Was ist ein Atom? | Live-Wissenschaft


Atome sind die Grundeinheiten der Materie und die definierende Struktur von Elementen. Der Begriff "Atom" kommt vom griechischen Wort für unteilbar, weil man einst dachte, Atome seien die kleinsten Dinge im Universum und könnten nicht geteilt werden. Wir wissen jetzt, dass Atome aus drei Teilchen bestehen: Protonen, Neutronen und Elektronen – die sich aus noch kleineren Teilchen zusammensetzen, wie z Quarks.

Atome wurden nach dem erstellt Urknall Vor 13,7 Milliarden Jahren. Als sich das heiße, dichte neue Universum abkühlte, wurden die Bedingungen für die Bildung von Quarks und Elektronen geeignet. Quarks kamen zusammen, um Protonen und Neutronen zu bilden, und diese Teilchen vereinigten sich zu Kernen. Dies alles geschah innerhalb der ersten Minuten nach der Existenz des Universums CERN.

Es dauerte 380.000 Jahre, bis das Universum ausreichend abgekühlt war, um die Elektronen zu verlangsamen, damit die Kerne sie einfangen und die ersten Atome bilden konnten. Die frühesten Atome waren in erster Linie Wasserstoff und Helium, die nach wie vor die am häufigsten vorkommenden Elemente im Universum sind Jefferson Lab. Die Schwerkraft führte schließlich dazu, dass Gaswolken verschmolzen und Sterne bildeten, und schwerere Atome wurden (und werden) innerhalb der Sterne erzeugt und durch das Universum geschickt, als der Stern explodierte (Supernova).

Atompartikel

Protonen und Neutronen sind schwerer als Elektronen und befinden sich im Atomkern. Elektronen sind extrem leicht und existieren in einer Wolke, die den Kern umkreist. Die Elektronenwolke hat einen Radius, der 10.000 Mal größer ist als der des Kerns Nationales Labor von Los Alamos.

Protonen und Neutronen haben ungefähr die gleiche Masse. Ein Proton ist jedoch etwa 1.835-mal so massereich wie ein Elektron. Atome haben immer die gleiche Anzahl von Protonen und Elektronen, und die Anzahl von Protonen und Neutronen ist normalerweise auch dieselbe. Das Hinzufügen eines Protons zu einem Atom ergibt ein neues Element, während das Hinzufügen eines Neutrons ein Isotop oder eine schwerere Version dieses Atoms ergibt.

Kern

Der Kern wurde 1911 vom neuseeländischen Physiker Ernest Rutherford entdeckt. 1920 schlug Rutherford den Namen Proton für die positiv geladenen Teilchen des Atoms vor. Er vermutete auch, dass sich im Kern ein neutrales Teilchen befand, das James Chadwick, ein britischer Physiker und Student von Rutherford, 1932 bestätigen konnte.

Fast die gesamte Masse eines Atoms befindet sich in seinem Kern Chemie LibreTexts. Die Protonen und Neutronen, aus denen der Kern besteht, haben ungefähr die gleiche Masse (das Proton ist etwas kleiner) und den gleichen Drehimpuls oder Spin.

Der Kern wird zusammengehalten von der starke Kraft, eine der vier Grundkräfte in der Natur. Diese Kraft zwischen Protonen und Neutronen überwindet die abstoßende elektrische Kraft, die die Protonen nach den Regeln der Elektrizität auseinanderdrücken würde. Einige Atomkerne sind instabil, weil die Bindungskraft für verschiedene Atome abhängig von der Größe des Kerns variiert. Diese Atome zerfallen dann in andere Elemente, wie Kohlenstoff-14, der in Stickstoff-14 zerfällt.

Hier ist eine einfache Zeichnung der Struktur eines Atoms.

(Bildnachweis: Shutterstock)

Protonen

Protonen sind positiv geladene Teilchen in Atomkernen. Rutherford entdeckte sie in Experimenten mit Kathodenstrahlröhren, die zwischen 1911 und 1919 durchgeführt wurden. Protonen sind etwa 99,86% so massereich wie Neutronen.

Die Anzahl der Protonen in einem Atom ist für jedes Element einzigartig. Zum Beispiel, Kohlenstoff atome haben sechs protonen, Wasserstoff Atome haben ein und Sauerstoff Atome haben acht. Die Anzahl der Protonen in einem Atom wird als Ordnungszahl dieses Elements bezeichnet. Die Anzahl der Protonen bestimmt auch das chemische Verhalten des Elements. Elemente sind im angeordnet Periodensystem der Elemente in der Reihenfolge zunehmender Ordnungszahl.

Jedes Proton besteht aus drei Quarks – zwei "up" -Quarks (jeweils mit einer positiven Ladung von zwei Dritteln) und einem "down" -Quark (mit einer negativen Ladung von einem Drittel) – und sie werden von anderen subatomaren Teilchen, sogenannten Gluonen, zusammengehalten. die sind massenlos.

Elektronen

Elektronen sind im Vergleich zu Protonen und Neutronen winzig und mehr als 1.800 Mal kleiner als Protonen oder Neutronen. Elektronen sind ungefähr 0,054% so massereich wie Neutronen Jefferson Lab.

Joseph John (J.J.) Thomson, ein britischer Physiker, entdeckte das Elektron 1897 nach dem Institut für Wissenschaftsgeschichte. Ursprünglich als "Korpuskel" bekannt, sind Elektronen negativ geladen und werden von den positiv geladenen Protonen elektrisch angezogen. Elektronen umgeben den Atomkern in Bahnen, die als Orbitale bezeichnet werden. Diese Idee wurde in den 1920er Jahren von Erwin Schrödinger, einem österreichischen Physiker, vertreten. Heute ist dieses Modell als Quantenmodell oder Elektronenwolkenmodell bekannt. Die inneren Orbitale, die das Atom umgeben, sind kugelförmig, aber die äußeren Orbitale sind viel komplizierter.

Die Elektronenkonfiguration eines Atoms bezieht sich auf die Positionen der Elektronen in einem typischen Atom. Unter Verwendung der Elektronenkonfiguration und der Prinzipien der Physik können Chemiker die Eigenschaften eines Atoms wie Stabilität, Siedepunkt und Leitfähigkeit nach der Formel 1 vorhersagen Nationales Labor von Los Alamos.

Neutronen

Die Existenz des Neutrons wurde 1920 von Rutherford theoretisiert und 1932 von Chadwick entdeckt American Physical Society. Neutronen wurden während Experimenten gefunden, als Atome auf eine dünne Schicht von Atomen geschossen wurden Beryllium. Subatomare Teilchen ohne Ladung wurden freigesetzt – das Neutron.

Neutronen sind ungeladene Teilchen, die sich in allen Atomkernen (mit Ausnahme von Wasserstoff) befinden. Die Masse eines Neutrons ist etwas größer als die eines Protons. Wie Protonen bestehen auch Neutronen aus Quarks – einem "up" -Quark (mit einer positiven Ladung von 2/3) und zwei "down" -Quarks (mit einer negativen Ladung von einem Drittel).

Geschichte des Atoms

Die Theorie des Atoms reicht mindestens bis 440 v. Demokrit, einem griechischen Wissenschaftler und Philosophen. Demokrit baute seine Atomtheorie höchstwahrscheinlich auf der Arbeit früherer Philosophen auf, so Andrew G. Van Melsen, Autor von "Von Atomos zu Atom: Die Geschichte des Konzeptatoms" (Duquesne University Press, 1952).

Demokrits Erklärung des Atoms beginnt mit einem Stein. Ein in zwei Hälften geschnittener Stein ergibt zwei Hälften desselben Steins. Wenn der Stein kontinuierlich geschnitten würde, gäbe es irgendwann ein Stück Stein, das so klein wäre, dass es nicht mehr geschnitten werden könnte. Der Begriff "Atom" kommt vom griechischen Wort für unteilbar, woraus Demokrit folgerte, dass es der Punkt sein muss, an dem ein Wesen (irgendeine Form von Materie) nicht mehr geteilt werden kann.

Seine Erklärung beinhaltete die Idee, dass Atome getrennt voneinander existieren, dass es unendlich viele Atome gibt, dass Atome sich bewegen können, dass sie sich kombinieren können, um Materie zu erschaffen, aber nicht zu einem neuen Atom verschmelzen und dass sie kann nicht geteilt werden nach Universum heute. Da jedoch die meisten Philosophen zu dieser Zeit – insbesondere der einflussreiche Aristoteles – glaubten, dass alle Materie aus Erde, Luft, Feuer und Wasser erschaffen wurde, wurde Demokrits Atomtheorie beiseite gelegt.

John Dalton, ein britischer Chemiker, baute 1803 auf den Ideen von Demokrit auf, als er seine eigene Atomtheorie aufstellte Chemie-Abteilung an der Purdue University. Daltons Theorie beinhaltete mehrere Ideen von Democritus, wie zum Beispiel Atome, die unteilbar und unzerstörbar sind und dass sich verschiedene Atome zusammen bilden, um alle Materie zu erschaffen. Daltons Ergänzungen zur Theorie beinhalteten die folgenden Ideen: Dass alle Atome eines bestimmten Elements identisch waren, dass Atome eines Elements andere Gewichte und Eigenschaften haben als Atome eines anderen Elements, dass Atome nicht erzeugt oder zerstört werden können und dass Materie durch gebildet wird Atome, die sich in einfachen ganzen Zahlen verbinden.

Thomson, der britische Physiker, der das Elektron 1897 entdeckte, bewies, dass Atome nach Chemical Heritage Foundation. Er konnte die Existenz von Elektronen bestimmen, indem er die Eigenschaften der elektrischen Entladung in Kathodenstrahlröhren untersuchte. Nach Angaben von Thomson aus dem Jahr 1897 wurden die Strahlen in der Röhre abgelenkt, was bewies, dass sich in der Vakuumröhre etwas Negatives befand. Im Jahr 1899 veröffentlichte Thomson eine Beschreibung seiner Version des Atoms, die gemeinhin als "Plum Pudding Model" bekannt ist. Ein Auszug aus dieser Arbeit befindet sich auf der Chem Team Seite? ˅. Das Thomson-Modell des Atoms enthielt eine große Anzahl von Elektronen, die in etwas suspendiert waren, das eine positive Ladung erzeugte, wodurch das Atom insgesamt eine neutrale Ladung erhielt. Sein Modell ähnelte Pflaumenpudding, einem beliebten britischen Dessert, dessen Rosinen in einer runden, kuchenähnlichen Kugel aufgehängt waren.

Der nächste Wissenschaftler, der das Atommodell weiter modifizierte und weiterentwickelte, war Rutherford, der nach Angaben des Chemie-Abteilung an der Purdue University. 1911 veröffentlichte Rutherford seine Version des Atoms, die einen positiv geladenen Kern enthielt, der von Elektronen umkreist wurde. Dieses Modell entstand, als Rutherford und seine Assistenten Alphateilchen auf dünne Goldschichten abfeuerten. Ein Alpha-Teilchen besteht aus zwei Protonen und zwei Neutronen, die alle von derselben starken Kernkraft zusammengehalten werden, die den Kern bindet, so das Jefferson Lab.

Die Wissenschaftler stellten fest, dass ein kleiner Prozentsatz der Alpha-Partikel in sehr großen Winkeln zur ursprünglichen Bewegungsrichtung gestreut war, während die Mehrheit kaum gestört durchlief. Rutherford war in der Lage, die Größe des Kerns des Goldatoms anzunähern, wobei er feststellte, dass dieser mindestens 10.000-mal kleiner war als die Größe des gesamten Atoms, wobei ein Großteil des Atoms leerer Raum war. Rutherfords Modell des Atoms ist immer noch das Grundmodell, das heute verwendet wird.

Mehrere andere Wissenschaftler förderten das Atommodell, darunter Niels Bohr Erwin Schrödinger (entwickelt das Quantenmodell des Atoms), Werner Heisenberg (erklärt, dass man nicht gleichzeitig die Position und Geschwindigkeit eines Elektrons kennen kann) und Murray Gell-Mann und George Zweig (entwickelten unabhängig voneinander die Theorie, dass Protonen und Neutronen aus Quarks bestehen).

Zusätzliche Ressourcen:

Dieser Artikel wurde am 10. September 2019 von Live Science-Mitarbeiter Traci Pedersen aktualisiert.