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Das Atom
Ein Atom ist die kleinste nicht mit chemischen Mitteln weiter zerlegbare Einheit der Materie. Das Atom besteht aus einem Atomkern und eine ihn umgebende Atomhülle. Der Atomkern besteht aus positiv geladenen Protonen und ungeladenen Neutronen.
In der Atomhülle befinden sich gleich viele negative geladene Elektronen wie positiv geladene Protonen im Kern. Das Atom ist als Ganzes ungeladen.
Fast die gesamte Masse des Atoms ist im Kern vereinigt. Elektronen und Protonen sind für die chemischen und physikalischen Eigenschaften des Atoms verantwortlich.
Die elektrische Ladung e, die Elementarladung, eines Elektrons beträgt 1,602176634.10-19 C (= Coulomb).
Die Anzahl Protonen im Kern bestimmt die Kernladungszahl eines Atoms. Jede Kernladungszahl wird einem chemischen Element zugeordnet.
Ein chemisches Element (Beispiel: Gold Au, Silber Ag, Helium He usw.) der gleichen Art verfügt immer über die gleiche Anzahl Protonen.
Die Anzahl Elektronen und Neutronen kann jedoch variieren. Atome mit gleicher Protonen- bzw. Elektronenzahl, welche sich in der Neutronenzahl unterscheiden, heissen Isotope des betreffenden chemischen Elements. Die Isotope haben unterschiedliche Atommassen.
In chemischen Verbindungen vereinigen sich zwei oder mehrere Atome des gleichen chemischen Elements oder von unterschiedlichen chemischen Elementen zu Molekülen zusammen. In Molekülen gibt es oft unterschiedliche Ladungsschwerpunkte. Einen stark bipolaren Charakter hat das Wassermolekül, welches sich aus einem Sauerstoff- und zwei Wasserstoffatomen zusammensetzt.
Atommodelle - Annäherungen an die Wirklichkeit
Da wir die Atome nicht sehen können, sind wir beim Denken und Entwickeln von Vorstellungen auf Modelle angewiesen. In Modellen sind allerdings die wirklichen Grössenverhältnisse nicht richtig dargestellt.
Die Verteilung der Elektronen, Protonen und Neutronen in einem Atom werden mit Hilfe von verschieden Atommodellen dargestellt. Die Atommodelle dienen dazu,Erkenntnisse über die Atomstruktur in einen theoretischen Rahmen zu stellen. Jedes einzelne Atommodell hat Vorteile und Nachteile.
Für die Visualisierung der verschiedenen Vorstellungen über die Atomstruktur wird häufig das anschauliche "Planeten"-Modell (Bohr-Modell) verwendet. Nach Bohr umkreisen die Elektronen den Atomkern auf Bahnen, welche den Hauptenergiestufen entsprechen. Das Bohr-Modell stellt nur eine sehr grobe Annäherung an die Wirklichkeit dar.
Später wurde ein Wolkenmodell der Elektronenhülle entwickelt, welche die beobachteten Erkenntnisse besser erklären und damit der Wirklichkeit näher kommen. Das Wolkenmodell geht davon aus, dass sich die Elektronen nach ganz bestimmten Gesetzmässigkeiten in negativen Ladungswolken bewegen.
Der Atomdurchmesser ist ungefähr 10'000 mal grösser als der Kerndurchmesser. Der Durchmesser eines Atoms liegt im Bereich von 10-10 m. Eine Kette von 1 cm Länge ergäbe bereits eine Anzahl von 100 Millionen Atomen.
Wissenschaftler haben heraus gefunden, dass neben dem Elektron noch weitere, kleinere Teilchen zu den Bausteinen der Materie gehören. Die 4 Teilchenarten Up-Quark, Down-Quark, Elektron und Elektron-Neutrino reichen aus, um die uns umgebende Materie zu erklären. Es gibt nach bisherigen Erkenntnissen insgesamt 12 Teilchenarten.
Das Wissen über den Aufbau der Materie verändert sich
Das bisher anerkannte Standardmodell der Elementarteilchen, mit welchem der Aufbau der Materie beschrieben wird, umfasst zwölf Teilchen, drei von vier Naturkräfte sowie das Higgs-Teilchen. Mit dem Standardmodell lassen sich allerdings Phänomene im Universum wie die «dunkle Materie» nicht beschreiben. Diese Schwachstellen im theoretischen Aufbau des Standardmodells deuten darauf hin, dass im Bezug auf das Modell möglicherweise Wissenslücken bestehen. Die Grundlagenforschung der Teilchenphysik verfolgt das Ziel, mit Forschungsarbeiten das fehlende Wissen zu erarbeiten.