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  Chemie - Atommodell


Von der Unmenge an Elementarteilchen sind in der folgenden Tabelle nur die drei für die weiteren Betrachtungen wichtigsten aufgeführt.

ProtonTräger positiver Ladung, hat 1.836 Mal so viel Masse wie ein Elektron, bildet zusammen mit den Neutronen den Atomkern.
ElektronTräger negativer Ladung, gleicht positive des Atomkerns aus, füllt einen Raum, der 100.000 Mal größer als der des Atomkerns ist.
NeutronElektrisch neutral, etwa genauso schwer wie ein Proton, ist in allen Atomkernen außer Wasserstoff enthalten, 1 bis 1,5 Mal so oft wie Protonen.

Um nicht zu lange bei verschiedenen Atommodellen zu verharren, gibt das Bohrsche Atommodell zunächst einmal genügend Grundlage. Wichtig allerdings hinzuzufügen, dass ein Modell immer nur so lange sinnvoll ist, wie es für die Erklärung der wirklichen Zusammenhänge relevant ist. Man darf halt das Modell nicht mit der Wirklichkeit verwechseln.

Warum nur der Wasserstoff keine Neutronen hat? Vermutlich, weil er nur ein Proton besitzt. Wären es zwei, dann würden sich diese wegen ihrer positiven Ladungen abstoßen. Neutronen sorgen also offensichtlich dafür, dass der Atomkern zusammenbleibt, allerdings mit ca. 60.000 km/s ständig in Bewegung.

ElementarladungKleinste Ladung freier Teilchen. Jede vorkommende Ladung ist ein ganzzahliges Vielfaches der Elementarladung.
OrdnungszahlAnzahl positiver Elementarladungen, entspricht der Anzahl von Protonen im Atomkern.
AtommasseNicht absolut, nur relativ bestimmbar, etwa ganzzahlig zum Wasserstoffatom. SI-Einheit: ein Zwölftel eines bestimmten Kohlenstoff-Isotops.

Bis zu einer gewissen Größe reicht zum Zusammenhalt offensichtlich ein Neutron pro Proton. Bei mehr als 20 Protonen im Kern ist die gleiche Anzahl von Neutronen offensichtlich nicht mehr ausreichend, diesen zusammen zu halten. Dann wird es unübersichtlich. Calcium hat also je 20 Protonen und Neutronen, Scandium dann bei 21 Protonen schon 24 Neutronen.

Element  Protonen  Neutronen   Verhältnis 
Calcium20201,00
Scandium21241,14
Titan22261,18
Vanadium23281,22
Chrom24281,17
Mangan25301,20
Eisen26301,20
Kobalt27321,19
Nickel28311,11

Irgendwann kann es dann beinahe beliebig viele Neutronen im Kern geben, der Zusammenhalt ist einfach nicht mehr zu gewährleisten. Unten ist mit Bismut das letzte Atom mit einem stabilen Kern als erstes mit aufgeführt. Was passiert, wenn der Kern nicht stabil ist? Er zerfällt so lange, bis höchstens 84 Protonen vorhanden sind.

Element  Protonen  Neutronen   Verhältnis 
Wismut831261,51
Polonium841261,50
Astat851251,47
Radon861251,47
Francium871261,45
Radium881281,45
89-91
Uran921461,59
Neptunium931441,55
Plutonium941501,60

Da bei diesem Prozess auch verschieden große Teile des Kerns entstehen, nennt man ihn radioaktiven Zerfall. So kann es z.B. α-Strahlen geben, die je zwei Protonen und Neutronen bestehen. Radioaktivität bedeutet also, dass aus einem Element mindestens zwei andere werden. Der Prozess kann sehr lange dauern, in manchen Fällen seit Entstehung der Erde.

Er kann auch künstlich herbeigeführt werden, z.B. durch Beschuss Elementarteilchen. Dafür kommen allerdings nur Neutronen in Frage, weil Protonen und Elektronen durch ihre Ladung abgelenkt würden. Beschießen kann man auch kleinere Atomkerne als solche mit mindestens 84 Protonen. Entstehen dabei neue Elemente durch Verschmelzen, wird der Vorgang auch Kernfusion genannt.

Ein Beispiel für Zerfall und Fusion ist die Wasserstoffbombe. Deren Zündung erfolgt durch eine Atombombe, bei der durch herkömmlichen Sprengstoff Material mit überschwerem Atomkern, z.B. Plutonium, zu einer kritischen Masse zusammengesprengt wird, um dann genügend Energie für die wesentlich energiereichere Kernfusion zu liefern. Das Prinzip der Atombombe kann in entsprechenden Kraftwerken kontrolliert nachgebildet werden, die wohl deutlich ungefährlichere Kernfusion noch nicht.

Aus Unfällen mit Kernkraftwerken z.B. in Fukushima ist die Einheit Becquerel bekannt, die von der Anzahl der zerfallenden Atomkerne je Sekunde ausgeht. Dann gibt es da noch die Halbwertszeit, die es auch in anderen Bereichen als der Kernphysik gibt. Übrigens nimmt die Zeit, in der nur noch die Hälfte eines Kerns vorhanden ist, in der Regel exponentiell ab.


Hier im Diagramm ist auf der y-Achse die Anzahl der noch vorhandenen Teilchen vor dem Zerfall und auf der x-Achse die Zeit des Zerfalls aufgetragen. An der gestichelten Linie ist nur noch die Hälfte vorhanden, was unten die Halbwertszeit ergibt. Der Vollständigkeit halber sei noch erwähnt, dass es auch noch β- und γ-Strahlen gibt, von denen letztere wohl mit Abstand am schwierigsten abzuschirmen sind.

IsotopeAtome, deren Ordnungszahl gleich und Massenzahl verschieden ist, die sich also nur durch die Zahl der Neutronen unterscheiden.
MassenzahlSumme der Protonen und Neutronen des Atomkerns, entspricht Atommasse, wobei die der übrigen Teilchen und Elektronen vernachlässigbar klein ist.
NuklideSumme der Protonen und Neutronen des Atomkerns, entspricht der Massenzahl.

Sie sehen es schon am ersten Eintrag im Kasten oben, nicht nur das Verhältnis von Protonen zu Neutronen ist unterschiedlich, es gibt auch noch ein und dasselbe Element mit verschiedener Anzahl von Neutronen im Atomkern. Dabei haben nur die Isotope des Wasserstoffs eigene Namen, wie 'Deuterium' und 'Tritium', was nichts anderes als 'der Zweite' und 'der Dritte' heißt, also Wasserstoff mit einem oder zwei Neutronen bedeutet.

Bei allen übrigen Isotopen erhöht sich die Masse prozentual nicht so stark durch Hinzufügung eines Neutrons wie beim Wasserstoff. Auch kann hier die Anzahl der Isotope noch deutlich größer sein. So kann ein Uran-Atom bis zu 24 unterschiedliche Anzahlen von Neutronen haben. Die sich so ergebenden Isotope haben Halbwertszeiten zwischen einer Mikrosekunde und einer Stunde.

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