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Jegliche Materie um Dich herum besteht aus kleinen Einheiten, den Atomen. Ihr Aufbau, ihre Anzahl und ihre Anordnung bestimmt wesentlich die Eigenschaften von verschiedenen Stoffen. Doch wie genau ist eigentlich ein Atom aufgebaut?
Im Verlauf der Geschichte gab es immer wieder neue Hypothesen über den Aufbau der Atome. Diese Hypothesen nennst Du Modelle. In der Physik ist ein Modell eine vereinfachte Abbildung der oftmals viel zu komplexen Realität. Sie beinhalten die wichtigsten Eigenschaften eines Objekts oder Vorgangs und lassen dabei weniger wichtige Details aus.
Unter einem Atommodell verstehst Du ein vereinfachtes Schema über den Aufbau der Atome und der Anordnung ihrer Bestandteile.
Mehr dazu findest Du in der Erklärung Atommodell.
Dabei erhebt ein Atommodell keinen Anspruch auf Vollständigkeit oder absolute Korrektheit, sondern versucht eine gute Annäherung an die Realität zu sein. Modelle stützen sich dabei auf den neusten Stand der Wissenschaft und können mit immer neuen Erkenntnissen im Laufe der Zeit verbessert werden.
Die Vorstellung, dass unsere Welt aus kleinsten Teilchen aufgebaut ist, entwickelte sich bereits im antiken Griechenland. Der Naturphilosoph Leukipp und sein Schüler Demokrit postulierten, dass jegliche Materie aus winzigen, unteilbaren Einheiten besteht. Diese Einheiten sollten verschiedene Formen und Größen haben und unterschiedlich kombiniert werden können.
Um 1803 griff der Physiker John Dalton diese Hypothese erneut auf und verfeinerte sie. Laut Dalton besteht Materie aus kleinen, kugelförmigen Teilchen: den Atomen – nach dem griechischen Wort atomos für unteilbar.
Diese Atome haben unterschiedliche Massen und Größen, wobei die Teilchen desselben Elements immer identisch und unveränderlich sind. Diese liegen in verschiedenen Stoffen unterschiedlich kombiniert vor und es gibt genauso viele Atomarten wie Elemente.
Nach Daltons Atommodell besteht Materie aus kleinen, unteilbaren Teilchen, den Atomen. Je nach Element unterscheiden sich diese in Form und Größe.
Das Atommodell nach Dalton bildet die Grundlage für das Stoffteilchenmodell. Dieses wird heute noch unter anderem genutzt, um zum Beispiel die Aggregatzustände einfach zu erklären. Mehr dazu findest Du in der Erklärung zum Stoffteilchenmodell.
Mithilfe dieses ersten Atommodells stellte er eine Theorie zur Erklärung chemischer Reaktionen auf. Mehr dazu kannst Du in der Erklärung Dalton Atommodell lesen. Damit begann die wissenschaftliche Geschichte der Atome und ihres Atomaufbaus.
Im Laufe der folgenden hundert Jahre wurde ersichtlich, dass Atome keineswegs unteilbar sind, sondern kleine, negativ geladene Teilchen enthalten: die Elektronen.
Da Atome nach außen hin neutral geladen sind, stellte der Physiker Joseph Thomson ein Atommodell auf, das heute als Rosinenkuchen-Modell bekannt ist. Dieses siehst Du auf der obigen Skizze (Abbildung 2). Er vermutete, dass die Elektronen in die positive Masse des Atoms eingebettet sind, genau wie Rosinen in einem Kuchen.
Nach dem Atommodell von Thomson besteht ein Atom aus Elektronen, eingebettet in eine positive Ladungssphäre.
Die negative Ladung der Elektronen und die positive Masse des Atoms gleichen sich aus. Dabei ging Thomson fälschlicherweise davon aus, dass die gesamte Masse des Atoms von den Elektronen stammt, während die positive Ladung masselos ist.
Da dieses Atommodell von Thomson in der Realität nicht stabil ist, entwickelte der japanische Physiker Nagaoka Hantarō das sogenannte planetarische Atommodell (auch Saturnmodell). Nach diesem gibt es einen positiven Atomkern, um den die Elektronen kreisen, wie Planeten um die Sonne.
Ernest Rutherford verfeinerte 1911 dieses Modell und zeigte, dass der positive Kern winzig klein ist im Vergleich zum gesamten Atom, obwohl er gleichzeitig den überwiegenden Teil der Masse ausmacht.
Das rutherfordsche Atommodell beschreibt den Aufbau von Atomen als einen massereichen, positiven Kern, der von Elektronen in einer Atomhülle umgeben ist.
Der Nachweis gelang ihm über die Ablenkung von beschleunigten Alphateilchen an einer dünnen Goldplatte. Mehr zu diesem sogenannten rutherfordschen Streuversuch findest Du in der Erklärung Rutherford Atommodell.
Das Problem mit dem Atommodell nach Rutherford war die Bewegung der Elektronen: nach den bekannten physikalischen Gesetzen würden die Elektronen bei ihren Kreisbahnen um den Atomkern immer mehr Energie emittieren, bis sie schließlich in den Kern stürzen würde. Das Modell musste also verbessert werden.
Der Physiker Niels Bohr stellte deshalb die Theorie auf, dass sich Elektronen im Atom nur auf ganz bestimmten Bahnen (auch Schalen) im Atom aufhalten können. Elektronen auf einer gewissen Schale haben ganz bestimmte Energien, weshalb diese Schalen auch diskrete Energieniveaus genannt werden. Eine Skizze zu diesem Atommodell siehst Du auf der obigen Abbildung 4.
In diesem Schalenmodell oder auch Bohrsches Atommodell genannt, werden die Schalen von Innen nach Außen alphabetisch nummeriert, wobei Du mit dem Buchstaben K beginnst. In jeder Schale kann sich nur eine gewisse maximale Anzahl \(A_{e}\) an Elektronen befinden.
Nach dem Bohrschen Atommodell bewegen sich Elektronen auf festgelegten Bahnen (Schalen) um den Atomkern, die den diskreten Energieniveaus der Elektronen entsprechen. In jeder Schale können sich nur eine bestimmte Zahl von Elektronen befinden.
Das Bohrsche Atommodell beruht dabei auf drei Postulaten und berücksichtigte erstmals die Quantenmechanik in einem Atommodell.
Seitdem die Existenz von Atomen erstmals vorgeschlagen wurde, hat sich dieses mit immer neuen Technologien und Erkenntnissen weiterentwickelt. Das heute aktuellste Atommodell ist das Orbitalmodell, in dem Elektronen anhand ihrer Wellenfunktion beschrieben werden. Diese quantenmechanische Beschreibung des Atomaufbaus ist allerdings mathematisch sehr kompliziert, weshalb oft die einfachere Version – das Kugelwolkenmodell – verwendet wird.
Wie Du auf der obigen Abbildung siehst, befinden sich kugelförmige Gebilde ("Wolken") um den positiven Kern herum angeordnet. Diese Kugelwolken, auch Elektronenwolken, bilden die Aufenthaltsräume für Elektronen. Einfach erklärt bedeutet dies, dass Du dort die Elektronen mit größter Wahrscheinlichkeit finden wirst.
Im Kugelwolkenmodell befinden sich Elektronen in ganz bestimmten Aufenthaltsräumen (Kugelwolken) um den Atomkern. Das Kugelwolkenmodell ist eine Vereinfachung des Orbitalmodells.
Die Anzahl an Wolken und in ihnen befindlichen Elektronen, sowie die räumliche Anordnung der Wolken ist genau festgelegt. Wie genau Du dies berechnen kannst, findest Du in der Erklärung zum Kugelwolkenmodell.
Von der Idee, dass unsere Welt aus kleinsten Bausteinen besteht bis hin zu wissenschaftlich fundierten Modellen, hat sich die Theorie des Atomaufbaus ständig verbessert. Die folgende Abbildung gibt Dir noch einmal einen kurzen Überblick über die Geschichte des Atommodells.
Die größte Entwicklung des Atommodells geschah also Anfang des 20. Jahrhunderts. Auffällig dabei ist, dass sich die einzelnen Modelle besonders auf die Rolle der Elektronen im Atomaufbau fokussieren.
Anhand der verschiedenen Atommodelle konntest Du bereits sehen, dass sich ein Atom grundlegend in zwei übergeordnete Strukturen einteilen lassen: den Atomkern und die Atomhülle.
Die Atomhülle bildet den äußeren Bereich des Atoms, sie ist negativ geladen und macht den größten Teil des Gesamtdurchmessers des Atoms aus. In der Atomhülle befinden sich die Elektronen.
Als Atomhülle bezeichnest Du den Aufenthaltsbereich der Elektronen. Die Atomhülle besitzt eine negative Ladung und nimmt den größten Teil des Atomdurchmessers ein.
Mehr zur Atomhülle findest Du auch in der gleichnamigen Erklärung.
Die negative Ladung der Atomhülle stammt von den Elektronen. Jedes Elektron besitzt dabei die negative Elementarladung \(e\):
$$\begin{align}q_{elektron} &= - 1e \\ \\q_{elektron} &= - 1,6 \cdot 10^{-19} \; C\end{align}$$
Die Ruhemasse von Elektronen liegt dabei bei:
$$m_{elektron} = 9,12 \cdot 10^{-31} kg$$
Die Elektronen sind so klein, dass sie in den Bereich der Quantenmechanik fallen. Ihr Verhalten und ihre Eigenschaften widersprechen deshalb häufig alltäglichen Erfahrungen. Gerade auch deshalb werden in der Physik Modelle verwendet.
Im Inneren des Atoms befindet sich, umgeben von der Atomhülle, der Atomkern. Dieser ist positiv geladen und macht über 99% der Gesamtmasse des Atoms aus. Gleichzeitig ist er im Vergleich zum ganzen Atom winzig klein:
Wäre ein Atom so groß wie ein Fußballfeld, dann wäre der Kern etwa so groß wie ein Reiskorn in der Mitte des Feldes.
Der Atomkern ist positiv geladen und setzt sich aus zwei subatomaren Teilchen zusammen: dem Proton und dem Neutron. Die Anzahl der beiden Kernteilchen zusammen gibt Dir die Massenzahl an.
Als Atomkern bezeichnest Du den Bereich im Atom, in dem sich die Protonen und Neutronen befinden. Er hat eine positive Ladung und macht 99% der Gesamtmasse des Atoms aus. Die genaue Anzahl an Kernteilchen (Nukleonen) erfährst Du durch die sogenannte Massenzahl \(A\).
Alles Wichtige zum Atomkern findest Du in der gleichnamigen Erklärung.
Die Massenzahl \(A\) steht oben rechts vor dem jeweiligen Elementsymbol X eines jeweiligen Atoms: \(\ce{^{A}_{}X}\).
Protonen sind Teilchen mit derselben Elementarladung wie Elektronen, allerdings mit positivem Ladungsvorzeichen \(q_{p} = +1e\). Da sich in einem Atom genauso viele Protonen wie Elektronen befinden, gleichen sich ihre Ladungen aus: nach außen hin haben Atome also eine neutrale Ladung.
Ein Element ist dabei über die genaue Anzahl seiner Protonen im Kern definiert. Diese Anzahl heißt Kernladungszahl \(Z\) und steht in der Formelschreibweise unten vor dem Elementsymbol.
So ist ein Atom mit 8 Protonen im Kern (und 8 Elektronen in der Atomhülle) immer ein Sauerstoffatom \(\ce{^{16}_{8}O}\). Atome mit einem Proton nennst Du Wasserstoff \(\ce{^{1}_{1}H}\) und bei 79 Atomen sprichst Du von Gold \(\ce{^{196}_{79}Au}\) .
Die maximale Anzahl an Protonen ist physikalisch begrenzt. Generell sind Atome mit höherer Zahl an Kernteilchen instabiler und zerfallen sehr schnell, mehr dazu in der Erklärung zum Kernzerfall. Das Element mit der höchsten bekannten Anzahl an Protonen im Kern ist Oganesson mit 118 Protonen.
Protonen sind etwa 2000 Mal so groß wie Elektronen und ihre Masse liegt bei:
$$m_{proton} = 1,673 \cdot 10^{-27} \;kg = 1\;u$$
Dabei steht \(u\) für die atomare Masseneinheit. Die zweite Art von Kernteilchen sind die Neutronen.
Ein Neutron besitzt ungefähr dieselbe Masse wie ein Proton, von etwa einer atomaren Masseneinheit \(u\). Im Unterschied zu diesen haben Neutronen allerdings eine elektrisch neutrale Ladung.
Die Anzahl der Neutronen in einem Element kann variieren. Atome mit selber Anzahl an Protonen, aber unterschiedlicher Neutronenzahl nennst Du Isotope eines Elements. Das Element Kohlenstoff \(C\) existiert beispielsweise in 15 bekannten Isotopen, diese besitzen jeweils 6 Protonen und zwischen 2 und 16 Neutronen.
Von diesen Kohlenstoffisotopen sind jedoch nur 2 stabil. Die anderen zerfallen nach einer gewissen Halbwertszeit. Mehr dazu erfährst Du in den Erklärungen zum Kernzerfall und der Halbwertszeit.
Du findest die Anzahl der Neutronen anhand der Massenzahl A heraus. Dazu ziehst Du einfach die Kernladungszahl Z von der Massenzahl A ab.
Die folgende Tabelle gibt Dir einen kurzen Überblick über die wichtigsten Eigenschaften und Größenverhältnisse der Atome und ihrer Bausteine.
| Elektron | Proton | Neutron | |
| Ladung | \(- 1e = - 1,6 \cdot 10^{-19} \;C\) | \(+ 1e = + 1,6 \cdot 10^{-19} \;C\) | \( 0 e\) |
| Masse | \(9,12 \cdot 10^{-31}\; kg\) | \( 1\;u = 1,673 \cdot 10^{-27}\; kg\) | \(1\;u = 1,673 \cdot 10^{-27} \;kg\) |
| Durchmesser | \(< 1 \cdot 10^{-19}\; m\) | \(1,7 \cdot 10^{-15}\; m\) | \(1,7 \cdot 10^{-15} \;m\) |
Der Durchmesser von Elektronen ist aufgrund ihrer quantenmechanischen Eigenschaften und der Grenze des heute technisch Messbaren schwer zu bestimmen. Es wird davon ausgegangen, dass sie kleiner als der in der Tabelle angegebene Wert sind.
Lange Zeit wurde angenommen, dass diese drei Teilchen die kleinsten Einheiten der Materie sind. Doch stimmt das wirklich?
In den 50er- und 60er-Jahren des 20. Jahrhunderts postulierten einige Physiker die Existenz von noch kleineren Teilchen, aus denen die Nukleonen zusammengesetzt sind: die Elementarteilchen.
Als Elementarteilchen bezeichnest Du die kleinsten bekannten Bausteine der Materie. Sie sind im Standardmodell der Elementarteilchen zusammengefasst.
Mehr zu den Elementarteilchen und dem Standardmodell findest Du in den gleichnamigen Erklärungen.
Die Elektronen in der Atomhülle gehören zum Standardmodell der Elementarteilchen, genauer gesagt zur Untergruppe der Leptonen. Das bedeutet, dass sie (soweit bekannt) selbst nicht aus kleineren Einheiten zusammengesetzt sind.
Protonen und Neutronen sind dagegen aus kleineren Elementarteilchen, den sogenannten Quarks zusammengesetzt. Dies siehst Du auch auf der obigen Skizze (Abbildung 8).
Alles, was Du zu Quarks und Leptonen wissen möchtest, findest Du in den gleichnamigen Erklärungen.
Protonen bestehen aus zwei Up-Quarks und einem Down-Quark, Neutronen setzten sich aus zwei Down-Quarks und einem Up-Quark zusammen.
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