mehr als 99 9 Prozent der Masse des Atoms Atomkern Hauptartikel Atomkern Aufbau Die Bindungsenergie die pro Nukleon aufgebracht werden muss um den Kern vollstandig in Nukleonen zu zerlegen fur die auf der Erde naturlich vorkommenden Kerne Die in einem Atom vorhandenen Protonen und Neutronen zusammen auch als Nukleonen bezeichnet sind aneinander gebundenen und bilden den Atomkern Die Nukleonen zahlen zu den Hadronen Das Proton ist positiv geladen das Neutron ist elektrisch neutral Proton und Neutron haben einen Durchmesser von etwa 1 6 fm Femtometer und sind selber keine Elementarteilchen sondern nach dem Standardmodell der Elementarteilchenphysik aus den punktformigen Quarks aufgebaut Jeweils drei Quarks binden sich durch die starke Wechselwirkung die durch Gluonen vermittelt wird zu einem Nukleon Die starke Wechselwirkung ist daruber hinaus fur den Zusammenhalt der Nukleonen im Atomkern verantwortlich insbesondere ist die Anziehung bis zu etwa 2 5 fm Abstand deutlich starker als die gegenseitige elektrische Abstossung der Protonen 50 Unterhalb von etwa 1 6 fm wird die starke Wechselwirkung der Hadronen jedoch stark abstossend Anschaulich gesprochen verhalten sich die Nukleonen im Kern also etwa wie harte Kugeln die aneinander haften Daher steigt das Volumen des Kerns proportional zur Nukleonenzahl Massenzahl A displaystyle A Sein Radius betragt etwa 1 3 A 3 displaystyle 1 3 sqrt 3 A fm Der leichteste Atomkern besteht aus nur einem Proton Mehrere Protonen stossen sich zwar gemass der Elektrostatik ab konnen zusammen mit einer geeigneten Anzahl von Neutronen aber ein stabiles System bilden Doch schon bei kleinen Abweichungen von dem energetisch gunstigsten Zahlenverhaltnis ist der Kern instabil und wandelt sich spontan um indem aus einem Neutron ein Proton wird oder umgekehrt und die frei werdende Energie und Ladung als Betastrahlung abgegeben wird Kerne mit bis zu etwa 20 Protonen sind nur bei einem Verhaltnis von nahezu 1 1 von Neutronenzahl und Protonenzahl stabil Daruber steigt in den stabilen Atomkernen das Verhaltnis von 1 1 bis auf etwa 1 5 1 weil bei grosseren Protonenzahlen wegen ihrer elektrostatischen Abstossung die Anzahl der Neutronen schneller anwachsen muss als die der Protonen Details siehe Tropfchenmodell Die Bindungsenergie liegt in stabilen Kernen abgesehen von den leichtesten oberhalb von 7 MeV pro Nukleon siehe Abbildung und ubertrifft damit die Bindungsenergie der ausseren Elektronen der Atomhulle oder die chemische Bindungsenergie in stabilen Molekulen um das ca 106 fache Kerne mit bestimmten Nukleonenzahlen die als Magische Zahl bezeichnet werden beispielsweise Helium 4 Sauerstoff 16 oder Blei 208 sind besonders stabil was mit dem Schalenmodell des Atomkerns erklart werden kann Oberhalb einer Zahl von 82 Protonen also jenseits von Blei sind alle Kerne instabil Sie wandeln sich durch Ausstossen eines Kerns He 4 in leichtere Kerne um Alphastrahlung Dies wiederholt sich zusammen mit Betastrahlung so lange bis ein stabiler Kern erreicht ist mehrere Zerfallsstufen bilden eine Zerfallsreihe Auch zu den Protonenzahlen 43 Technetium und 61 Promethium existiert kein stabiler Kern Daher kann es insgesamt nur 80 verschiedene stabile chemische Elemente geben alle weiteren sind radioaktiv Sie kommen auf der Erde nur dann naturlich vor wenn sie selber oder eine ihrer Muttersubstanzen eine genugend lange Halbwertzeit haben Masse Da der Grossteil der Atommasse von den Neutronen und Protonen stammt und diese etwa gleich schwer sind wird die Gesamtzahl dieser Teilchen in einem Atom als Massenzahl bezeichnet Die genaue Masse eines Atoms wird oft in der atomaren Masseneinheit u angegeben ihr Zahlenwert ist dann etwa gleich der Massenzahl Kleinere Abweichungen entstehen durch den Massendefekt der Atomkerne Die atomare Masseneinheit ergibt sich aus der Definition der SI Einheit des Mols in der Art und Weise dass ein Atom des Kohlenstoffisotops 12C im Grundzustand inklusive seiner Hullenelektronen eine Masse von exakt 12 u besitzt Damit betragt 1 u gleich 1 66053904 10 27 kg 51 Ein Atom des leichtesten Wasserstoffisotops hat eine Masse von 1 007825 u Das schwerste stabile Nuklid ist das Bleiisotop 208Pb mit einer Masse von 207 9766521 u 52 Da makroskopische Stoffmengen so viele Atome enthalten dass die Angabe ihrer Anzahl als naturliche Zahl unhandlich ware erhielt die Stoffmenge eine eigene Einheit das Mol Ein Mol sind etwa 6 022 1023 Atome oder auch Molekule oder andere Teilchen die betrachtete Teilchenart muss immer mitgenannt werden Die Masse von 1 Mol Atomen der Atommasse X u ist daher exakt X g 51 Daher ist es in der Chemie ublich Atommassen statt in u auch indirekt in g mol anzugeben Bildung und Zerfall In welcher Art ein instabiler Atomkern zerfallt ist fur das jeweilige Radionuklid typisch Bei manchen Nukliden konnen die untereinander vollig gleichen Kerne auch auf verschiedene Arten zerfallen so dass mehrere Zerfallskanale mit bestimmten Anteilen beteiligt sind Die wichtigsten radioaktiven Zerfalle sind Alpha Zerfall bei dem sich aus zwei Protonen und zwei Neutronen des Kerns durch die starke Wechselwirkung ein Helium Atomkern bildet der ausgestossen wird Beta Zerfall bei dem mittels der schwachen Wechselwirkung ein Neutron des Kerns in ein Proton oder umgekehrt umgewandelt wird und ein Elektron und ein Antineutrino beziehungsweise ein Positron und ein Neutrino erzeugt und ausgesendet werden Gamma Zerfall bei dem ein angeregter Kern durch elektromagnetische Wechselwirkung Gammastrahlung erzeugt und in ein niedrigeres Energieniveau gelangt bei gleichbleibender Protonen und Neutronenzahl Illustration einer Kernfusion ein Proton und ein Deuterium Kern oben reagieren zu einem 3He Kern bestehend aus zwei Protonen und einem Neutron Die bei der Reaktion frei werdenden Energie wird als Gammastrahlung abgestrahlt Die Energien der Strahlungen sind fur das jeweilige Nuklid charakteristisch ebenso wie die Halbwertszeit die angibt wie lange es dauert bis die Halfte einer Probe des Nuklids zerfallen ist Durch Anlagerung eines Neutrons kann sich ein Kern in das nachstschwerere Isotop desselben Elements verwandeln Durch den Beschuss mit Neutronen oder anderen Atomkernen kann ein grosser Atomkern in mehrere kleinere Kerne gespalten werden Einige schwere Nuklide konnen sich auch ohne aussere Einwirkung spontan spalten Grossere Atomkerne konnen aus kleineren Kernen gebildet werden Dieser Vorgang wird Kernfusion genannt Fur eine Fusion mussen sich Atomkerne sehr nahekommen Diesem Annahern steht die elektrostatische Abstossung beider Kerne der sogenannte Coulombwall entgegen Aus diesem Grund ist eine Kernfusion ausser in bestimmten Experimenten nur unter sehr hohen Temperaturen von mehreren Millionen Grad und hohen Drucken wie sie im Inneren von Sternen herrschen moglich Die Kernfusion ist bei Nukliden bis zum Nickel 62 eine exotherme Reaktion so dass sie im Grossen selbsterhaltend ablaufen kann Sie ist die Energiequelle der Sterne Bei Atomkernen jenseits des Nickels nimmt die Bindungsenergie pro Nukleon ab die Fusion schwererer Atomkerne ist daher endotherm und damit kein selbsterhaltender Prozess Die Kernfusion in Sternen kommt daher zum Erliegen wenn die leichten Atomkerne aufgebraucht sind 53 Atomhulle Hauptartikel Atomhulle Aufbau und Bindungsenergie Die Atomhulle besteht aus Elektronen die aufgrund ihrer negativen Ladung an den positiven Atomkern gebunden sind Sie wird oft auch als Elektronenhulle bezeichnet Bei einem neutralen Atom mit Z displaystyle Z Elektronen betragt die durchschnittliche Bindungsenergie je Elektron etwa 13 6 Z 4 3 displaystyle 13 6 Z 4 3 54 Sie nimmt daher mit steigender Teilchenzahl erheblich zu im Gegensatz zur durchschnittlichen Bindungsenergie pro Nukleon im Kern die ab der Massenzahl A 62 displaystyle A 62 sogar abnimmt Zur Erklarung wird angefuhrt dass zwischen Nukleonen nur Bindungskrafte kurzer Reichweite wirken die kaum uber die benachbarten Teilchen hinausreichen wahrend die Hulle durch die elektrostatische Anziehungskraft gebunden ist die vom Z displaystyle Z fach geladenen Kern aus alle Elektronen erfasst Abgesehen von der Masse die zu uber 99 95 Prozent im Atomkern konzentriert ist ist die Atomhulle fur praktisch alle ausseren Eigenschaften des Atoms verantwortlich Der Begriff Atommodell bezieht sich daher im engeren Sinn meist nur auf die Hulle siehe Liste der Atommodelle Ein einfaches Atommodell ist das Schalenmodell nach dem die Elektronen sich in bestimmten Schalen um den Kern anordnen in denen jeweils fur eine bestimmte Anzahl Elektronen Platz ist Allerdings haben diese Schalen weder einen bestimmten Radius noch eine bestimmte Dicke sondern uberlappen und durchdringen einander teilweise Besser getrennt sind sie auf der Skala der Bindungsenergie der Elektronen Interpretation grundlegender Atomeigenschaften im Rahmen des Schalenmodells Die Atomhulle bestimmt die Starke und Abstandsabhangigkeit der Krafte zwischen zwei Atomen Im Abstandsbereich mehrerer Atomdurchmesser polarisieren sich die gesamten Atomhullen wechselseitig sodass durch elektrostatische Anziehung anziehende Krafte die Van der Waals Krafte entstehen Sie bewirken vor allem die Kondensation der Gase zu Flussigkeiten also einen Wechsel der Aggregatzustande Die naherungsweise Inkompressibilitat der Flussigkeiten und Festkorper hingegen beruht darauf dass alle Atome bei starker Annaherung einander stark abstossen sobald sich ihre Hullen im Raum merklich uberschneiden und daher verformen mussen Ausser im Fall zweier Wasserstoff atome die jeweils nur ein Elektron in der Hulle haben spielt die elektrostatische Abstossung der beiden Atomkerne dabei nur eine geringe Rolle In einem mittleren Abstandsbereich zwischen dem Vorherrschen der schwach anziehenden Van der Waals Krafte und der starken Abstossung kommt es zwischen zwei oder mehr zueinander passenden Atomhullen zu einer besonders starken Anziehung der chemischen Bindung Bei Atomen bestimmter Elemente kann diese Anziehung zu einem stabilen Molekul fuhren das aus Atomen in zahlenmassig genau festgelegter Beteiligung und raumlicher Anordnung aufgebaut ist Die Molekule sind die kleinsten Stoffeinheiten der chemischen Verbindungen also der homogenen Materialien in all ihrer Vielfalt Vermittelt uber die Hullen ihrer Atome ziehen auch Molekule einander an Ein fester Korper entsteht wenn viele Molekule sich aneinander binden und dabei weil es energetisch gunstig ist eine feste Anordnung einhalten Ist diese Anordnung regelmassig bildet sich ein Kristallgitter Infolge dieser Bindung ist der feste Korper nicht nur weitgehend inkompressibel wie eine Flussigkeit sondern im Unterschied zu dieser auch auf Zug belastbar und deutlich weniger leicht verformbar Verbinden sich Atome metallischer Elemente miteinander ist ihre Anzahl nicht festgelegt und es konnen sich nach Grosse und Gestalt beliebige Korper bilden Vor allem chemisch reine Metalle zeigen dann meist auch eine grosse Verformbarkeit Verbindungen verschiedener Metalle werden Legierung genannt Die Art der Bindung von Metallatomen erklart warum Elektronen sich fast frei durch das Kristallgitter bewegen konnen was die grosse elektrische Leitfahigkeit und Warmeleitfahigkeit der Metalle verursacht Zusammengefasst ergeben sich aus der Wechselwirkung der Atomhullen miteinander die mechanische Stabilitat und viele weitere Eigenschaften der makroskopischen Materialien Aufgrund des unscharfen Randes der Atomhulle liegt die Grosse der Atome nicht eindeutig fest Die als Atomradien tabellierten Werte sind aus der Bindungslange gewonnen das ist der energetisch gunstigste Abstand zwischen den Atomkernen in einer chemischen Bindung Insgesamt zeigt sich mit steigender Ordnungszahl eine in etwa periodische Variation der Atomgrosse die mit der periodischen Variation des chemischen Verhaltens gut ubereinstimmt Im Periodensystem der Elemente gilt allgemein dass innerhalb einer Periode also einer Zeile des Systems eine bestimmte Schale aufgefullt wird Von links nach rechts nimmt die Grosse der Atome dabei ab weil die Kernladung anwachst und daher alle Schalen starker angezogen werden Wenn eine bestimmte Schale mit den stark gebundenen Elektronen gefullt ist gehort das Atom zu den Edelgasen Mit dem nachsten Elektron beginnt die Besetzung der Schale mit nachstkleinerer Bindungsenergie was mit einem grosseren Radius verbunden ist Innerhalb einer Gruppe also einer Spalte des Periodensystems nimmt die Grosse daher von oben nach unten zu Dementsprechend ist das kleinste Atom das Heliumatom am Ende der ersten Periode mit einem Radius von 32 pm wahrend eines der grossten Atome das Caesium atom ist das erste Atom der 5 Periode Es hat einen Radius von 225 pm 55 Erklarung der Atomeigenschaften im Rahmen des Orbitalmodells Hauptartikel Orbitalmodell Die dem Schalenmodell zugrundeliegenden Elektronenschalen ergeben sich durch die Quantisierung der Elektronenenergien im Kraftfeld des Atomkerns nach den Regeln der Quantenmechanik Um den Kern herum bilden sich verschiedene Atomorbitale das sind unscharf begrenzte Wahrscheinlichkeitsverteilungen fur mogliche raumliche Zustande der Elektronen Jedes Orbital kann aufgrund des Pauli Prinzips mit maximal zwei Elektronen besetzt werden dem Elektronenpaar Die Orbitale die unter Vernachlassigung der gegenseitigen Abstossung der Elektronen und der Feinstruktur theoretisch die gleiche Energie hatten bilden eine Schale Die Schalen werden mit der Hauptquantenzahl durchnummeriert oder fortlaufend mit den Buchstaben K L M bezeichnet Genauere Messungen zeigen dass ab der zweiten Schale nicht alle Elektronen einer Schale die gleiche Energie besitzen Falls erforderlich wird durch die Nebenquantenzahl oder Drehimpulsquantenzahl eine bestimmte Unterschale identifiziert Sind die Orbitale angefangen vom energetisch niedrigsten so weit mit Elektronen besetzt dass die gesamte Elektronenzahl gleich der Protonenzahl des Kerns ist ist das Atom neutral und befindet sich im Grundzustand Werden in einem Atom ein oder mehrere Elektronen in energetisch hoherliegende Orbitale versetzt ist das Atom in einem angeregten Zustand Die Energien der angeregten Zustande haben fur jedes Atom wohlbestimmte Werte die sein Termschema bilden Ein angeregtes Atom kann seine Uberschussenergie abgeben durch Stosse mit anderen Atomen durch Emission eines der Elektronen Auger Effekt oder durch Emission eines Photons also durch Erzeugung von Licht oder Rontgenstrahlung Bei sehr hoher Temperatur oder in Gasentladungen konnen die Atome durch Stosse Elektronen verlieren siehe Ionisationsenergie es entsteht ein Plasma so z B in einer heissen Flamme oder in einem Stern Absorptionslinien im Spektrum der Sonne Aus dem eingestrahlten Licht das ein kontinuierliches Spektrum aufweist wird bei bestimmten Wellenlangen Strahlung absorbiert was die schwarzen Linien hervorruft Da die Energien der Quanten der emittierten Strahlung je nach Atom bzw Molekul und den beteiligten Zustanden verschieden sind lasst sich durch Spektroskopie dieser Strahlung die Quelle im Allgemeinen eindeutig identifizieren Beispielsweise zeigen die einzelnen Atome ihr elementspezifisches optisches Linienspektrum Bekannt ist etwa die Natrium D Linie eine Doppellinie im gelben Spektralbereich bei 588 99 nm und 589 59 nm 56 die auch in nebenstehender Abbildung mit D 1 bezeichnet wird Ihr Aufleuchten zeigt die Anwesenheit von angeregten Natrium Atomen an sei es auf der Sonne oder uber der Herdflamme bei Anwesenheit von Natrium oder seinen Salzen Da diese Strahlung einem Atom auch durch Absorption dieselbe Energie zufuhren kann lassen sich die Spektrallinien der Elemente sowohl in Absorptions als auch in Emissionsspektren beobachten Diese Spektrallinien lassen sich auch verwenden um Frequenzen sehr prazise zu vermessen beispielsweise fur Atomuhren Obwohl Elektronen sich untereinander elektrostatisch abstossen konnen in einem neutralen Atom zusatzlich bis zu zwei weitere Elektronen gebunden werden wenn es bei der hochsten vorkommenden Elektronenenergie noch Orbitale mit weiteren freien Platzen gibt siehe Elektronenaffinitat Chemische Reaktionen d h die Verbindung mehrerer Atome zu einem Molekul oder sehr vieler Atome zu einem Festkorper werden dadurch erklart dass ein oder zwei Elektronen aus einem der ausseren Orbitale eines Atoms Valenzelektronen unter Energiegewinn auf einen freien Platz in einem Orbital eines benachbarten Atoms ganz hinuberwechseln Ionenbindung oder sich mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit dort aufhalten kovalente Bindung durch ein bindendes Elektronenpaar Dabei bestimmt die Elektronegativitat der Elemente bei welchem Atom sich die Elektronen wahrscheinlicher aufhalten In der Regel werden chemische Bindungen so gebildet dass die Atome die Elektronenkonfiguration eines Edelgases erhalten Edelgasregel Fur das chemische Verhalten des Atoms sind also Form und Besetzung seiner Orbitale entscheidend Da diese allein von der Protonenzahl bestimmt werden zeigen alle Atome mit gleicher Protonenzahl also die Isotope eines Elements nahezu das gleiche chemische Verhalten Nahern sich zwei Atome uber die chemische Bindung hinaus noch starker an mussen die Elektronen eines Atoms wegen des Pauli Prinzips auf freie aber energetisch ungunstige Orbitale des anderen Atoms ausweichen was einen erhohten Energiebedarf und damit eine abstossende Kraft nach sich zieht Wechselwirkung zwischen Kern und Hulle Mit grosser Genauigkeit wird die Wechselwirkung zwischen Kern und Hulle schon durch den einfachen Ansatz beschrieben in dem der Kern eine punktformige Quelle eines elektrostatischen Felds nach dem Coulomb Gesetz darstellt Alle genannten Atommodelle beruhen hierauf Aufgrund zusatzlicher Effekte die in erweiterten Modellen behandelt werden sind nur extrem kleine Korrekturen notig die unter dem Namen Hyperfeinstruktur zusammengefasst werden Zu berucksichtigen sind hier drei Effekte erstens die endliche Ausdehnung die jeder Kern besitzt zweitens eine magnetische Dipolwechselwirkung wenn sowohl Kern als auch Hulle eine Drehimpulsquantenzahl von mindestens haben und drittens eine elektrische Quadrupolwechselwirkung wenn beide Drehimpulsquantenzahlen mindestens 1 sind Die endliche Ausdehnung des Kerns verglichen mit einer theoretischen Punktladung bewirkt eine schwachere Anziehung derjenigen Elektronen deren Aufenthaltswahrscheinlichkeit bis in den Kern hineinreicht Betroffen sind nur s Orbitale Bahndrehimpuls Null Bei Atomen mittlerer Ordnungszahl liegt die Korrektur der Bindungsenergie in der Grossenordnung von 1 Prozent Die magnetischen Dipol bzw elektrischen Quadrupol Momente von Hulle und Kern bewirken eine Kopplung mit der Folge dass die Gesamtenergie eines freien Atoms je nach Quantenzahl seines Gesamtdrehimpulses ausserst geringfugig aufgespalten ist Im H Atom betragt die Aufspaltung etwa ein Millionstel der Bindungsenergie des Elektrons siehe 21 cm Linie Anschaulich gesprochen hangt die Energie davon ab in welchem Winkel die Achsen der beiden magnetischen Dipolmomente bzw elektrischen Quadrupolmomente von Kern und Hulle zueinander stehen Auch bei Atomen in Flussigkeiten und Festkorpern machen sich diese Wechselwirkungen in entsprechend modifizierter Form bemerkbar Trotz der Kleinheit der dadurch verursachten Effekte haben sie eine grosse Rolle in der Atom und Kernforschung gespielt und sind in besonderen Fallen auch bei modernen Anwendungen wichtig BeobachtungIndirekte Beobachtung Indirekte Moglichkeiten Atome zu erkennen beruhen auf der Beobachtung der von ihnen ausgehenden Strahlung So kann aus Atomspektren beispielsweise die Elementzusammensetzung entfernter Sterne bestimmt werden Die verschiedenen Elemente lassen sich durch charakteristische Spektrallinien identifizieren die auf Emission oder Absorption durch Atome des entsprechenden Elements in der Sternatmosphare zuruckgehen Gasentladungslampen die dasselbe Element enthalten zeigen diese Linien als Emissionslinien 57 Auf diese Weise wurde z B 1868 Helium im Spektrum der Sonne nachgewiesen uber 10 Jahre bevor es auf der Erde entdeckt wurde 58 Ein Atom kann ionisiert werden indem eines seiner Elektronen entfernt wird Die elektrische Ladung sorgt dafur dass die Flugbahn eines Ions von einem Magnetfeld abgelenkt wird Dabei werden leichte Ionen starker abgelenkt als schwere Das Massenspektrometer nutzt dieses Prinzip um das Masse zu Ladung Verhaltnis von Ionen und damit die Atommassen zu bestimmen Die Elektronenenergieverlustspektroskopie misst den Energieverlust eines Elektronenstrahls bei der Wechselwirkung mit einer Probe in einem Transmissionselektronenmikroskop Beobachtung einzelner Atome Ein mit einem Rastertunnelmikroskop erstelltes Bild einer rekonstruierten Goldoberflache mit atomarer Auflosung Eine direkte Abbildung die einzelne Atome erkennen lasst wurde erstmals 1951 mit dem Feldionenmikroskop oder Feldemissionsmikroskop erzielt Auf einem kugelformigen Bildschirm in dessen Mittelpunkt sich eine extrem feine Nadelspitze befindet erscheint ein etwa millionenfach vergrossertes Bild Darin sind die obersten Atome die die Spitze bilden nebeneinander als einzelne Lichtpunkte zu erkennen Dies kann heute auch im Physikunterricht an der Schule vorgefuhrt werden Das Bild entsteht in Echtzeit und erlaubt z B die Betrachtung der Warmebewegung einzelner Fremdatome auf der Spitze Auch das Rastertunnelmikroskop ist ein Gerat das einzelne Atome an der Oberflache eines Korpers sichtbar macht Es verwendet den Tunneleffekt der es Teilchen erlaubt eine Energiebarriere zu passieren die sie nach klassischer Physik nicht uberwinden konnten Bei diesem Gerat tunneln Elektronen durch einen nur Nanometer breiten Spalt zwischen einer elektrisch leitenden Spitze und der elektrisch leitenden Probe Bei Seitwartsbewegungen zur Abrasterung der Probe wird die Hohe der Spitze so nachgeregelt dass immer derselbe Strom fliesst Die Bewegung der Spitze bildet die Topographie und Elektronenstruktur der Probenoberflache ab Da der Tunnelstrom sehr stark vom Abstand abhangt ist die laterale Auflosung viel feiner als der Radius der Spitze manchmal atomar 33 34 Eine tomographische Atomsonde erstellt ein dreidimensionales Bild mit einer Auflosung unterhalb eines Nanometers und kann einzelne Atome ihrem chemischen Element zuordnen 59 Aufbauend auf einer um 2010 entwickelten Atom Licht Schnittstelle ist es 2020 gelungen Fotos einzelner Atome zu machen die weniger als einen Tausendstel Millimeter uber einer lichtleitenden Glasfaser schweben Dadurch ist es unter Laborbedingungen nun moglich Effekte wie die Absorption und Aussendung von Licht kontrollierter als bisher zu untersuchen Dies kann bei der Entwicklung neuartiger optischer Glasfaser Netzwerke helfen 60 LiteraturHans Werner Kirchhoff Vorstellungen vom Atom 1800 1934 Aulis Verlag Deubner 2001 ISBN 3 7614 2300 4 Richard Feynman Robert B Leighton Matthew Sands Vorlesungen uber Physik Band I III Oldenbourg 1991 Wolfgang Demtroder Atome Molekule und Festkorper 3 Auflage Springer 2005 ISBN 3 540 21473 9 Richard Feynman Six Easy Pieces The Penguin Group 1995 ISBN 0 14 027666 1 Oskar Hofling Pedro Waloschek Die Welt der kleinsten Teilchen Rowohlt 1984 ISBN 3 498 02862 6 Jeremy I Pfeffer Shlomo Nir 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