Atome verstehen: Eine Erforschung ihrer verborgenen Struktur

Beschreibung des Bildes: Darstellung der atomaren Struktur des Helium-4-Atoms. Aus Gründen der besseren Lesbarkeit ist das obige Bild nicht maßstabsgetreu. In der Mitte erscheint in Rosa der Atomkern und rundherum in Grautönen die elektronische Wolke bzw. das Atomorbital. Der Helium-4-Kern ist schematisch vergrößert und zeigt die beiden Protonen und zwei Neutronen in Rot und Lila. Seine Größe beträgt 1 Femtometer oder 10-15 Meter. In Wirklichkeit ist der Kern (und die Wellenfunktion jedes Nukleonen) ebenfalls kugelförmig, wie die Elektronen im Atom. Bildquelle: Public Domain.

Struktur des Atoms

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

Seine ungefähre Größe kennen wir seit 1811, Amedeo Avogadro schätzt die Größe der Atome auf 10^-10Meter. Im Jahr 1911 klärte Ernest Rutherford die Struktur des Atoms und gab dem Atomkern eine Größe in der Größenordnung von 10 an^-14Meter.

Bezüglich der Größe von Atomen spricht man von Atomorbitalen, also der Elektronenwolke, die den Atomkern umgibt. Diese Wolke hat einen theoretischen Durchmesser zwischen 62 Uhr (Pikometer) für das Heliumatom und 596 Uhr für das Cäsiumatom. In der Natur der Materie gibt es nichts Einfaches und dieser winzige Abstand variiert je nach chemischer Beschaffenheit der umgebenden Atome.

Obwohl der Kern den größten Teil der Masse des Atoms (99,99 %) konzentriert, kennen wir auch seine Masse, bei stabilen Atomen liegt sie zwischen 1,674×10^-24g für Wasserstoff und 3,953×10^-22g für Uran.

Wir kennen auch seine Zusammensetzung, im Inneren sehen wir einen Kern und eine elektronische Wolke, die die gesamte räumliche Ausdehnung des Atoms einnimmt, da sie mehr als 10.000 Mal größer als sein Kern ist. Noch erstaunlicher ist, dass wir sogar die Anzahl der Atome im Universum kennen. Diese Zahl ist außerordentlich groß. Wenn wir sie schreiben müssten, müssten wir eine 1 gefolgt von 72 Nullen schreiben.

Die Stabilität der Atome

Die Stabilität des Atoms kann nicht mit der klassischen Physik erklärt werden, da in der klassischen Physik das negativ geladene Korpuskularelektron und das positiv geladene Proton ein Paradoxon hervorrufen.

In der klassischen Physik sollte Materie verschwinden, sich selbst vernichten, weil ein Elektron, das um einen Kern strahlt, Energie verliert (Maxwells Theorie) und daher auf den Kern fallen sollte. Das bedeutet, dass die Stabilität eines Atoms im Rahmen der klassischen Theorie nicht nachvollziehbar ist.

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

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 Geschwindigkeits- und Ortspaar genau, sondern durch eine Wellenfunktion (Zustandsvektor), die es ermöglicht, die Wahrscheinlichkeit zu berechnen, das Teilchen an einem Punkt zu finden. Daher die probabilistische Natur der Quantenmechanik, die vorhersagt, dass Teilchen auch Wellen und nicht mehr nur materielle Punkte sind.

Elektronen besetzen Atomorbitale und interagieren über elektromagnetische Kraft mit dem Kern, während Nukleonen durch Kernbindungen im Kern zusammengehalten werden.

Die Elektronenwolke ist um den Kern herum in quantisierte Energieniveaus geschichtet, die elektronische Schichten und Unterschichten definieren. Nukleonen sind auch in Kernschichten verteilt, obwohl ein recht praktisches Modell die Kernstruktur nach dem Flüssigkeitstropfenmodell populär macht.

Mehrere Atome können dank ihrer Elektronen chemische Bindungen zwischen sich eingehen, und im Allgemeinen werden die chemischen Eigenschaften von Atomen durch ihre elektronische Konfiguration bestimmt, die sich aus der Anzahl der Protonen in ihrem Kern ergibt. Diese Zahl, Ordnungszahl genannt, definiert ein chemisches Element.

Sichtbare Goldatome

So nah wie möglich am Material wird hier die Oberfläche eines Blattes aus reinem Gold (Au 100) mit einem Rastertunnelmikroskop detailliert dargestellt. Die in diesem Bild sichtbaren Goldatome sind in der Kristallstruktur des Goldes regelmäßig voneinander entfernt. Dieses Atombild wurde 2006 von Erwin Rossen, Technische Universität Eindhoven, mit einem Niedertemperatur-STM Omicron erstellt.

Atomgröße

Theoretischer (berechneter) Atomradius bestimmter Atome (Größe wird in Pikometern angegeben (10).^-12Meter). Der Atomradius ist der halbe Abstand zwischen den Kernen zweier benachbarter Atome. Die in dieser Tabelle angegebenen Werte sind nur Richtwerte.