Aufbau des Atoms
Ein Atom ist kein Sonnensystem im Miniaturformat. Es besitzt einen winzigen Kern aus Protonen und Neutronen, der von Elektronen umgeben ist, deren Zustand quantenmechanisch beschrieben wird. Der Kern bestimmt die Identität des Elements und nahezu seine gesamte Masse; die Elektronenanordnung bestimmt den größten Teil der Chemie.
Drei Teilchen, drei unterschiedliche Rollen
Proton
Ladung +e. Es befindet sich im Kern. Die Protonenzahl Z legt fest, um welches Element es sich handelt.
Neutron
Keine Nettoladung. Es befindet sich im Kern. Unterschiedliche Neutronenzahlen führen zu Isotopen.
Elektron
Ladung −e. Seine Masse beträgt etwa 1/1836 der Protonenmasse. Es besetzt Quantenzustände um den Kern und prägt die chemischen Eigenschaften.
Ein neutrales Atom besitzt gleich viele Elektronen wie Protonen. Ändert sich die Elektronenzahl, entsteht ein Ion; ändert sich die Neutronenzahl, ein Isotop; ändert sich die Protonenzahl, entsteht ein anderes Element.
Ordnungszahl, Massenzahl und Isotopenschreibweise
Die Ordnungszahl Z ist die Zahl der Protonen. Die Massenzahl A zählt Protonen und Neutronen zusammen; daher ist die Neutronenzahl N = A − Z.
²³₁₁Na: Z = 11, A = 23, N = 12.
²³₁₁Na⁺: weiterhin 11 Protonen und 12 Neutronen, nun aber 10 Elektronen.
Die in der Periodentafel angegebene Atommasse ist meist keine ganze Zahl, weil sie ein nach den natürlichen Isotopenhäufigkeiten gewichteter Mittelwert ist und nicht die Massenzahl eines einzelnen Atoms.
Von Rutherford zum Quantenatom
Rutherfords Streuversuche belegten den Atomkern. Ein klassisches Elektron auf einer Bahn um einen positiven Kern müsste jedoch Energie abstrahlen und in den Kern stürzen. Bohr führte für Wasserstoff diskrete Energieniveaus ein; die Quantenmechanik ersetzte feste Bahnen durch Wellenfunktionen und Orbitale.
Ein Orbital ist keine Bahn. Es ist ein Quantenzustand, dessen Wellenfunktion die Wahrscheinlichkeitsverteilung dafür bestimmt, ein Elektron an einem bestimmten Ort zu finden. Schalen und Unterschalen ordnen diese Zustände nach Quantenzahlen und Energie.
Diese Unterscheidung ist wesentlich: Chemische Trends — Bindung, Ionisation, Größe, Spektren — entstehen aus den Energien und räumlichen Verteilungen der Elektronen, nicht aus Teilchen, die wie Planeten um den Kern kreisen.
Baue ein Atom: Ladungs- und Massenbilanz
Das Werkzeug trennt die drei Teilchenzahlen bewusst. Die Kernidentität wird durch die Protonenzahl bestimmt; die Ladung durch das Ungleichgewicht zwischen Protonen und Elektronen.
Größenskalen, Kräfte und der Zusammenhalt des Atoms
Elektronen werden durch elektromagnetische Anziehung an den Kern gebunden. Protonen stoßen sich im Kern elektrisch ab, doch auf Kernabständen kann die starke Wechselwirkung Protonen und Neutronen zusammenbinden.
Diese beiden Skalen dürfen nicht verwechselt werden: Chemische Vorgänge ordnen hauptsächlich Elektronen neu und umfassen typischerweise Energien von Elektronenvolt pro Teilchen; Kernreaktionen verändern den Kern und können pro Vorgang millionenfach größere Energien freisetzen.
Selbst die Formulierung „Größe eines Atoms“ ist mit Vorsicht zu verwenden. Die Elektronendichte besitzt keine scharfe Grenze; Atomradien werden daher aus Abständen zwischen Atomen in Molekülen oder Festkörpern abgeleitet.
Experimente auf dem Weg zum modernen Atommodell
| Experimenteller Befund | Was damit gezeigt wurde | Was damit noch nicht erklärt war |
|---|---|---|
| Kathodenstrahlen | Atome enthalten negative Elektronen; ihr Ladungs-Masse-Verhältnis lässt sich messen. | Die Lage der positiven Ladung. |
| Millikans Öltröpfchenversuch | Die Elektronenladung ist quantisiert; zusammen mit e/m ergibt sich daraus die Elektronenmasse. | Die Kernstruktur. |
| Rutherford-Streuung | Positive Ladung und fast die gesamte Masse befinden sich in einem winzigen Kern. | Die stabile Elektronenstruktur und die Spektren. |
| Atomspektren | Atome besitzen diskrete elektronische Energien. | Eine vollständige Theorie für Mehrelektronenatome. |
| Chadwicks Neutronenexperimente | Der Kern enthält auch neutrale Teilchen mit ungefähr Protonenmasse. | Die Kernkräfte im Detail und die Schalenstruktur. |
Das Modell änderte sich, weil Experimente frühere Vorstellungen widerlegten. Eine wissenschaftlich sinnvolle Atomdarstellung ist deshalb als Modell zu verstehen, das an konkrete Befunde gebunden ist, nicht als wörtliche Fotografie.
Masse, Isotope und die atomare Massenskala
Proton und Neutron besitzen jeweils annähernd die Masse 1 u, während ein Elektron nur etwa 0,00055 u beiträgt. Deshalb ist die Massenzahl A ein sinnvoller ganzzahliger Zähler der Nukleonen, aber keine exakte Atommasse.
Auch die Kernbindung verändert die Masse. Ein gebundener Kern hat eine geringfügig kleinere Masse als seine getrennten Protonen und Neutronen; die Massendifferenz entspricht nach E = mc² der Bindungsenergie. Chemische Atommassen beziehen sich außerdem auf neutrale Atome und enthalten daher auch die Elektronenmassen.
Der Wert in der Periodentafel ist in der Regel ein nach den Isotopenhäufigkeiten gewichteter Mittelwert. Beim Chlor ergeben die natürlich vorkommenden Isotope ³⁵Cl und ³⁷Cl einen Mittelwert von etwa 35,45 u. Kein gewöhnliches Chloratom besitzt „35,45 Nukleonen“.
Ort, Wahrscheinlichkeit und Elektronenwolke
Die Quantenmechanik weist einem Elektron keine klassische Bahn mit zu jedem Zeitpunkt bekannter Position und Geschwindigkeit zu. Eine Wellenfunktion beschreibt den Zustand; |ψ|² liefert die Wahrscheinlichkeitsdichte für Ortsmessungen.
Orbitaldarstellungen umschließen gewöhnlich einen gewählten Anteil — oft etwa 90 % — der Aufenthaltswahrscheinlichkeit. Die gezeichnete Grenze ist daher eine Darstellungskonvention; die Elektronendichte reicht darüber hinaus.
Die Unschärferelation ist mehr als eine Folge ungenauer Messtechnik: Quantenzustände können nicht gleichzeitig einen beliebig genau bestimmten Ort und Impuls besitzen. Auch deshalb versagt das Bild planetenartiger Elektronenbahnen.
Aufgaben
Magnesium-Ion
²⁴Mg²⁺ hat Z = 12. Bestimme die Zahl der Protonen, Neutronen und Elektronen.
Lösung
12 Protonen, 24 − 12 = 12 Neutronen, und 12 − 2 = 10 Elektronen.
Isotop oder Ion?
Zwei Atome besitzen jeweils 17 Protonen; eines hat 18 Neutronen, das andere 20. In welcher Beziehung stehen sie zueinander?
Lösung
Sie sind Isotope des Chlors. Ihre Protonenzahl — und damit die Elementidentität — ist gleich.
Rutherfords Befund
Welche Beobachtung schließt eine gleichmäßig verteilte positive Ladung aus?
Lösung
Die seltenen Ablenkungen um große Winkel erfordern, dass positive Ladung und fast die gesamte Masse in einem sehr kleinen Bereich konzentriert sind: im Kern.