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Alle existierenden Elemente bestehen aus Atomen. Während die griechischen Philosophen das Atom noch als das kleinste existierende und unteilbare Teilchen definierten, weiss die Wissenschaft heute: Ja, sie sind verdammt klein - hätte ein Atom die Grösse einer Murmel, wäre unsere Faust schon knapp so gross wie unser Planet -, aber Atome lassen sich in weitere Elementarteilchen aufteilen.
Diese Elementarteilchen sind die positiv geladenen Protonen und die neutralen Neutronen, die zusammen den Atomkern bilden, sowie die negativ geladenen Elektronen, die sich mit einer Geschwindigkeit von 2200km/h irgendwo in der Atomhülle um den Atomkern fortbewegen. (Elektronen könnten die Erde in 18 Sekunden umrunden.) Die Wahrscheinlichkeit des genaueren Aufenthaltsortes eines Elektrons in der Atomhülle wird mit dem Orbitalmodell beschrieben – sie sind nicht ganz klar zu verorten, da Elektronen die Eigenschaft haben, gleichzeitig ein Teilchen und eine Art Wellenfunktion zu sein.
Protonen haben die 1800-fache Masse der Elektronen. Der Atomkern besitzt damit 99,9% der Atommasse. Doch der volumenmässig grösste Anteil eines Atoms ist leerer Raum. Also… Nichts? Nein, nur in unserer menschlichen Vorstellung; in der Welt der Atome zeigt es sich als ein Raum gefüllt mit Quantenfluktuation. Die sind nichts anderes als Felder, die eine mögliche (potentielle) Energie haben können. Das Ganze kann sich spontan aufbauen, aber ebenso abbauen. Diese Fluktuationen sollen nach aktuellem Wissensstand die grundlegende Wirkung darauf haben, wie geladene Teilchen untereinander interagieren. Ausserdem können die Neutronen und Protonen noch einmal in sogenannte Up- und Down-Quarks zerlegt werden.
Das Atommodell hat sich über die Jahre oft geändert und ist bis heute nicht vollständig verstanden. Niemand weiss beispielsweise, wie gross die Quarks sind, aber trotzdem gelten sie mit den Elektronen als grundlegende Komponenten der Materie im Universum.
Die Kräfte die unsere Materie zusammenhalten
In jedem Atom verbergen sich die vier fundamentalen Kräfte unseres Universums: die Starke Anziehungskraft, die Schwache Anziehungskraft, die Gravitationskraft und die elektromagnetische Kraft.
Während wir selbst bestimmt schon während eines Gewitters der elektromagnetischen Kraft über den Weg gelaufen sind und auch mit der Gravitations- oder Schwerkraft vertraut sein dürften, wirken die Starke und die Schwache Anziehungskraft tief im Verborgenen der Atome.
Die elektromagnetische Kraft und die Gravitationskraft wirken makroskopisch. Doch was viele jetzt verwundern wird: Die Gravitationskraft ist sehr schwach – 1036-mal schwächer als die elektromagnetische Kraft. Trotzdem ist sie besonders, denn sie kann dadurch, dass sie keine Ladung besitzt, auch nicht abgeschirmt werden. Sie wirkt somit immer, überall und durch alles hindurch.
Beim Versuch, den Aufbau eines Atoms mittels der elektromagnetischen Kraft zu erklären, ergeben sich zwei Probleme: Wenn sich das Elektron ständig um den Kern bewegt, wird es ständig vom elektrischen Feld des Protons im Atomkern beschleunigt. Da beschleunigte Ladung strahlt, ergibt sich daraus ein Energieverlust: Das Elektron müsste nach einer kurzen Zeit in das Proton hineinfallen. Letzten Endes müsste alle Materie zu einem neutralen Haufen zusammenfallen. Warum das Elektron eben nicht in den Atomkern hinein spiraliert, das erklärt die Quantenmechanik.
Das zweite Problem: Alle Atomkerne (ausser Wasserstoff) bestehen aus 2 oder mehr Protonen, also mindestens 2 positiven Ladungen. Die elektromagnetische Regel besagt, dass gleiche Ladungen einander abstossen. Was hält also die Atomkerne stabil zusammen?
Zunächst nur theoretisch vorgeschlagen wurde die „Starke Kernkraft“, die 100-mal stärker als die elektromagnetische Kraft sei. Indessen nachgewissen, hält sie in der Welt der Atome die Atomkerne zusammen, hat aber eine begrenzte Reichweite und wirkt nur im Kern. Dasselbe gilt für die „Schwache Kernkraft“, die nur noch 1/100.000stel der Stärke der „Starken“ hat.
Zu den Elementarteilchen des Atoms treten schliesslich auch noch Photonen (Teilchen des Lichts, die zwar keine Rohmasse haben, aber die elektromagnetische Kraft übermitteln können), eventuell Gravitonen (von denen vermutet wird, sie vermittelten die Gravitationskraft) und nicht zuletzt die Gluonen, die verantwortlich sind für die Starke bzw. Schwache Kernkraft – also für den Zusammenhalt des aus Quarks bestehenden Atomkerns.
Damit haben wir in alle Begriffe, die uns in unserer Serie zur Atomenergie wohl wieder begegnen werden, eingeführt: Den Rest überlassen wir dann mal lieber den Physikexperten…
Ordnungszahl, Massezahl und Isotope
Eine gewohnte Schreibweise in der Chemie ist es, die Elemente in ihrer Kurzform noch mit ihrer Ordnungszahl unten und der Massezahl darüber zu versehen. Die Ordnungszahl gibt Auskunft darüber, wie viele Protonen sich im Kern befinden. Sie definiert somit, um welches Element es sich handelt.
Die Massezahl zählt die Anzahl von Protonen und Neutronen (der Nukleonen) gemeinsam.
Ein Beispiel: Helium, geschrieben He42, besitzt die Ordnungszahl 2, besitzt damit 2 Protonen und ist darüber als Helium definiert. Die Massezahl 4 gibt an, dass sich neben den 2 Protonen auch 2 Neutronen im Kern befinden. Die Massezahl wird benötigt, da die Anzahl der Neutronen im Kern eines Elementes variieren kann, während die Anzahl der Protonen feststeht. Solche Varianten mit unterschiedlicher Neutronenzahl werden dann Isotope genannt.
Was ist Radioaktivität?
Radioaktivität ist die Eigenschaft instabiler Atomkerne, sich über die Aussendung von Strahlung in andere Atomkerne umzuwandeln. Sie kann in drei Formen auftreten: Alpha- und Beta-Zerfall und Gamma-Strahlung.
Schauen wir uns einmal ein Uran-Isotop an, denn praktischerweise sind alle Uranisotope radioaktiv: Uran13592. Messerscharf erkennen wir: Uran hat die Ordnungszahl 92 und somit 92 Protonen. Aber wie viele Neutronen stecken in dem Atomkern? Die Massezahl ist 135, das bedeutet die Anzahl der Neutronen beträgt (135-92=)43.
Beim Alpha-Zerfall entstehen aus unserem Ursprungselement ein neues Element und ein Alpha-Teilchen. Dieses Alphateilchen besteht aus 2 Protonen und Neutronen, ist also ein Heliumatom. Unser Uranatom verliert damit 2 Protonen, und die Ordnungszahl verringert sich: Entstanden sind das Element Thorium und natürlich ein Heliumatom.
Ähnlich verläuft der Beta-Zerfall. Hier werden Beta-Teilchen aus dem Zellkern ausgeschlossen. Beta-Teilchen sind Elektronen aus dem Atomkern… Moment, werden Sie jetzt denken: Elektronen sind doch in der Atomhülle und nicht im Kern. Das stimmt, aber im Falle des Beta-Verfalls teilt sich ein Neutron spontan in ein Proton und ein Elektron. Das Elektron wird freigesetzt, das Proton verbleibt im Kern. Aus Uran wird so das Element Neptunium mit 93 Protonen.
Beim Alpha- und Beta-Zerfall zerfällt das Ursprungsatom in ein neues Element sowie entweder ein Heliumatom oder ein Elektron. Bei der Gamma-Strahlung zerfällt gar nichts. Das Atom verbleibt in seiner Ursprungsform, gibt aber elektromagnetische Strahlung in Form freigesetzter Photonen ab.
Mit den Folgen der Radioaktivität auf den Menschen und alle weiteren biologischen Lebewesen werden wir uns in unserer Serie schon bald genauer beschäftigen. Auch woher die Energie denn tatsächlich stammt, die bei der „Atomkraft“ gewonnen wird, wird da noch ausführlicher beleuchtet. Bis dahin!