Wie sehen wir die verborgene Struktur der Atome?

Struktur des Atoms

Geschichte und Entdeckung des Atoms

Alles, was wir sehen, besteht aus Atomen, vielen Atomen – vom griechischen Wort "atomos" (unteilbar). Vor langer Zeit, im 4. Jahrhundert v. Chr., stellten die griechischen Philosophen Leukipp und Demokrit die Hypothese auf, dass alle Materie aus winzigen Teilchen besteht, die sich in ewiger Bewegung befinden, sehr fest und ewig sind. Heute haben wir eine etwas genauere Vorstellung vom Atom, denn es ist nicht unteilbar.

Seine ungefähre Größe ist seit 1811 bekannt, als Amedeo Avogadro die Größe der Atome auf 10^-10 Meter schätzte. Im Jahr 1911 präzisierte Ernest Rutherford die Struktur des Atoms und gab dem Atomkern eine Größe in der Größenordnung von 10^-14 Metern.

Größe, Masse und Zusammensetzung des Atoms

Was die Größe der Atome betrifft, spricht man von Atomorbitalen, d.h. der Elektronenwolke, die den Kern umgibt. Diese Wolke hat einen theoretischen Durchmesser zwischen 62 pm (Pikometer) für das Heliumatom und 596 pm für das Cäsiumatom. Nichts ist einfach in der Natur der Materie, und dieser winzige Abstand variiert je nach chemischer Natur der umgebenden Atome.

Obwohl der Kern den größten Teil der Masse des Atoms (99,99 %) konzentriert, ist auch seine Masse bekannt; für stabile Atome liegt sie zwischen 1,674×10^-24 g für Wasserstoff und 3,953×10^-22 g für Uran.

Auch seine Zusammensetzung ist bekannt: Im Inneren sehen wir einen Kern und eine Elektronenwolke, die den gesamten räumlichen Bereich des Atoms einnimmt, da sie etwa 100.000-mal größer ist als ihr Kern. Noch erstaunlicher ist, dass wir sogar die Größenordnung der Anzahl der Atome im beobachtbaren Universum kennen: Sie wird auf etwa 10⁸⁰ geschätzt, d.h. eine 1 mit 80 Nullen – ein Wert, der sich aus der Kombination der geschätzten Anzahl von Sternen (etwa 10²³) und ihrer durchschnittlichen Masse, umgerechnet in eine äquivalente Anzahl von Wasserstoffatomen, ergibt.

Die Stabilität der Atome

Das Paradoxon der klassischen Physik

Die Stabilität des Atoms lässt sich nicht durch die klassische Physik erklären, denn in der klassischen Physik werfen das Elektron als korpuskulares, negativ geladenes Teilchen und das Proton mit positiver Ladung ein Paradoxon auf.

In der klassischen Physik müsste die Materie verschwinden, sich vernichten, denn ein Elektron, das um einen Kern strahlt, verliert Energie (Maxwellsche Theorie) und müsste daher auf den Kern fallen. Das bedeutet, dass die Stabilität eines Atoms im Rahmen der klassischen Theorie unverständlich ist.

Die Lösung der Quantenmechanik

Die wissenschaftlichen Genies des 20. Jahrhunderts lösten dieses Paradoxon im Jahr 1924 dank der Wellenmechanik von Louis de Broglie (1892-1987), die 1926 von Erwin Schrödinger (1887-1961), Nobelpreis für Physik 1933 zusammen mit Paul Dirac (1902-1984), für die Wellengleichung, die Schrödinger-Gleichung, verallgemeinert wurde.

In der Quantenmechanik ist es nicht möglich, den Wert eines Parameters genau zu kennen, ohne ihn zu messen. Die mathematische Theorie beschreibt einen Zustand nicht durch ein genaues Paar von Geschwindigkeit und Position, sondern durch eine Wellenfunktion (Zustandsvektor), die es erlaubt, die Wahrscheinlichkeit zu berechnen, das Teilchen an einem bestimmten Punkt zu finden. Daher der probabilistische Charakter der Quantenmechanik, die vorhersagt, dass Teilchen auch Wellen sind und nicht nur materielle Punkte.

Orbitale und chemische Bindungen

Die Elektronen besetzen Atomorbitale in Wechselwirkung mit dem Kern über die elektromagnetische Kraft, während die Nukleonen im Kern durch die Kernbindung zusammengehalten werden.

Die Elektronenwolke ist in quantisierte Energieniveaus um den Kern herum geschichtet, die Elektronenschalen und -unterschalen definieren. Auch die Nukleonen verteilen sich auf Kernschalen, obwohl ein recht praktikables Modell die Kernstruktur nach dem Tröpfchenmodell popularisiert.

Mehrere Atome können über ihre Elektronen chemische Bindungen miteinander eingehen, und im Allgemeinen werden die chemischen Eigenschaften der Atome durch ihre Elektronenkonfiguration bestimmt, die sich aus der Anzahl der Protonen in ihrem Kern ergibt. Diese Zahl, die Ordnungszahl genannt wird, definiert ein chemisches Element.

Sichtbare Goldatome

Beobachtung von Goldatomen mit dem Rastertunnelmikroskop

Ganz nah an der Materie wird die Oberfläche eines reinen Goldblättchens (Au 100) hier mit einem Rastertunnelmikroskop detailliert dargestellt. Die auf diesem Bild sichtbaren Goldatome sind auf der kristallinen Struktur des Goldes regelmäßig angeordnet. Dieses Atomabbild wurde mit einem tiefgekühlten Omicron-STM von Erwin Rossen, Eindhoven University of Technology, im Jahr 2006 aufgenommen.

Die historische Meisterleistung von IBM: Mit Atomen schreiben

Atome zu sehen ist eine Sache; sie einzeln zu bewegen eine andere. Das bewiesen die Physiker Donald Eigler und Erhard Schweizer vom IBM-Forschungszentrum Almaden in Kalifornien im November 1989. Mit der Spitze eines Rastertunnelmikroskops als atomare Pinzette bewegten sie einzeln 35 Xenonatome auf einer auf 4 Kelvin (d.h. -269 °C) gekühlten Nickeloberfläche, um die drei Buchstaben "IBM" zu formen. Die mühsame Operation dauerte etwa 22 Stunden. Das so erhaltene Logo war nur 5 Nanometer hoch und 17 Nanometer breit – etwa 500.000-mal kleiner als normale Druckbuchstaben. 1990 in der Zeitschrift Nature veröffentlicht, wurde dieses Bild zum Symbol für die Geburt der Nanowissenschaften: Es bewies, dass das Rastertunnelmikroskop nicht nur Atome beobachten, sondern sie auch manipulieren und buchstäblich mit der elementarsten Materie bauen konnte. Diese Technik der atomaren Manipulation bleibt heute ein Laborwerkzeug und kein industrielles Herstellungsverfahren, da die erforderlichen Bedingungen (Hochvakuum, temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt) für die Massenproduktion zu aufwendig sind.

Über das STM hinaus: Rasterkraftmikroskopie und neuere Fortschritte

Das Rastertunnelmikroskop (STM) hat eine Einschränkung: Es benötigt eine leitfähige Oberfläche, da es einen Strom von Elektronen misst, die zwischen der Spitze und der Probe „tunneln“. Um isolierende Materialien oder einzelne Moleküle zu untersuchen, verwenden die Forscher eine 1986 entwickelte ergänzende Technik: die Rasterkraftmikroskopie (AFM), die nicht einen Strom, sondern die Wechselwirkungskraft zwischen einer ultradünnen Spitze und den Atomen der Oberfläche misst, wodurch praktisch jedes Material untersucht werden kann.

Seit Mitte der 2010er Jahre haben diese Techniken einen großen Sprung nach vorne gemacht. Im Jahr 2023 nutzte ein Forschungsteam die AFM, um direkt die Signatur von Elektronenorbitalen einzelner Metallatome in organischen Molekülen zu beobachten – eine Meisterleistung, die auf der Skala eines einzelnen Atoms die seit einem Jahrhundert von der Schrödinger-Gleichung vorhergesagten Formen bestätigt. Im selben Jahr entwickelte ein anderes Team eine Technik auf der Grundlage der Rastertransmissionselektronenmikroskopie (STEM), die die Elektronendichte auf atomarer Skala in zweidimensionalen Materialien kartieren kann. Diese Messungen bleiben indirekt – wir „fotografieren“ ein Elektron nicht wie ein gewöhnliches Objekt –, aber sie bringen die theoretische Quantenphysik jedes Jahr ein Stück näher an die direkte Beobachtung.

Größe der Atome

Atomradien der Elemente

Theoretischer (berechneter) Atomradius einiger Atome (die Größe wird in Pikometern (10^-12 Meter) angegeben). Der Atomradius ist die Hälfte des Abstands zwischen den Kernen zweier benachbarter Atome. Die in dieser Tabelle angegebenen Werte sind nur Richtwerte.