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Atome als Bausteine des Universums

Goldmünze
Au
Viele Gold-Atome: Gold-Münze
1 Gold-Atom
 
Atome stellen die Aufbausteine für die Vielfalt der chemischen Verbindungen, der Salze, der Moleküle und für die gesamte Welt der Stoffe dar. Reines Gold ist zum Beispiel nur aus Gold-Atomen aufgebaut. Da noch niemand Gold-Atome gesehen hat, werden für die Atome Symbole eingeführt. Die Atome selbst wiederum sind aus ihren Komponenten, den Elementarteilchen, aufgebaut, und diese wiederum aus den Quarks. Neben den drei Elementarteilchen Protonen, Neutronen und Elektronen sind weitere bekannt, die aber am Aufbau eines Atoms im Hinblick auf die Masse keine wesentliche Rolle spielen. Die Protonen und Neutronen im Atomkern werden als Nukleonen bezeichnet. Die Summe aller Nukleonen in einem Atom ergibt die Nukleonenzahl.


Name
Abkürzung (Ladung)
Ort
Ruhemasse
Proton
p+
Atomkern
1,6724 × 10−24 g
Neutron
n (keine)
Atomkern
1,6748 × 10−24 g
Elektron
e Atomhülle
9,109 × 10−28 g
  
  
Es kann jede System-Ebene - der Stoff, das Atom und das Elementarteilchen - als eigenständiges System betrachtet werden. Dieses Prinzip lässt sich auch in der sichtbaren Welt bis zum Universum fortführen. Die Elementarteilchen bauen die Atome, die Atome die Moleküle, die Moleküle die Zellen auf, usw.:
 
Dimensionen
 

Ein Atom hat nur sehr wenige Eigenschaften, die mit den Begriffen aus der Erfahrungswelt beschrieben werden können. Es ist zählbar, hat Masse, Raumsymmetrie (aber nicht Volumen!) Energie und Komposition. Die Eigenschaften eines Stoffes ist nicht reduzierbar auf dessen Komponenten: Gold-Atome haben keine Farbe. Erst eine bestimmte Art des Zusammenspiels von Komponenten und Kräften im System erzeugen den Glanz und den Farbeindruck goldgelb.

Im Periodensystem sind die elementaren Atome in aufsteigender Reihenfolge nach der Zahl der Protonen in ihren Atomen geordnet.


1 Wasserstoff-Atom hat 1 Proton (Wasserstoff: Ordnungszahl 1)
1 Helium-Atom hat 2 Protonen (Helium: Ordnungszahl 2)
1 Lithium-Atom hat 3 Protonen (Lithium: Ordnungszahl 3)

...


Die positive Ladung der Protonen im Atomkern wird durch die negative Ladung der Elektronen ausgeglichen. Das Element Nr. 1, Wasserstoff besitzt immer 1 Proton und 1 Elektron, es gilt:

Ordnungszahl = Protonenzahl = Kernladungszahl = Elektronenzahl = Elementnummer im PSE

Ein C-Atom besitzt 6 Protonen und 6 Neutronen im Atomkern und 6 Elektronen in der Atomhülle. Die Nukleonenzahl beträgt 12. Häufig wird die Nukleonenzahl über die Protonenzahl links neben das einzelne Elementsymbol geschrieben. Diese Schreibweise empfiehlt sich aber auf keinen Fall für das Periodensystem, weil die Nukleonenzahl sonst mit der relativen Atommasse verwechselt werden kann.


Die Zahl links oben, die Massenzahl oder Nukleonenzahl gibt an, wie viele Nukleonen in einem Atom enthalten sind.
 
Die Zahl links unten gibt gleichzeitig die Ordnungszahl, die Kernladungszahl, die Protonenzahl und die Elektronenzahl an.
Schreibweisen für das kohlenstoffisotop C-12


Bei der Schreibweise für die Isotope wird die Zahl links unten oft auch weggelassen. Man kann auch einfach nur C-12 mit einem Bindestrich schreiben. Da die Elektronen im Vergleich zu den Kernteilchen eine verschwindend geringe Masse besitzen, spielen sie in der Gesamtmasse praktisch keine Rolle. Es gilt:
 
Neutronenzahl = Massenzahl Protonenzahl

Die elementaren Atome im Periodensystem sind mit steigender Ordnungszahl von links nach rechts in mehreren Perioden angeordnet. Da die Ordnungszahl der Protonenzahl und der Elektronenzahl entspricht, kann man auch sagen, dass die elementaren Atome mit steigender Protonen- oder Elektronenzahl angeordnet sind.


Die Entwicklung des Atombegriffs

Die Theorien zu den einzelnen Atomvorstellungen werden bei den Portraits über die entsprechenden Forscher oder bei den verlinkten Begriffen genauer ausgeführt.

Zeit, Name Theorie
um 400 v.Chr.,
Demokrit
"Átomos" wird bei Demokrit als ein universelles, philosophisches Prinzip gesehen, der Mensch als "ein Kosmos im Kleinen".
1789,
Antoine Lavoisier
Die „substances simples“ sieht Lavoisier als "éléments" (Element) oder "principes" (Uranfang), sie treten nicht sichtbar auf, sondern wirken als Prinzipien beim Aufbau der Körper.
1808,
John Dalton
Jedes Element besteht aus gleichartigen Atomen, den "letzten Teilchen", die in einem relativen Gewicht zueinander stehen. 
1814,
J. J. Berzelius
Genauere Bestimmung der Atommassen ("Atomgewichtstabelle") im Vergleich zu Dalton.
1832, Michael Faraday Elektrolyse-Experimente, Einführung des Ionenbegriffs.
1858,
Stanislao Cannizaro
Präzisierung des Molekül-Begriffs (Bezug auf Avogadro) und Unterscheidung von Atom und Molekül: "Die verschiedenen, in den verschiedenen Molekülen enthaltenen Mengen desselben Elements sind alle ganze Mehrfache einer gleichen Menge, welche, da sie immer als Ganzes auftritt, mit Grund Atom genannt werden muss."
1884,
Svante Arrhenius
Dissoziation in Salzlösungen: Beim Lösen von Kochsalz in Wasser bilden sich Ionen, also geladene Atome.
1896,
Henri Becquerel
Entdeckung der Radioaktivität: Uranerz (und Uran) senden eine Strahlung aus, die Fotoplatten schwärzt.
um 1900, Wilhelm Ostwald, L. Boltzmann Ostwald: Es gibt keine Atome, Materie ist ein reines Phänomen der Energie; Streit mit Ludwig Boltzmann und Max Planck, den Vertretern einer "Atomtheorie".
1908, Joseph John Thomson Thomsonsches Atommodell: Das Atom ist von einer positiv geladenen Wolke ausgefüllt, in der die Elektronen wie Rosinen verteilt sind.
1911,
Ernest Rutherford
Rutherfords Atommodell. Das Atom ähnelt einem Planetensystem, in dem die negativ geladene Elektronen um einen positiv geladenen Kern, den Protonen, kreisen. 
1913,
Niels Bohr
Bohrsches Atommodell: Die Elektronen laufen auf bestimmten Bahnen mit festgelegten Abständen um den Atomkern. Beim Abgeben oder Aufnehmen von Strahlung springen die Elektronen beim Wasserstoffatom zwischen diesen "Schalen".
1913, Frederick Soddy Theorie der Isotope
1916,
Arnold Sommerfeld
Verfeinerung des Bohrschen Modells, Aufklärung der Feinstruktur der Spektrallinien.
1916, G.N. Lewis Kovalente Bindung ("Atombindung", Elektronenpaarbindung).
1920er Jahre, Quantenphysik um Schrödinger,
Heisenberg,
Bohr,
Pauli,
u.a.
Aufgabe der anschaulichen Vorstellung von kreisenden Elektronen, stattdessen mathematisches Schema (Matrizenmechanik, Wellenmechanik). Bei Schrödinger "Materiewellen" statt kreisende Elektronen. Heisenbergs Unschärferelation: Zwei Messgrößen eines Elektrons wie Ort und Impuls lassen sich nicht gleichzeitig bestimmen.    
Komplementaritätsprinzip: Licht zeigt Teilchen und Wellenstruktur, es kommt auf die Betrachtungsweise an.   
Orbitalmodell (Schalenmodell): Immer zwei Elektronen eines Atoms halten sich in einem sogenannten Orbital auf. Damit ist der wahrscheinliche Aufenthaltsbereich der beiden Elektronen gemeint. 
1932,
James Chadwick
Entdeckung und Nachweis des Neutrons, dessen Existenz um 1920 schon von Rutherford vorhergesagt wurde.
1939,
Linus Pauling
Erscheinung der Resonanz bei Bindungselektronen, Hybridorbitalmodell, Elektronegativität, Wasserstoff-Brückenbindung.
1961, Murray Gell-Mann und Kazuhiko Nishijiama Entdeckung der Quarks.


Literaturhinweis   Buck/Rehm/Seilnacht: Der Sprung zu den Atomen



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