Atombau: Protonen, Neutronen und Elektronen

Atombau

• Elektronen besitzen eine negative Ladung und befinden sich in der Atomhülle.
• Protonen sind positiv geladen und befinden sich im Atomkern.
• Neutronen sind neutral geladen und ebenfalls im Atomkern lokalisiert.
• Neutronen im Atomkern verhindern das Abstoßen der Protonen aufgrund ihrer gleichen Ladung.
• Die Atomhülle ist deutlich größer als der Atomkern; das Verhältnis entspricht etwa der Größe eines Stecknadelkopfes im Vergleich zum Stephansdom.
• Elektronen, Protonen und Neutronen sind Elementarteilchen.
• Protonen (Symbol p⁺) haben eine einfach positive Elementarladung und wiegen etwa 1 u (Unit).
• Neutronen (Symbol n) sind neutral und haben ebenfalls eine Masse von etwa 1 u. Ihre Anzahl im Atomkern kann variieren.
• Elektronen (Symbol e⁻) sind einfach negativ geladen und haben eine sehr geringe Masse von etwa 10⁻⁴ u.
• In einem neutralen Atom ist die Anzahl der Elektronen gleich der Anzahl der Protonen.
• Die Anzahl der Protonen bestimmt die Ordnungszahl und Kernladungszahl eines Elements.
• Die Anzahl der Neutronen wird berechnet, indem man die Ordnungszahl von der Massenzahl subtrahiert.
• Die Anzahl der Elektronen in einem neutralen Atom entspricht der Ordnungszahl bzw. der Anzahl der Protonen.

Isotope

• Isotope sind Atome desselben chemischen Elements, die sich in der Anzahl der Neutronen im Atomkern unterscheiden, was zu unterschiedlichen Massenzahlen führt.
• Isotope haben die gleiche Anzahl an Protonen und deshalb die gleiche Ordnungszahl, aber unterschiedliche Massenzahlen.
• Kennt man die Anzahl der Protonen, so kennt man das Element.
• Uran-235 wird als Kernbrennstoff in Atomkraftwerken eingesetzt.
• Im Element Wasserstoff gibt es drei Isotope:
  • Protium (¹H): Macht etwa 99,9% des natürlich vorkommenden Wasserstoffs aus; Atomkern enthält 1 Proton, Massenzahl ist 1.
  • Deuterium (²H oder D): Macht etwa 0,015% des natürlichen Wasserstoffs aus; stabil, doppelt so schwer wie Protium.
  • Tritium (³H oder T): Entsteht in Kernreaktoren und in der oberen Atmosphäre, ist nicht stabil und zerfällt mit einer Halbwertszeit von 12 Jahren; geringe Gesamtmenge auf der Erde (ca. 1,8 kg).
• Die relative Atommasse berücksichtigt alle Isotope eines Elements und ihre Häufigkeit auf der Erde.
• Rückschlüsse auf die Herkunft von Wein sind möglich, da aus südlicheren Ländern höherer Deuterium Anteil da durchintensive Verdunstung im warmen Klima Deuterium in Trauben gespeichert wird.
• Nuklide mit einem instabilen Atomkern sind radioaktiv und zerfallen, wenn sie überschüssige Energie oder eine ungünstige Zusammensetzung von Protonen und Neutronen aufweisen.
• Die Isotopenanalyse kann genutzt werden, um Rückschlüsse auf die Herkunft und das Klima zu ziehen.

Atommodelle

• Atommodelle dienen dazu, bestimmte Aspekte der atomaren Struktur zu veranschaulichen, spiegeln aber nicht die Realität wider.
• Frühe Atommodelle (bis zum 19. Jahrhundert):
  • Demokrit: "Atomos" als kleinste, unteilbare Teilchen.
  • Dalton: Kugelmodell zur Darstellung von Verbindungen.
  • Thomson: Rosinenkuchenmodell mit negativen Teilchen (Rosinen) in einer positiv geladenen Matrix (Kuchen).
• Rutherfordsches Atommodell:
  • Kern und Hülle.
  • Verhältnis zwischen Kern und Hülle wurde berechnet.
• Bohrsches Atommodell (Schalenmodell):
  • Sieben definierte Schalen.
  • Jede Schale hat Platz für 2n² Elektronen, wobei n die Schalennummer ist (gültig bis zur 4. Schale).
  • Die äußerste Schale kann maximal 8 Elektronen aufnehmen (Valenzelektronen).
• Wellenmechanisches Atommodell:
  • 1925 von Werner Heisenberg entwickelt.
  • Heisenbergsche Unschärferelation: Ort und Impuls eines Elektrons können nicht gleichzeitig genau bestimmt werden.

Orbitale

• Orbitale sind definierte Räume, in denen sich Elektronen mit hoher Wahrscheinlichkeit aufhalten.
• Verschiedene Arten von Orbitalen werden durch Quantenzahlen beschrieben.
• Hauptquantenzahl (n = 1, 2, 3, ..., 7):
  • Bestimmt das Energieniveau und die Größe des Orbitals.
  • Entspricht den Schalen im Bohrschen Atommodell und den Perioden im PSE.
• Nebenquantenzahl (l = s, p, d, f):
  • Bestimmt die Form des Orbitals und entspricht den Unterenergieniveaus.
  • s-Orbital: Kugelform.
  • p-Orbital: Hantelform.
  • d- und f-Orbitale: Komplexere Formen.
• Magnetquantenzahl:
  • Bestimmt die Orientierung des Orbitals im Raum (px, py, pz).
• Spinquantenzahl:
  • Beschreibt die Eigenrotation des Elektrons (+½ oder -½).

Besetzung der Orbitale

• Elektronen nehmen zuerst das niedrigste Energieniveau ein, bevor höhere Niveaus besetzt werden.
• Maximal zwei Elektronen können ein Orbital besetzen, mit entgegengesetztem Spin (Pauli-Prinzip).
• Orbitale mit gleicher Energie werden zuerst mit je einem Elektron besetzt (Hundsche Regel).
• Die Elektronkonfiguration ordnet die Elektronen den Orbitalen zu.