Atomgröße

Beschreibung des Bildes: Seit den 1990er Jahren dankTunnelmikroskopEs ist möglich, die Atome auf der Oberfläche eines Materials einzeln zu sehen und zu manipulieren. Um ein solches Bild zu erzeugen, tastet die sehr feine Spitze des Mikroskops die Oberfläche des Materials in einer Höhe von wenigen Nanometern ab und gibt dabei eine konstante elektrische Spannung ab. Indem es über die Atomorbitale fliegt, ist es in der Lage, winzige Variationen des auf der Oberfläche zirkulierenden Tunnelstroms aufzuzeichnen. An der Oberfläche des Materials gelingt es nur einem kleinen Elektronenfluss, die Potentialbarriere durch Tunneln zu überwinden, ein in der Quantenmechanik bekanntes Phänomen. Dieser elektrische Strom wird dann vom Mikroskop gemessen, das die Topographie der Oberfläche mit einer Auflösung in der Größenordnung von 0,1 Nanometer oder 1 Angström, also der Größe des Atoms, originalgetreu wiedergibt. Bildnachweis: STM Image Gallery Blue Nickel.

Sehen Sie ein Atom!

Das Atom ist das kleinste Teilchen eines chemischen Elements. Es besteht aus einem Kern, um den sich eine bestimmte Anzahl von Elektronen bewegt, 1 für Wasserstoff, 6 für Kohlenstoff, 26 für Eisen, 92 für Uran usw.

Es sind die Elektron-Elektron-Wechselwirkungen aufgrund ihrer erstaunlichen Quanteneigenschaften, die die große Vielfalt der Elemente entstehen lassen, die wir in der Natur finden. Die Organisation der Elemente der Natur wird durch das Periodensystem der Elemente oder Mendelejews Tabelle dargestellt, das alle natürlichen und künstlichen chemischen Elemente klassifiziert, geordnet nach zunehmender Ordnungszahl (Anzahl der Protonen) und nach ihrer elektronischen Konfiguration organisiert.

Die Welt der Elektronen gehört zur Quantenwelt der Atome, also zur mikroskopischen Welt. In 1 Gramm Materie wie Kohlenstoff-12 sind ≈10 enthalten²²Atome. Die ungefähre Größe von Atomen kennen wir seit 1811.Amedeo Avogadro(1776-1856) schätzte diese Größe auf 1 Angström, also 10^-10Meter und ein Jahrhundert später, im Jahr 1911Ernest Rutherford(1871-1937) legt die Struktur des Atoms fest und gibt dem Atomkern eine Größe in der Größenordnung von 10 an^-14Meter. Wir können sagen, dass die Atome einige Angström voneinander entfernt sind.

Elektronische Wolken

Seit dem Aufkommen der Quantenmechanik in den 1920er Jahren stellen wir uns das Elektron nicht mehr als ein Objekt vor, das sich in einer sehr regelmäßigen Umlaufbahn um den Kern dreht. Wir wissen jetzt, dass sich die Bewegung eines Elektrons stark von der Bewegung der Planeten unterscheidet. In der Quantenmechanik folgt das Elektron nicht einer einzigen Flugbahn, es befindet sich hier und da in einem Bereich um den Kern, den wir nennenelektronische CloudOderAtomorbital.

Die Orbitale des Elektrons können je nach Beschaffenheit des Atoms unterschiedliche charakteristische Formen annehmen, zum Beispiel hat das Orbital des Wasserstoffatoms eine Kugelform, das Orbital des Sauerstoffatoms hat die Form von zwei Wassertropfen, das Orbital des Eisenatoms hat die Form von vier Wassertropfen. Diese Form des Atomorbitals definiert die Größe des Atoms. Der Durchmesser der Elektronenwolke um den Kern, also der Durchmesser des gesamten Atoms, beträgt etwa 0,1 Nanometer oder ein Zehnmilliardstel Meter. Ein Atom ist so klein, dass wir es ausrichten könnten10 Millionen Atome pro Millimeter.

Allerdings hat die Elektronenwolke eines Atoms keine genau definierte Dimension, da es sich um eine Überlagerung von Atomorbitalen probabilistischer Natur handelt. Daher gibt es keine einheitliche Definition oder sehr genaue Messung der Größe von Atomen, da die Form dieses Bereichs des Atomraums von der Energie des Elektrons und seinem Drehimpuls abhängt.

Konzept der Atomgrößen

Wissenschaftler haben eine definierttheoretischer AtomradiusDies entspricht der Hälfte des durchschnittlichen Abstands zwischen den Kernen miteinander verbundener Atome. Obwohl dieser Abstand je nach den Eigenschaften des Atoms variiert, können wir für jeden Atomkern die Größe seiner Atomorbitale berechnen.

Die Größe der Atome nimmt mit der Anzahl der Elektronen bzw. mit der Besetzung der Atomorbitale der Elektronen der äußeren Schicht zu, die viel weniger an den Kern gebunden ist als die inneren Schichten. Je mehr Schichten (Quantenenergieniveaus) es im Atom gibt, desto ausgedehnter ist die äußere Schicht, d. Je mehr Elektronen sich jedoch in den inneren Schichten befinden, desto stärker nimmt die Anziehungskraft des Atomkerns zu, da immer mehr Protonen und damit positive Ladungen vorhanden sind. Diese Eigenschaft (Anzahl der Protonen) begrenzt die räumliche Ausdehnung negativ geladener Atomorbitale (negative Elektronenladungen), indem sie sie näher an den Kern bringt.

Größen einiger theoretischer Atomradien: Wasserstoff 53 Pikometer (10^-12Meter), Kohlenstoff 57 Uhr, Sauerstoff 48 Uhr, Kalzium 94 Uhr, Eisen 156 Uhr, Kupfer 145 Uhr usw.

Der kleinste Film der Welt

Dank des Rastertunnelmikroskops ist es möglich, die Atome auf der Oberfläche eines Materials einzeln zu sehen und zu manipulieren. Die Firma IBM hat den weltweit kleinsten Film mit Eisenatomen auf einer Kupferplatte hergestellt.

In diesem Nanofilm ist jeder Lichtpunkt ein Atom, das 12 Pixel auf diesem Bildschirm einnimmt. Die kleinen aufeinanderfolgenden Wellen, die Schwingungen um die Lichtpunkte erzeugen, sind kein Defekt im Film, sondern Wellen von Elektronen. DieseFriedel-Oszillationensind keine Kuriosität, sondern verraten die Quantennatur der Atome, sowohl der Teilchen als auch der Wellen. Die Form dieser Schwingungen stellt eine echte Identitätskarte für die Elektronen dar.

Der Nanofilm misst 52 mal 32 Atome (Eisen), also ≈ 8 Nanometer mal ≈ 5 Nanometer. Auf einer Länge von 1 Millimeter könnten wir 10.000 Filme dieser Größe anordnen. Jedes Bild wird mit der Spitze eines Rastertunnelmikroskops erstellt, einige Grad vom absoluten Nullpunkt entfernt, es ist außerdem der kälteste Film der Welt.