Das Atom – Baustein der Materie

Was über Jahrtausende nur in den Köpfen der Philosophen und Wissenschaftler als abstraktes Gedankenmodell existierte, wurde im 20. Jahrhundert zum wissenschaftlich nachprüfbaren Grundsatz. Jeder Körper besteht aus kleinsten Bausteinen, die sich chemisch und physikalisch nicht ohne Weiteres zerlegen lassen. Entsprechend dieser Tatsache lässt sich auch der Begriff Atom aus dem Griechischen übersetzen – er bedeutet „das Unzerschneidbare“. Bevor Physiker und Chemiker Atome bis in ihre Details erforschen konnten, musste die Wissenschaft einen weiten Weg zurücklegen.

Im antiken Griechenland wurde die Lehre vom Unteilbaren bereits durch Leukipp vertreten. Wirklich nachweisen ließ sich das Atom aber noch lange nicht. Selbst im 19. Jahrhundert blieb es bei theoretischen Überlegungen. Zu den modernen Vätern der Atomtheorie gehören etwa John Dalton oder Joseph John Thomson. Ein wichtiger Schritt war die Entwicklung des Atommodells von Ernest Rutherford, das Niels Bohr verbessern sollte. Durch die Arbeit unzähliger Wissenschaftler entstand schließlich jenes Atommodell, das wir heute kennen. Im Mittelpunkt steht der Aufbau des Atoms aus Atomkern und Schale. Nach außen sind Atome zwar elektrisch neutral. Betrachtet man aber Schale und Kern getrennt voneinander, sind beide unterschiedlich geladen. Der Atomkern ist positiv, die äußere Hülle elektrisch negativ geladen. Um am Ende nach außen neutral geladen zu sein, müssen sich beide Ladungen gegenseitig aufheben, also gleich groß sein. Wie kann das sein? In Atomkern und Hülle sind jeweils zwei unterschiedliche Teilchen angeordnet. Während in der Atomhülle Elektronen ähnlich der Planeten um den Kern kreisen, sind im Atomkern die elektrisch positiven, sogenannten Protonen konzentriert. Folgerichtig sind die Elektronen äquivalent negativ geladen.

Im Kern der Atome ist aber noch ein weiteres Elementarteilchen vorhanden, das Neutron. Letzteres ist elektrisch neutral, aber ähnlich schwer wie ein Proton. Damit tragen Neutronen zur Gesamtmasse der einzelnen Atome bei. Und haben in der Chemie eine besondere Bedeutung. Denn aufgrund einer unterschiedlichen Anzahl von Neutronen in den Atomkernen ein und desselben Elements entstehen Isotope, die sich nur aufgrund ihrer Masse, nicht aber ihrer Ladung voneinander unterscheiden. Die Isotope der einzelnen Elemente können unterschiedlich reaktionsfreudig sein, was sich etwa die Geowissenschaften zunutze machen, um Umweltbedingungen o.Ä. zu rekonstruieren. Auf die Entstehung der einzelnen Elemente haben Neutronen aber keinen Einfluss. Dafür entscheidend ist die Zahl der Protonen im Atomkern. So besitzt Wasserstoff im Atomkern nur ein Proton. Sind in einem Atomkern dagegen acht Protonen vorhanden, würde das Element Sauerstoff entstehen.

Bleibt noch die Hülle mit den Elektronen. Diese bewegen sich wie die Planeten im Sonnensystem auf geordneten Bahnen um den Kern. Früher wurde die Bewegung mithilfe eines Schalenmodells beschrieben. Inzwischen ist die Chemie dazu übergegangen, die Elektronenbewegung über ein Orbitalmodell mit vier sogenannten Quantenzahlen zu beschreiben. Die einzelnen Orbitale beschreiben nur die Aufenthaltswahrscheinlichkeit der einzelnen Elektronen. Dies hat einen besonderen Grund: Für die Elektronen können Aufenthaltsort und Zustand nicht gleichzeitig bestimmt werden. Grundlage ist die Unschärferelation Heisenbergs, mit der die Elektronen stochastisch beschrieben werden.


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