Periodensystem
Atome als Bausteine des Universums

Goldmünze
Au
Viele Goldatome: Goldmünze
1 Goldatom
 
Atome stellen die Aufbausteine für die Vielfalt der chemischen Verbindungen, der Salze, der Moleküle und für die gesamte Welt der stofflichen Gebilde dar. Jedes Element des Periodensystems besteht immer aus Atomen einer Sorte: In reinem Gold befinden sich nur Goldatome, die auch zählbar sind und eine bestimmte Masse besitzen. Da noch niemand Goldatome gesehen hat, werden für die Atome Symbole eingeführt. Die Atome selbst wiederum sind aus ihren Komponenten, den Elementarteilchen, aufgebaut. Und diese wieder aus den Quarks. Neben den drei genannten Elementarteilchen sind weitere bekannt, die aber am Aufbau eines Atoms im Hinblick auf die Masse keine wesentliche Rolle spielen:

Name
Abkürzung (Ladung)
Ort
Ruhemasse
Proton
p+
Atomkern
1,6724 x 10-24 g
Neutron
n (keine)
Atomkern
1,6748 x 10-24 g
Elektron
e-
Atomhülle
9,109 x 10-28 g
 
 
Insofern kann jede Systemebene, der Stoff, das Atom und das Elementarteilchen als eigenständiges System betrachtet werden. Dieses Prinzip lässt sich fortführen bis zum Universum. 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 hat Masse, Raumsymmetrie (aber nicht Volumen!), Energie und Komposition. Die Eigenschaften eines Atomsystems ist nicht reduzierbar auf seine Komponenten. So lässt sich der Begriff Farbe, beispielsweise von goldgelber Farbe nicht auf die Atome beziehen. Bei Atomen von Farbe zu sprechen ist irrelevant. Erst eine bestimmte Art des Zusammenspiels von Systemen, Komponenten und Kräften erzeugt für uns Menschen den Farbeindruck goldgelb. Im Periodensystem sind die Elemente in aufsteigender Reihenfolge nach der Zahl der Protonen in ihren Atomen geordnet.

1 Wasserstoffatom hat 1 Proton (Wasserstoff: Ordnungszahl 1)
1 Heliumatom hat 2 Protonen (Helium: Ordnungszahl 2)
1 Lithiumatom hat 3 Protonen (Lithium: Ordnungszahl 3), usw.

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

Ordnungszahl  =  Protonenzahl  =  Elektronenzahl

Zur besseren Übersicht werden die Zahlen der Elementarteilchen links neben die einzelnen Elementsymbolen geschrieben. Ein C-Atom besitzt 6 Protonen im Atomkern und 6 Elektronen in der Atomhülle. Die Zahl links nach oben versetzt wird auch als Massenzahl bezeichnet. Sie gibt an, wie viele Kernteilchen (Nukleonen) in einem Atom des jeweiligen Elements enthalten sind. Die Zahl links nach unten versetzt gibt gleichzeitig die Ordnungszahl (auch Kernladungszahl), die Protonenzahl und die Elektronenzahl des jeweiligen Atoms an.

Kohlenstoff

Da die Elektronen im Vergleich zu den Kernteilchen eine verschwindend geringe Masse besitzen, können sie vernachlässigt werden. Daher gilt auch:
 
Neutronenzahl  =  Massenzahl  -  Protonenzahl

Die Elemente 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 Elemente 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 komponieren nur die Körper.
1808, >John Dalton Jedes Element besteht aus gleichartigen Atomen, bzw. "letzten Teilchen", die in einem relativen Gewicht zueinander stehen. 
1814, >Jöns Jakob Berzelius Genauere Bestimmung der Atommassen ("Atomgewichtstabelle") im Vergleich zu Dalton.
1832, >Michael Faraday Elektrolyseexperimente, Einführung des Ionenbegriffs
1858, Stanislao Cannizaro Präzisierung des Molekülbegriffs (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, Ludwig 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).
1920iger 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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