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Die Ordnung der Welt ist entschlüsselt, jedenfalls bis auf die Ebene der Atome. Die Griechen Leukipp und Demokrit haben den Begriff ca. 500 Jahre vor Chr. geprägt. Sie gingen davon aus, dass alle Materie bis auf eine bestimmte Größe teilbar sei und dann nicht mehr. Nun gut, teilbar ist es doch, das 'Unteilbare'. Aber erstaunlich, dass sich dieses Konstrukt so lange gehalten hat und auch noch halten wird.

Vor über hundert Jahren haben sich hier wesentliche neue Erkenntnisse ergeben. Aber immer hat man mit Modellen gearbeitet. Erst seit gut zehn Jahren kann man durch das Rastertunnelmikroskop überhaupt atomare Strukturen sichtbar machen. Man arbeitet hauptsächlich mit Modellen, die gerade so kompliziert gehalten werden, dass sie bestimmte Fragen beantworten können.

Wichtig als Begründung für das obige Periodensystem der Elemente ist das Wissen um einen Atomkern und die ihn umkreisenden Elektronen, wobei immer wieder auf den enormen Unterschied zwischen Atom und Kern hingewiesen wird, z.B durch Vergleich mit Fußballstadion und Reiskorn. Der Kern enthält mindestens ein positiv geladenes Proton, z.B. beim Wasserstoff und elektrisch neutrale Teilchen, Neutronen genannt, allerdings nicht der Wasserstoff.

Warum die Elektronen den Kern umkreisen, lässt sich mit deren negativer Ladung begründen. Warum sie allerdings nicht irgendwann auf den Kern fallen, das ist eine Frage der Quantenphysik, die auch mit der Klassifizierung der Elektronen zusammenhängt, ob man ihnen z.B. eine Masse zuordnet oder nicht. Für unsere Erklärung des oben Dargestellten ist sie nicht von Bedeutung. Wir werden vielmehr ein wenig zu klären versuchen, wie denn aus Atomen die Materialien dieser Welt zustande kommen.

Anzahl der Protonen -> Ordnungszahl

Die obige Tabelle, Periodensystem der Elemente genannt, ist auf den ersten Blick nach der Anzahl der Protonen im Kern geordnet. Es beginnt oben links mit dem im Kern vergleichsweise einfach aufgebauten Wasserstoff (1 Proton). Die große Lücke zum Helium (2 Protonen) erklärt sich dadurch, dass die Tabelle noch einige andere Gemeinsamkeiten verschiedener Elemente herausstellt. Jedenfalls endet sie mit dem Ununoctium (118 Protonen).

Erfunden hat das Periodensystem der Elemente Professor Mendelejew 1869. Da die Atommodelle aus späterer Zeit stammen, muss Mendelejew im Labor in seinem Arbeitszimmer vom relativen Atomgewicht ausgehen. Wie kann er das ermitteln?

Atome und Moleküle sind zu der Zeit bekannt. So auch die Zusammensetzung von Molekülen. Vielleicht hierzu ein Beispiel: Wenn man weiß, dass ein Wassermolekül aus zwei Atomen Wasserstoff und einem Atom Sauerstoff (H2O) besteht, braucht man im Prinzip den Versuch, Wasser aus den beiden Elementen nur so lange zu wiederholen, bis weder Wasserstoff noch Sauerstoff übrig ist. Das Wiegen besonders vor dem letzten Versuch ermöglicht also die relative Zuordnung der beiden Atomgewichte.

Ein kleines Problem taucht allerdings zu jener Zeit auf. Was die Forscher noch nicht wissen, zu einem Stoff gehören auch Atomkerne mit leicht verschiedener Anzahl von Neutronen. Diese werden auch Isotope des Stoffes genannt. So kommen z.B. im natürlichen Sauerstoff und Kohlenstoff leicht schwerere Atome vor, die Messungen verfälschen können. Nicht nur deshalb sind heute andere Messungsarten üblich. Auch spricht man von der Atommasse bei der Vergleichsmessung.

63 der 90 heute in der Natur vorkommenden Elemente sind zu der Zeit erst bekannt. Wie stürmisch die Entwicklung danach ist, zeigt die Tatsache, dass 30 Jahre zuvor erst 53 Elemente bekannt sind. Interessant ist auch, dass durch die Einteilung von Mendelejew z.B. in sieben Gruppen Lücken für Elemente entstehen, deren Eigenschaften er aber schon voraussagen kann. Drei von ihnen werden noch zu seinen Lebzeiten gefunden. 03/13


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