Atom

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Einleitung

Atom, kleine, elektrisch neutrale Einheit eines chemischen Elements, die für sich existieren kann. Stabile Atome lassen sich mit rein chemischen Mitteln nicht teilen. Dies gelingt nur mit Hilfe besonderer physikalischer Methoden, z. B. in einem Teilchenbeschleuniger. Dort lassen sich Atome in ihre Elementarteilchen aufspalten. Nichtstabile Atome, z. B. die von radioaktiven Elementen, zerfallen spontan nach ganz bestimmten Gesetzmäßigkeiten (siehe Radioaktivität).

Die Atome setzen sich grob betrachtet aus einem Atomkern und der Atomhülle zusammen. Der Kern ist positiv geladen und besteht im Wesentlichen aus Protonen und Neutronen. Die Atomhülle enthält die negativ geladenen Elektronen und bestimmt im Wesentlichen die chemischen Eigenschaften des Atoms (z. B. das Verhalten bei chemischen Reaktionen). Die verschiedenen Atomarten werden durch die Anzahl der Protonen im Atomkern gekennzeichnet. Diese Anzahl bezeichnet man als Ordnungs- oder Kernladungszahl (siehe Periodensystem). In der Elementsymbolschreibweise steht diese Zahl links unten vom Symbol – links oben steht das Atomgewicht (z. B. normaler Wasserstoff: §H; siehe chemische Zeichen). Atomarten, die zwar die gleiche Anzahl an Protonen haben, aber eine unterschiedliche Zahl an Neutronen enthalten, nennt man Isotope (z. B. Deuterium ªH).

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Geschichtliches

In der antiken griechischen Philosophie benutzte man den Begriff „Atom” für das kleinste Stück, in das man einen Körper zerlegen könnte. Nach der Vorstellung von Leukipp und insbesondere seinem Schüler Demokrit sollten diese Atome unteilbar sein. Erst gute 2 000 Jahre später griff John Dalton diese Idee wieder auf und entwickelte sie weiter. Nach Daltons Hypothese setzt sich Materie aus unteilbaren Atomen zusammen. Dabei sind alle Atome des entsprechenden Elements hinsichtlich ihrer Masse und ihrem chemischen Verhalten gleich. Atome können sich im Verhältnis einfacher, ganzer Zahlen zu Verbindungen zusammensetzen. Zersetzt man diese Verbindungen, so gehen die Atome unverändert aus dieser Reaktion hervor. Kurze Zeit darauf fand Daltons Theorie durch die Entwicklung der kinetischen Gastheorie (im Wesentlichen durch Rudolf Clausius, James Clerk Maxwell und Ludwig Boltzmann) sowie durch die Arbeiten von Svante Arrhenius zur elektrolytischen Dissoziation Unterstützung. Auch Michael Faraday befasste sich mit Elektrolyseprozessen und schloss auf eine Beziehung zwischen Elektrizität und Atomen. Die allgemeine Anerkennung fand die Atomtheorie jedoch erst zu Beginn des 20. Jahrhunderts, z. B. durch die Spektroskopie, Röntgen beugung an Kristallen und die in der Zeit entwickelten Atommodelle.

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Radioaktivität

Erst gegen Ende des 19. Jahrhunderts wurden mehrere Entdeckungen gemacht, die nahe legten, dass das Atom kein festes Stück Materie ist, das nicht weiter zerteilt werden kann. 1895 entdeckte der deutsche Wissenschaftler Wilhelm Conrad Röntgen die von ihm so genannten X-Strahlen (die später ihm zu Ehren Röntgenstrahlen genannt wurden), die verschiedene Stoffe durchdringen und nur durch Blei abgeschirmt werden; dafür erhielt er 1901 den ersten Nobelpreis für Physik. 1897 entdeckte der Physiker Joseph John Thomson das Elektron, ein Teilchen mit einer wesentlich geringeren Masse als die Atome (Nobelpreis für Physik 1906). Und 1896 fand der französische Physiker Antoine Henri Becquerel heraus, dass bestimmte Substanzen, z. B. Uransalze, eine durchdringende Strahlung emittieren, deren Ursprung man sich nicht erklären konnte. Die französischen Wissenschaftler Marie Curie und ihr Mann Pierre Curie trugen wesentlich zum Verständnis dieser „radioaktiven” Substanzen bei (siehe Radium). Alle drei wurden 1903 gemeinsam mit dem Nobelpreis für Physik ausgezeichnet.

Nach den Forschungsergebnissen des britischen Physikers Ernest Rutherford (Nobelpreis für Chemie 1908) und seiner Zeitgenossen wusste man, dass Uran und andere schwere Elemente wie Thorium und Radium drei verschiedene Arten von Strahlung aussenden; sie wurden anfänglich Alpha- (a), Beta- (β) und Gamma- (g) Strahlen genannt. Die beiden ersten bestehen aus elektrisch geladenen Teilchen, die man Alpha- bzw. Betateilchen nennt. Später fand man heraus, dass Alphateilchen mit Heliumkernen und Betateilchen mit Elektronen identisch sind. Das Atom war also offensichtlich aus kleineren Teilchen zusammengesetzt. Die Gammastrahlen wurden schließlich als elektromagnetische Wellen identifiziert, vergleichbar mit den Röntgenstrahlen, allerdings mit geringerer Wellenlänge (siehe elektromagnetische Strahlung).

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Atommodelle

Nach Daltons Vorstellung bestanden Atome aus kugelförmigen, elastischen und gleichmäßig mit Materie gefüllten Gebilden, die den Gesetzen der klassischen Mechanik gehorchen. Streuversuche mit Elektronenstrahlen zeigten jedoch, dass der Raum, den ein Atom für sich einnimmt, größtenteils leer ist. Der Physiker Joseph John Thomson schlug deshalb 1904 vor, dass Atome aus einer kugelförmigen Ladungsverteilung und darin beweglichen Elektronen bestehen. Etwa zur gleichen Zeit vermutete der Physiker Wilhelm Wien, dass zwischen dem von Max Planck postulierten Energiequantum und der Eigenschaft von Atomen ein enger Zusammenhang bestehe.