Atom

Atom
Eine Darstellung des Heliumatoms , die den Kern (rosa) und die Elektronenwolkenverteilung (schwarz) darstellt. Der Kern (oben rechts) in Helium-4 ist in Wirklichkeit sphärisch symmetrisch und ähnelt stark der Elektronenwolke, obwohl dies bei komplizierteren Kernen nicht immer der Fall ist. Der schwarze Balken ist ein Angström (10 -10  m oder100  Uhr ).
Einstufung
Kleinste anerkannte Teilung eines chemischen Elements
Eigenschaften
Massenbereich	1,67 × 10 –27 bis4,52 × 10 –25  kg
Elektrische Ladung	Null (neutral) oder Ionenladung
Durchmesser Bereich	62 Uhr ( He ) bis 520 Uhr ( Cs ) ( Datenseite )
Komponenten	Elektronen und ein kompakter Kern aus Protonen und Neutronen

Ein Atom ist die kleinste Einheit gewöhnlicher Materie , die ein chemisches Element bildet . Jeder Feststoff , jede Flüssigkeit , jedes Gas und jedes Plasma besteht aus neutralen oder ionisierten Atomen. Atome sind extrem klein, typischerweise mit einem Durchmesser von etwa 100  Pikometern . Sie sind so klein, dass eine genaue Vorhersage ihres Verhaltens mithilfe der klassischen Physik - beispielsweise als Tennisbälle - aufgrund von Quanteneffekten nicht möglich ist .

Jedes Atom besteht aus einem Kern und einem oder mehreren Elektronen , die an den Kern gebunden sind. Der Kern besteht aus einem oder mehreren Protonen und mehreren Neutronen . Nur die häufigste Wasserstoffsorte hat keine Neutronen. Mehr als 99,94% der Masse eines Atoms befinden sich im Kern. Die Protonen haben eine positive elektrische Ladung , die Elektronen haben eine negative elektrische Ladung und die Neutronen haben keine elektrische Ladung. Wenn die Anzahl der Protonen und Elektronen gleich ist, ist das Atom elektrisch neutral. Wenn ein Atom mehr oder weniger Elektronen als Protonen hat, hat es insgesamt eine negative bzw. positive Ladung - solche Atome werden Ionen genannt .

Die Elektronen eines Atoms werden durch die elektromagnetische Kraft von den Protonen in einem Atomkern angezogen . Die Protonen und Neutronen im Kern werden durch die Kernkraft voneinander angezogen . Diese Kraft ist normalerweise stärker als die elektromagnetische Kraft, die die positiv geladenen Protonen voneinander abstößt. Unter bestimmten Umständen wird die abstoßende elektromagnetische Kraft stärker als die Kernkraft. In diesem Fall spaltet sich der Kern und hinterlässt verschiedene Elemente . Dies ist eine Form des nuklearen Zerfalls .

Die Anzahl der Protonen im Kern ist die Ordnungszahl und definiert, zu welchem ​​chemischen Element das Atom gehört. Zum Beispiel ist jedes Atom, das 29 Protonen enthält, Kupfer . Die Anzahl der Neutronen definiert das Isotop des Elements. Atome können sich durch chemische Bindungen an ein oder mehrere andere Atome binden , um chemische Verbindungen wie Moleküle oder Kristalle zu bilden . Die Fähigkeit von Atomen, sich zu assoziieren und zu dissoziieren, ist für die meisten in der Natur beobachteten physikalischen Veränderungen verantwortlich. Chemie ist die Disziplin, die diese Veränderungen untersucht.

Geschichte der Atomtheorie

In der Philosophie

Die Grundidee, dass Materie aus winzigen unteilbaren Teilchen besteht, ist sehr alt und kommt in vielen alten Kulturen wie Griechenland und Indien vor. Das Wort Atom leitet sich vom altgriechischen Wort Atomos ab , was "nicht schneidbar" bedeutet. Diese alte Idee basierte eher auf philosophischem als auf wissenschaftlichem Denken, und die moderne Atomtheorie basiert nicht auf diesen alten Konzepten. Das Wort "Atom" selbst wurde jedoch im Laufe der Jahrhunderte von Denkern verwendet, die vermuteten, dass Materie letztendlich körniger Natur war. ^{[1] [2]}

Daltons Gesetz von mehreren Proportionen

In den frühen 1800er Jahren stellte ein englischer Chemiker, John Dalton , experimentelle Daten zusammen, die von ihm und anderen Wissenschaftlern gesammelt wurden, und entdeckte ein Muster, das heute als " Gesetz mehrerer Proportionen " bekannt ist. Er bemerkte, dass in chemischen Verbindungen, die ein bestimmtes chemisches Element enthalten, der Gehalt dieses Elements in diesen Verbindungen durch Verhältnisse kleiner ganzer Zahlen unterschiedlich sein wird. Dieses Muster legte Dalton nahe, dass sich jedes chemische Element durch eine grundlegende und konsistente Masseneinheit mit anderen verbindet.

Zum Beispiel gibt es zwei Arten von Zinnoxid : eine ist ein schwarzes Pulver mit 88,1% Zinn und 11,9% Sauerstoff und die andere ist ein weißes Pulver mit 78,7% Zinn und 21,3% Sauerstoff. Bereinigt um diese Zahlen gibt es im schwarzen Oxid etwa 13,5 g Sauerstoff pro 100 g Zinn und im weißen Oxid etwa 27 g Sauerstoff pro 100 g Zinn. 13,5 und 27 bilden ein Verhältnis von 1: 2. In diesen Oxiden gibt es für jedes Zinnatom ein oder zwei Sauerstoffatome ( SnO und SnO 2 ). ^{[3] [4]}

Als zweites Beispiel betrachtete Dalton zwei Eisenoxide : ein Schwarzpulver mit 78,1% Eisen und 21,9% Sauerstoff und ein rotes Pulver mit 70,4% Eisen und 29,6% Sauerstoff. Bereinigt um diese Zahlen kommen im schwarzen Oxid etwa 28 g Sauerstoff pro 100 g Eisen und im roten Oxid etwa 42 g Sauerstoff pro 100 g Eisen vor. 28 und 42 bilden ein Verhältnis von 2: 3. In diesen jeweiligen Oxiden gibt es für jeweils zwei Eisenatome zwei oder drei Sauerstoffatome ( Fe 2 O 2 und Fe 2 O 3 ). ^{[a] [5] [6]}

Als letztes Beispiel: Lachgas besteht aus 63,3% Stickstoff und 36,7% Sauerstoff, Stickoxid aus 44,05% Stickstoff und 55,95% Sauerstoff und Stickstoffdioxid aus 29,5% Stickstoff und 70,5% Sauerstoff. Bereinigt um diese Zahlen kommen in Lachgas 80 g Sauerstoff pro 140 g Stickstoff, in Stickoxid etwa 160 g Sauerstoff pro 140 g Stickstoff und in Stickstoffdioxid 320 g Sauerstoff pro 140 g vor g Stickstoff. 80, 160 und 320 bilden ein Verhältnis von 1: 2: 4. Die jeweiligen Formeln für diese Oxide sind N 2 O , NO und NO 2 . ^{[7] [8]}

Kinetische Theorie der Gase

Im späten 18. Jahrhundert fanden eine Reihe von Wissenschaftlern heraus, dass sie das Verhalten von Gasen besser erklären konnten, indem sie sie als Ansammlungen submikroskopischer Partikel beschrieben und ihr Verhalten mithilfe von Statistiken und Wahrscheinlichkeiten modellierten . Im Gegensatz zu Daltons Atomtheorie beschreibt die kinetische Theorie der Gase nicht, wie Gase chemisch miteinander reagieren, um Verbindungen zu bilden, sondern wie sie sich physikalisch verhalten: Diffusion, Viskosität, Leitfähigkeit, Druck usw.

Brownsche Bewegung

1827 untersuchte der Botaniker Robert Brown mit einem Mikroskop die im Wasser schwimmenden Staubkörner und stellte fest, dass sie sich unregelmäßig bewegten, ein Phänomen, das als " Brownsche Bewegung " bekannt wurde. Es wurde angenommen, dass dies durch Wassermoleküle verursacht wurde, die die Körner herumwirbelten. 1905 bewies Albert Einstein die Realität dieser Moleküle und ihre Bewegungen, indem er die erste statistische physikalische Analyse der Brownschen Bewegung erstellte . ^{[9] [10] [11] Der} französische Physiker Jean Perrin verwendete Einsteins Arbeit, um die Masse und die Dimensionen von Molekülen experimentell zu bestimmen und damit physikalische Beweise für die Teilchenbeschaffenheit von Materie zu liefern.^[12]

Entdeckung des Elektrons

Im Jahr 1897 entdeckte JJ Thomson , dass Kathodenstrahlen keine elektromagnetischen Wellen sind, sondern aus Partikeln bestehen, die 1.800-mal leichter sind als Wasserstoff (das leichteste Atom). Thomson schloss daraus, dass diese Teilchen von den Atomen innerhalb der Kathode stammten - es handelte sich um subatomare Teilchen. Er nannte diese neuen Teilchen Blutkörperchen aber sie wurden später umbenannt Elektronen . Thomson zeigte auch, dass Elektronen mit Partikeln identisch waren, die von photoelektrischen und radioaktiven Materialien abgegeben wurden. ^[13] Es wurde schnell erkannt, dass Elektronen die Teilchen sind, die elektrische Ströme führenin Metalldrähten. Thomson schloss daraus, dass diese Elektronen in seinen Instrumenten aus den Atomen der Kathode austraten, was bedeutete, dass Atome nicht unteilbar sind, wie der Name Atomos andeutet.

Entdeckung des Kerns

JJ Thomson glaubte, dass die negativ geladenen Elektronen in einem Meer positiver Ladung, das über das gesamte Volumen des Atoms verteilt war, im gesamten Atom verteilt waren. ^[14] Dieses Modell wird manchmal als Pflaumenpuddingmodell bezeichnet .

Ernest Rutherford und seine Kollegen Hans Geiger und Ernest Marsden hatten Zweifel am Thomson-Modell, nachdem sie Schwierigkeiten hatten, ein Instrument zur Messung des Ladungs-Masse-Verhältnisses von Alpha-Partikeln zu bauen (dies sind positiv geladene Partikel, die von emittiert werden) bestimmte radioaktive Substanzen wie Radium). Die Alpha-Partikel wurden von der Luft in der Detektionskammer gestreut, was die Messungen unzuverlässig machte. Thomson war bei seiner Arbeit an Kathodenstrahlen auf ein ähnliches Problem gestoßen, das er durch die Erzeugung eines nahezu perfekten Vakuums in seinen Instrumenten löste. Rutherford glaubte nicht, dass er auf dasselbe Problem stoßen würde, weil Alpha-Teilchen viel schwerer als Elektronen sind. Nach dem Thomson-Modell des Atoms ist die positive Ladung im Atom nicht konzentriert genug, um ein elektrisches Feld zu erzeugen, das stark genug ist, um ein Alpha-Teilchen abzulenken, und die Elektronen sind so leicht, dass sie von den viel schwereren Alpha-Teilchen mühelos beiseite geschoben werden sollten. Da es jedoch zu Streuungen kam, beschlossen Rutherford und seine Kollegen, diese Streuung sorgfältig zu untersuchen. ^[15]

Zwischen 1908 und 1913 führten Rutheford und seine Kollegen eine Reihe von Experimenten durch, bei denen sie dünne Metallfolien mit Alpha-Partikeln bombardierten. Sie entdeckten Alpha-Partikel, die um Winkel von mehr als 90 ° abgelenkt wurden. Um dies zu erklären, schlug Rutherford vor, dass die positive Ladung des Atoms nicht wie Thomson glaubte über das gesamte Volumen des Atoms verteilt ist, sondern in einem winzigen Kern im Zentrum konzentriert ist. Nur eine derart intensive Ladungskonzentration könnte ein elektrisches Feld erzeugen, das stark genug ist, um die beobachteten Alpha-Teilchen abzulenken. ^[15]

Entdeckung von Isotopen

Während des Experimentierens mit den Produkten des radioaktiven Zerfalls entdeckte der Radiochemiker Frederick Soddy 1913 , dass es an jeder Position im Periodensystem mehr als einen Atomtyp zu geben schien . ^[16] Der Begriff Isotop wurde von Margaret Todd als geeigneter Name für verschiedene Atome geprägt, die zum selben Element gehören. JJ Thomson entwickelte durch seine Arbeit an ionisierten Gasen eine Technik zur Isotopentrennung , die anschließend zur Entdeckung stabiler Isotope führte . ^[17]

Bohr-Modell

1913 schlug der Physiker Niels Bohr ein Modell vor, bei dem angenommen wurde, dass die Elektronen eines Atoms den Kern umkreisen, dies jedoch nur in einer endlichen Menge von Umlaufbahnen und nur bei diskreten Energieänderungen, die der Absorption oder entsprechen, zwischen diesen Umlaufbahnen springen könnten Strahlung eines Photons. ^[18] Diese Quantisierung wurde verwendet, um zu erklären, warum die Umlaufbahnen der Elektronen stabil sind (da normalerweise Beschleunigungsladungen, einschließlich Kreisbewegungen, kinetische Energie verlieren, die als elektromagnetische Strahlung emittiert wird, siehe Synchrotronstrahlung ) und warum Elemente elektromagnetische Strahlung absorbieren und emittieren Strahlung in diskreten Spektren. ^[19]

Später im selben Jahr lieferte Henry Moseley zusätzliche experimentelle Beweise für Niels Bohrs Theorie . Diese Ergebnisse verfeinerten das Modell von Ernest Rutherford und Antonius van den Broek , das vorschlug, dass das Atom in seinem Kern eine Reihe positiver Kernladungen enthält , die seiner (Atom-) Zahl im Periodensystem entsprechen. Bis zu diesen Experimenten war nicht bekannt, dass die Ordnungszahl eine physikalische und experimentelle Größe ist. Dass es gleich der atomaren Kernladung ist, bleibt bis heute das akzeptierte Atommodell. ^[20]

Chemische Bindungen zwischen Atomen wurden 1916 von Gilbert Newton Lewis als Wechselwirkungen zwischen ihren Elektronenbestandteilen erklärt. ^[21] Da bekannt war, dass sich die chemischen Eigenschaften der Elemente nach dem periodischen Gesetz weitgehend wiederholen , ^[22] schlug der amerikanische Chemiker Irving Langmuir 1919 vor, dies zu erklären, wenn die Elektronen in einem Atom in einigen verbunden oder geclustert wären Weise. Es wurde angenommen, dass Gruppen von Elektronen eine Reihe von Elektronenschalen um den Kern besetzen . ^[23]

Das Bohr-Modell des Atoms war das erste vollständige physikalische Modell des Atoms. Es beschrieb die Gesamtstruktur des Atoms, wie Atome miteinander verbunden sind, und sagte die Spektrallinien von Wasserstoff voraus. Bohrs Modell war nicht perfekt und wurde bald durch das genauere Schrödinger-Modell abgelöst, aber es reichte aus, um alle verbleibenden Zweifel daran zu zerstreuen, dass Materie aus Atomen besteht. Für Chemiker war die Idee des Atoms ein nützliches heuristisches Werkzeug gewesen, aber die Physiker hatten Zweifel, ob Materie wirklich aus Atomen besteht, da noch niemand ein vollständiges physikalisches Modell des Atoms entwickelt hatte.

Das Schrödinger-Modell

Das Stern-Gerlach-Experiment von 1922 lieferte weitere Belege für die Quantennatur atomarer Eigenschaften. Wenn ein Strahl aus Silberatomen durch ein speziell geformtes Magnetfeld geleitet wurde, wurde der Strahl in einer Weise aufgeteilt, die mit der Richtung des Drehimpulses oder Spins eines Atoms korrelierte . Da diese Drehrichtung anfänglich zufällig ist, wird erwartet, dass der Strahl in eine zufällige Richtung abgelenkt wird. Stattdessen wurde der Strahl in zwei Richtungskomponenten aufteilen, in der entsprechenden Atom Spin nach oben orientiert ist , oder nach unten in Bezug auf das Magnetfeld. ^[24]

1925 veröffentlichte Werner Heisenberg die erste konsistente mathematische Formulierung der Quantenmechanik ( Matrixmechanik ). ^[20] Ein Jahr zuvor hatte Louis de Broglie die De-Broglie-Hypothese vorgeschlagen : Alle Teilchen verhalten sich bis zu einem gewissen Grad wie Wellen. ^[25] Erwin Schrödinger verwendete diese Idee 1926 , um die Schrödinger-Gleichung , ein mathematisches Modell des Atoms, zu entwickeln (Wellenmechanik), die die Elektronen eher als dreidimensionale Wellenformen als als Punktteilchen beschrieb. ^[26]

Die Verwendung von Wellenformen zur Beschreibung von Partikeln hat zur Folge, dass es mathematisch unmöglich ist, zu einem bestimmten Zeitpunkt genaue Werte sowohl für die Position als auch für den Impuls eines Partikels zu erhalten. Dies wurde als das von Werner Heisenberg 1927 formulierte Unsicherheitsprinzip bekannt . ^[20] In diesem Konzept konnte man für eine gegebene Genauigkeit bei der Messung einer Position nur einen Bereich wahrscheinlicher Werte für den Impuls erhalten und umgekehrt. ^[27] Dieses Modell war in der Lage, Beobachtungen des atomaren Verhaltens zu erklären, die frühere Modelle nicht konnten, wie z. B. bestimmte strukturelle und spektraleMuster von Atomen größer als Wasserstoff. Daher wurde das Planetenmodell des Atoms zugunsten eines Modells verworfen, das Atomorbitalzonen um den Kern herum beschreibt, in denen ein bestimmtes Elektron am wahrscheinlichsten beobachtet wird. ^{[28] [29]}

Entdeckung des Neutrons

Die Entwicklung des Massenspektrometers ermöglichte es, die Masse der Atome mit erhöhter Genauigkeit zu messen. Das Gerät verwendet einen Magneten, um die Flugbahn eines Ionenstrahls zu biegen, und das Ausmaß der Ablenkung wird durch das Verhältnis der Masse eines Atoms zu seiner Ladung bestimmt. Der Chemiker Francis William Aston verwendete dieses Instrument, um zu zeigen, dass Isotope unterschiedliche Massen hatten. Die Atommasse dieser Isotope durch ganzzahlige Mengen variiert, die genannte ganze Zahl Regel . ^[30] Die Erklärung für diese verschiedenen Isotope wartete auf die Entdeckung des Neutrons , eines ungeladenen Teilchens mit einer dem Proton ähnlichen Masse , durch den Physiker James ChadwickIsotope wurden dann als Elemente mit der gleichen Anzahl von Protonen, aber einer unterschiedlichen Anzahl von Neutronen innerhalb des Kerns erklärt. ^[31]

Spaltung, Hochenergiephysik und kondensierte Materie

1938 richtete der deutsche Chemiker Otto Hahn , ein Schüler von Rutherford, Neutronen auf Uranatome, um Transuranelemente zu erhalten . Stattdessen zeigten seine chemischen Experimente Barium als Produkt. ^{[32] [33]} Ein Jahr später bestätigten Lise Meitner und ihr Neffe Otto Frisch, dass Hahns Ergebnis die erste experimentelle Kernspaltung war . ^{[34] [35]} 1944 erhielt Hahn den Nobelpreis für Chemie . Trotz Hahns Bemühungen wurden die Beiträge von Meitner und Frisch nicht anerkannt. ^[36]

In den 1950er Jahren ermöglichte die Entwicklung verbesserter Teilchenbeschleuniger und Teilchendetektoren den Wissenschaftlern, die Auswirkungen von Atomen zu untersuchen, die sich mit hohen Energien bewegen. ^{[37] Es} wurde festgestellt, dass Neutronen und Protonen Hadronen oder Komposite kleinerer Teilchen sind, die als Quarks bezeichnet werden . Es wurde das Standardmodell der Teilchenphysik entwickelt, das bisher die Eigenschaften des Kerns in Bezug auf diese subatomaren Teilchen und die Kräfte, die ihre Wechselwirkungen steuern, erfolgreich erklärt hat. ^[38]

Struktur

Subatomare Partikel

Obwohl das Wort Atom ursprünglich ein Teilchen bezeichnete, das nicht in kleinere Teilchen geschnitten werden kann, besteht das Atom in der modernen wissenschaftlichen Verwendung aus verschiedenen subatomaren Teilchen . Die Bestandteile eines Atoms sind das Elektron , das Proton und das Neutron .

Das Elektron ist bei weitem das am wenigsten massive dieser Teilchen bei 9,11 × 10 ^–31  kg , mit einer negativen elektrischen Ladung und einer Größe, die zu klein ist, um mit den verfügbaren Techniken gemessen zu werden. ^[39] Es war das leichteste Teilchen mit einer gemessenen positiven Ruhemasse bis zur Entdeckung der Neutrinomasse . Unter normalen Bedingungen werden Elektronen durch die Anziehungskraft, die durch entgegengesetzte elektrische Ladungen erzeugt wird, an den positiv geladenen Kern gebunden. Wenn ein Atom mehr oder weniger Elektronen als seine Ordnungszahl hat, wird es insgesamt negativ bzw. positiv geladen; Ein geladenes Atom wird als Ion bezeichnet . Elektronen sind seit dem späten 19. Jahrhundert bekannt, hauptsächlich dank JJ Thomson ; sehenGeschichte der subatomaren Physik für Details.

Protonen haben eine positive Ladung und eine 1,836-fache Masse des Elektrons bei 1,6726 × 10 ^–27  kg . Die Anzahl der Protonen in einem Atom wird als Ordnungszahl bezeichnet . Ernest Rutherford (1919) beobachtete, dass Stickstoff unter Beschuss mit Alpha-Partikeln scheinbar Wasserstoffkerne ausstößt. Bis 1920 hatte er akzeptiert, dass der Wasserstoffkern ein eigenständiges Teilchen innerhalb des Atoms ist, und es Proton genannt .

Neutronen haben keine elektrische Ladung und eine freie Masse, die das 1,839-fache der Masse des Elektrons beträgt, oder 1,6749 × 10 ^–27  kg . ^{[40] [41]} Neutronen sind die schwersten der drei Partikelbestandteile, aber ihre Masse kann durch die Kernbindungsenergie verringert werden . Neutronen und Protonen (zusammen als Nukleonen bezeichnet ) haben vergleichbare Dimensionen - in der Größenordnung von2,5 × 10 ^–15  m - obwohl die 'Oberfläche' dieser Partikel nicht scharf definiert ist. ^[42] Das Neutron wurde 1932 vom englischen Physiker James Chadwick entdeckt .

Im Standardmodell der Physik sind Elektronen echte Elementarteilchen ohne innere Struktur, während Protonen und Neutronen zusammengesetzte Teilchen sind, die aus Elementarteilchen bestehen, die Quarks genannt werden . Es gibt zwei Arten von Quarks in Atomen, die jeweils eine gebrochene elektrische Ladung aufweisen. Protonen bestehen aus zwei Up-Quarks (jeweils mit Ladung +)2/.3) und ein Daunenquark (mit einer Gebühr von -1/.3). Neutronen bestehen aus einem Up-Quark und zwei Down-Quarks. Diese Unterscheidung erklärt den Unterschied in Masse und Ladung zwischen den beiden Teilchen. ^{[43] [44]}

Die Quarks werden durch die starke Wechselwirkung (oder starke Kraft) zusammengehalten, die durch Gluonen vermittelt wird . Die Protonen und Neutronen wiederum werden im Kern durch die Kernkraft aneinander gehalten , die ein Rest der starken Kraft ist, die etwas unterschiedliche Bereichseigenschaften aufweist (weitere Informationen finden Sie im Artikel über die Kernkraft). Das Gluon gehört zur Familie der Eichbosonen , bei denen es sich um Elementarteilchen handelt, die physikalische Kräfte vermitteln. ^{[43] [44]}

Kern

Alle gebundenen Protonen und Neutronen in einem Atom bilden einen winzigen Atomkern und werden gemeinsam als Nukleonen bezeichnet . Der Radius eines Kerns ist ungefähr gleich Femtometrien , wobei die Gesamtzahl der Nukleonen ist. ^[45] Dies ist viel kleiner als der Radius des Atoms, der in der Größenordnung von 10 ⁵  fm liegt. Die Nukleonen sind durch ein kurzreichweitiges Anziehungspotential miteinander verbunden, das als verbleibende starke Kraft bezeichnet wird . Bei Entfernungen von weniger als 2,5 fm ist diese Kraft viel stärker als die elektrostatische Kraft , die bewirkt, dass sich positiv geladene Protonen gegenseitig abstoßen. ^[46]${\ displaystyle 1.07 {\ sqrt [{3}] {A}}}$ ${\ displaystyle A}$

Atome desselben Elements haben die gleiche Anzahl von Protonen, die als Ordnungszahl bezeichnet wird . Innerhalb eines einzelnen Elements kann die Anzahl der Neutronen variieren und das Isotop dieses Elements bestimmen . Die Gesamtzahl der Protonen und Neutronen bestimmt das Nuklid . Die Anzahl der Neutronen relativ zu den Protonen bestimmt die Stabilität des Kerns, wobei bestimmte Isotope radioaktiv zerfallen . ^[47]

Das Proton, das Elektron und das Neutron werden als Fermionen klassifiziert . Fermionen gehorchen dem Pauli-Ausschlussprinzip, das es identischen Fermionen wie mehreren Protonen verbietet , gleichzeitig denselben Quantenzustand einzunehmen. Somit muss jedes Proton im Kern einen Quantenzustand einnehmen, der sich von allen anderen Protonen unterscheidet, und das Gleiche gilt für alle Neutronen des Kerns und für alle Elektronen der Elektronenwolke. ^[48]

Ein Kern mit einer anderen Anzahl von Protonen als Neutronen kann möglicherweise durch einen radioaktiven Zerfall in einen Zustand niedrigerer Energie fallen, wodurch die Anzahl der Protonen und Neutronen enger übereinstimmt. Infolgedessen sind Atome mit einer übereinstimmenden Anzahl von Protonen und Neutronen stabiler gegen Zerfall, aber mit zunehmender Ordnungszahl erfordert die gegenseitige Abstoßung der Protonen einen zunehmenden Anteil an Neutronen, um die Stabilität des Kerns aufrechtzuerhalten. ^[48]

Die Anzahl der Protonen und Neutronen im Atomkern kann modifiziert werden, obwohl dies aufgrund der starken Kraft sehr hohe Energien erfordern kann. Kernfusion tritt auf, wenn sich mehrere Atomteilchen zu einem schwereren Kern verbinden, beispielsweise durch die energetische Kollision zweier Kerne. Zum Beispiel benötigen Protonen im Kern der Sonne Energien von 3 bis 10 keV, um ihre gegenseitige Abstoßung - die Coulomb-Barriere - zu überwinden und zu einem einzigen Kern zu verschmelzen. ^[49] Kernspaltungist der umgekehrte Prozess, bei dem ein Kern in zwei kleinere Kerne aufgeteilt wird - normalerweise durch radioaktiven Zerfall. Der Kern kann auch durch Beschuss mit hochenergetischen subatomaren Teilchen oder Photonen modifiziert werden. Wenn dies die Anzahl der Protonen in einem Kern verändert, ändert sich das Atom in ein anderes chemisches Element. ^{[50] [51]}

Wenn die Masse des Kerns nach einer Fusionsreaktion kleiner ist als die Summe der Massen der einzelnen Partikel, kann die Differenz zwischen diesen beiden Werten als eine Art nutzbarer Energie (wie ein Gammastrahl oder die kinetische Energie) emittiert werden eine Betateilchen ), wie sie beschrieben Albert Einstein ‚s Äquivalenz von Masse und Energie , Formel , in denen der Massenverlust und ist die Lichtgeschwindigkeit . Dieses Defizit ist Teil der Bindungsenergie des neuen Kerns, und es ist der nicht wiederherstellbare Energieverlust, der dazu führt, dass die verschmolzenen Partikel in einem Zustand zusammenbleiben, in dem sich diese Energie trennen muss. ^[52]${\ displaystyle E = mc ^ {2}}$${\ displaystyle m}$${\ displaystyle c}$

Die Fusion zweier Kerne, die größere Kerne mit niedrigeren Ordnungszahlen als Eisen und Nickel bilden - eine Gesamtnukleonenzahl von etwa 60 - ist normalerweise ein exothermer Prozess , der mehr Energie freisetzt, als erforderlich ist, um sie zusammenzubringen. ^[53] Es ist dieser Energie freisetzende Prozess, der die Kernfusion in Sternen zu einer sich selbst erhaltenden Reaktion macht. Bei schwereren Kernen beginnt die Bindungsenergie pro Nukleon im Kern abzunehmen. Das bedeutet, dass Fusionsprozesse, die Kerne mit Ordnungszahlen von mehr als etwa 26 und Atommassen von mehr als etwa 60 erzeugen , ein endothermer Prozess sind. Diese massereicheren Kerne können keine Energie erzeugende Fusionsreaktion eingehen, die das hydrostatische Gleichgewicht eines Sterns aufrechterhalten kann . ^[48]

Elektronen Wolke

Die Elektronen in einem Atom werden durch die elektromagnetische Kraft von den Protonen im Kern angezogen . Diese Kraft bindet die Elektronen in einem elektrostatischen Potentialtopf, der den kleineren Kern umgibt, was bedeutet, dass eine externe Energiequelle benötigt wird, damit das Elektron entweichen kann. Je näher ein Elektron am Kern ist, desto größer ist die Anziehungskraft. Daher benötigen Elektronen, die nahe dem Zentrum des Potentialtopfs gebunden sind, mehr Energie zum Entweichen als Elektronen mit größeren Abständen.

Elektronen haben wie andere Teilchen Eigenschaften sowohl eines Teilchens als auch einer Welle . Die Elektronenwolke ist ein Bereich innerhalb der Potentialwanne, in dem jedes Elektron eine Art dreidimensionale stehende Welle bildet - eine Wellenform, die sich nicht relativ zum Kern bewegt. Dieses Verhalten wird durch ein Atomorbital definiert , eine mathematische Funktion, die die Wahrscheinlichkeit charakterisiert, dass sich ein Elektron bei der Messung seiner Position an einem bestimmten Ort zu befinden scheint. ^[54] Um den Kern herum existiert nur ein diskreter (oder quantisierter ) Satz dieser Orbitale, da andere mögliche Wellenmuster schnell in eine stabilere Form zerfallen. ^[55]Orbitale können eine oder mehrere Ring- oder Knotenstrukturen aufweisen und sich in Größe, Form und Ausrichtung voneinander unterscheiden. ^[56]

Jedes Atomorbital entspricht einem bestimmten Energieniveau des Elektrons. Das Elektron kann seinen Zustand auf ein höheres Energieniveau ändern, indem es ein Photon mit ausreichender Energie absorbiert , um es in den neuen Quantenzustand zu bringen. Ebenso kann durch spontane Emission ein Elektron in einem Zustand höherer Energie in einen Zustand niedrigerer Energie fallen, während die überschüssige Energie als Photon abgestrahlt wird. Diese charakteristischen Energiewerte, definiert durch die Unterschiede in den Energien der Quantenzustände, sind für atomare Spektrallinien verantwortlich . ^[55]

Die zum Entfernen oder Hinzufügen eines Elektrons erforderliche Energiemenge - die Elektronenbindungsenergie - ist weitaus geringer als die Bindungsenergie von Nukleonen . Zum Beispiel sind nur 13,6 eV erforderlich, um ein Grundzustandselektron von einem Wasserstoffatom zu entfernen ^[57], verglichen mit 2,23  Millionen eV für die Spaltung eines Deuteriumkerns . ^[58] Atome sind elektrisch neutral, wenn sie die gleiche Anzahl von Protonen und Elektronen haben. Atome, die entweder ein Defizit oder einen Elektronenüberschuss aufweisen, werden als Ionen bezeichnet . Elektronen, die am weitesten vom Kern entfernt sind, können auf andere nahegelegene Atome übertragen oder zwischen Atomen geteilt werden. Durch diesen Mechanismus können AtomeBindung in Molekülen und andere Arten von chemischen Verbindungen , wie ionische und kovalente Netzwerk Kristalle . ^[59]

Eigenschaften

Nukleare Eigenschaften

Per Definition gehören zwei beliebige Atome mit einer identischen Anzahl von Protonen in ihren Kernen zu demselben chemischen Element . Atome mit gleicher Anzahl von Protonen, aber unterschiedlicher Anzahl von Neutronen sind unterschiedliche Isotope desselben Elements. Zum Beispiel lassen alle Wasserstoffatome genau ein Proton zu, aber Isotope existieren ohne Neutronen ( Wasserstoff-1 , bei weitem die häufigste Form, ^[60] auch Protium genannt), ein Neutron ( Deuterium ), zwei Neutronen ( Tritium ) und mehr als zwei Neutronen . Die bekannten Elemente bilden eine Reihe von Ordnungszahlen, vom Einzelprotonenelement Wasserstoff bis zum 118-Protonenelement Oganesson. ^[61] Alle bekannten Isotope von Elementen mit Ordnungszahlen größer als 82 sind radioaktiv, obwohl die Radioaktivität von Element 83 ( Wismut ) so gering ist, dass sie praktisch vernachlässigbar ist. ^{[62] [63]}

Etwa 339 Nuklide kommen in der Natur auf der Erde , ^[64] , von denen 252 (etwa 74%) nicht zu zerfallen beobachtet worden, und werden als „bezeichnen stabile Isotopen “. Theoretisch sind nur 90 Nuklide stabil , während bei weiteren 162 (insgesamt 252) kein Zerfall beobachtet wurde, obwohl dies theoretisch energetisch möglich ist. Diese werden auch formal als "stabil" eingestuft. Weitere 34 radioaktive Nuklide haben eine Halbwertszeit von mehr als 100 Millionen Jahren und sind langlebig genug, um seit der Geburt des Sonnensystems vorhanden zu sein . Diese Sammlung von 286 Nukliden ist als Urnuklide bekannt. Schließlich ist bekannt, dass weitere 53 kurzlebige Nuklide auf natürliche Weise auftreten, als Tochterprodukte des Zerfalls primordialer Nuklide (wie Radium aus Uran ) oder als Produkte natürlicher energetischer Prozesse auf der Erde, wie z. B. Beschuss mit kosmischen Strahlen (z. B. Kohlenstoff) -14). ^{[65] [Anmerkung 1]}

Für 80 der chemischen Elemente existiert mindestens ein stabiles Isotop . In der Regel gibt es für jedes dieser Elemente nur eine Handvoll stabiler Isotope, wobei der Durchschnitt bei 3,2 stabilen Isotopen pro Element liegt. Sechsundzwanzig Elemente haben nur ein einziges stabiles Isotop, während die größte Anzahl stabiler Isotope, die für ein Element beobachtet werden, zehn für das Element Zinn beträgt . Die Elemente 43 , 61 und alle Elemente mit der Nummer 83 oder höher haben keine stabilen Isotope. ^{[66] : 1–12}

Die Stabilität von Isotopen wird durch das Verhältnis von Protonen zu Neutronen sowie durch das Vorhandensein bestimmter "magischer Zahlen" von Neutronen oder Protonen beeinflusst, die geschlossene und gefüllte Quantenschalen darstellen. Diese Quantenschalen entsprechen einer Reihe von Energieniveaus innerhalb des Schalenmodells des Kerns; Gefüllte Schalen, wie die gefüllte Schale von 50 Protonen für Zinn, verleihen dem Nuklid ungewöhnliche Stabilität. Von den 252 bekannten stabilen Nukliden haben nur vier sowohl eine ungerade Anzahl von Protonen als auch eine ungerade Anzahl von Neutronen: Wasserstoff-2 ( Deuterium ), Lithium-6 , Bor-10 und Stickstoff-14. Außerdem haben nur vier natürlich vorkommende radioaktive ungerade ungerade Nuklide eine Halbwertszeit von über einer Milliarde Jahren: Kalium-40 , Vanadium-50 , Lanthan-138 und Tantal-180m . Die meisten ungerade-ungeraden Kerne sind in Bezug auf den Beta-Zerfall sehr instabil , da die Zerfallsprodukte gerade-gerade sind und daher aufgrund von Kernpaarungseffekten stärker gebunden sind . ^[67]

Masse

Der größte Teil der Masse eines Atoms stammt aus den Protonen und Neutronen, aus denen es besteht. Die Gesamtzahl dieser Teilchen ("Nukleonen" genannt) in einem gegebenen Atom wird als Massenzahl bezeichnet . Es ist eine positive ganze Zahl und dimensionslos (anstatt eine Massendimension zu haben), weil es eine Zählung ausdrückt. Ein Beispiel für die Verwendung einer Massenzahl ist "Kohlenstoff-12" mit 12 Nukleonen (sechs Protonen und sechs Neutronen).

Die tatsächliche Masse eines ruhenden Atoms wird häufig in Dalton (Da) ausgedrückt , auch als einheitliche Atommasseneinheit (u) bezeichnet. Diese Einheit ist definiert als ein Zwölftel der Masse eines freien neutralen Kohlenstoff-12- Atoms , was ungefähr entspricht1,66 × 10 ^–27  kg . ^[68] Wasserstoff-1 (das leichteste Wasserstoffisotop, das auch das Nuklid mit der niedrigsten Masse ist) hat ein Atomgewicht von 1,007825 Da. ^[69] Der Wert dieser Zahl wird als Atommasse bezeichnet . Ein gegebenes Atom hat eine Atommasse, die ungefähr (innerhalb von 1%) seiner Massenzahl multipliziert mit der Atommasseneinheit entspricht (zum Beispiel beträgt die Masse eines Stickstoff-14 ungefähr 14 Da), aber diese Zahl ist nicht genau eine ganze Zahl außer ( per Definition) im Fall von Kohlenstoff-12. ^[70] Das schwerste stabile Atom ist Blei-208 ^[62] mit einer Masse von207.976 6521  Da . ^[71]

Da selbst die massereichsten Atome viel zu leicht sind, um direkt damit zu arbeiten, verwenden Chemiker stattdessen die Moleinheit . Ein Mol Atome eines Elements hat immer die gleiche Anzahl von Atomen (ungefähr6,022 × 10 23 ). Diese Zahl wurde so gewählt, dass, wenn ein Element eine Atommasse von 1 u hat, ein Mol Atome dieses Elements eine Masse nahe einem Gramm hat. Aufgrund der Definition der einheitlichen Atommasseneinheit hat jedes Kohlenstoff-12-Atom eine Atommasse von genau 12 Da, und daher wiegt ein Mol Kohlenstoff-12-Atome genau 0,012 kg. ^[68]

Form und Größe

Atomen fehlt eine genau definierte Außengrenze, daher werden ihre Abmessungen normalerweise als Atomradius beschrieben . Dies ist ein Maß für die Entfernung, bis zu der sich die Elektronenwolke vom Kern erstreckt. ^[72] Dies setzt voraus, dass das Atom eine Kugelform aufweist, die nur für Atome im Vakuum oder im freien Raum eingehalten wird. Atomradien können aus den Abständen zwischen zwei Kernen abgeleitet werden, wenn die beiden Atome in einer chemischen Bindung verbunden sind . Der Radius variiert mit der Position eines Atoms auf dem Atomdiagramm, der Art der chemischen Bindung, der Anzahl benachbarter Atome ( Koordinationszahl ) und einer quantenmechanischen Eigenschaft, die als Spin bekannt ist . ^[73] Auf derIm Periodensystem der Elemente nimmt die Atomgröße beim Abwärtsbewegen von Spalten tendenziell zu, beim Überqueren von Zeilen jedoch ab (von links nach rechts). ^[74] Folglich ist das kleinste Atom Helium mit einem Radius von 32  pm , während eines der größten bei 225 pm Cäsium ist . ^[75]

Bei äußeren Kräften wie elektrischen Feldern kann die Form eines Atoms von der Kugelsymmetrie abweichen . Die Verformung hängt von der Feldgröße und dem Orbitaltyp der Elektronen der Außenhülle ab, wie gruppentheoretische Überlegungen zeigen. Asphärische Abweichungen können beispielsweise in Kristallen hervorgerufen werden , in denen große kristallelektrische Felder an Gitterstellen mit niedriger Symmetrie auftreten können . ^{[76] [77]} Signifikante ellipsoidal Verformungen gezeigt wurden für Schwefelionen auftreten ^[78] und Chalcogen - Ionen ^[79] in Pyrit -Typ Verbindungen.

Atomdimensionen sind tausendfach kleiner als die Wellenlängen des Lichts (400–700  nm ), sodass sie nicht mit einem optischen Mikroskop betrachtet werden können , obwohl einzelne Atome mit einem Rastertunnelmikroskop beobachtet werden können . Um die Kleinheit des Atoms zu veranschaulichen, wird angenommen, dass ein typisches menschliches Haar etwa 1 Million Kohlenstoffatome breit ist. ^[80] Ein einzelner Wassertropfen enthält etwa 2  Sextillionen (2 × 10 ²¹ ) Sauerstoffatome und doppelt so viele Wasserstoffatome. ^[81] Ein einzelner Karat Diamant mit einer Masse von2 × 10 ^–4  kg enthalten ungefähr 10 Sextillionen (10 ²² ) Atome Kohlenstoff . ^{[Anmerkung 2]} Wenn ein Apfel auf die Größe der Erde vergrößert würde, wären die Atome im Apfel ungefähr so ​​groß wie der ursprüngliche Apfel. ^[82]

Radioaktiver Zerfall

Jedes Element hat ein oder mehrere Isotope mit instabilen Kernen, die einem radioaktiven Zerfall unterliegen, wodurch der Kern Partikel oder elektromagnetische Strahlung emittiert. Radioaktivität kann auftreten, wenn der Radius eines Kerns im Vergleich zum Radius der starken Kraft, die nur über Entfernungen in der Größenordnung von 1 fm wirkt, groß ist. ^[83]

Die häufigsten Formen des radioaktiven Zerfalls sind: ^{[84] [85]}

• Alpha-Zerfall : Dieser Prozess wird verursacht, wenn der Kern ein Alpha-Teilchen emittiert, bei dem es sich um einen Heliumkern handelt, der aus zwei Protonen und zwei Neutronen besteht. Das Ergebnis der Emission ist ein neues Element mit einer niedrigeren Ordnungszahl .
• Beta-Zerfall (und Elektroneneinfang ): Diese Prozesse werden durch die schwache Kraft reguliert und resultieren aus der Umwandlung eines Neutrons in ein Proton oder eines Protons in ein Neutron. Der Übergang von Neutron zu Proton wird von der Emission eines Elektrons und eines Antineutrinos begleitet , während der Übergang von Proton zu Neutron (außer beim Elektroneneinfang) die Emission eines Positron und eines Neutrinos verursacht. Die Elektronen- oder Positronenemissionen werden Beta-Partikel genannt. Der Beta-Zerfall erhöht oder verringert die Ordnungszahl des Kerns um eins. Elektroneneinfang ist häufiger als Positronenemission, da weniger Energie benötigt wird. Bei dieser Art des Zerfalls wird ein Elektron vom Kern absorbiert und nicht ein vom Kern emittiertes Positron. Dabei wird immer noch ein Neutrino emittiert und ein Proton in ein Neutron umgewandelt.
• Gamma-Zerfall : Dieser Prozess resultiert aus einer Änderung des Energieniveaus des Kerns in einen niedrigeren Zustand, was zur Emission elektromagnetischer Strahlung führt. Der angeregte Zustand eines Kerns, der zu einer Gamma-Emission führt, tritt normalerweise nach der Emission eines Alpha-oder Beta-Partikels auf. Daher folgt der Gamma-Zerfall normalerweise dem Alpha-Zerfall oder dem Beta-Zerfall.

Andere seltenere Arten des radioaktiven Zerfalls umfassen das Ausstoßen von Neutronen oder Protonen oder Nukleonenclustern aus einem Kern oder mehr als einem Beta-Teilchen . Ein Analogon der Gamma-Emission, das es angeregten Kernen ermöglicht, Energie auf andere Weise zu verlieren, ist die interne Umwandlung - ein Prozess, bei dem Hochgeschwindigkeitselektronen erzeugt werden, die keine Betastrahlen sind, gefolgt von der Erzeugung von Hochenergiephotonen, die keine Gammastrahlen sind. Einige große Kerne explodieren in zwei oder mehr geladene Fragmente unterschiedlicher Masse plus mehrere Neutronen in einem Zerfall, der als spontane Kernspaltung bezeichnet wird .

Jedes radioaktive Isotop hat eine charakteristische Abklingzeit - die Halbwertszeit -, die durch die Zeit bestimmt wird, die die Hälfte einer Probe zum Zerfall benötigt. Dies ist ein exponentieller Zerfallsprozess , der den Anteil des verbleibenden Isotops in jeder Halbwertszeit stetig um 50% verringert. Daher sind nach Ablauf von zwei Halbwertszeiten nur noch 25% des Isotops vorhanden und so weiter. ^[83]

Magnetisches Moment

Elementarteilchen besitzen eine intrinsische quantenmechanische Eigenschaft, die als Spin bekannt ist . Dies ist analog zu dem Drehimpuls eines Objekts, das sich um seinen Massenschwerpunkt dreht , obwohl genau genommen angenommen wird, dass diese Teilchen punktförmig sind und nicht als rotierend bezeichnet werden können. Der Spin wird in Einheiten der reduzierten Planck-Konstante (ħ) gemessen , wobei Elektronen, Protonen und Neutronen alle Spin ½ ħ oder "Spin-½" haben. In einem Atom, Elektronen in Bewegung um den Kern besitzen Orbitaldrehimpuls zusätzlich zu ihren Spin, während der Kern selbst Drehimpuls aufgrund seiner Kernspin besitzt. ^[86]

Das magnetische Feld durch ein Atom-its erzeugte magnetische Moment -ist durch diese verschiedenen Formen des Drehimpulses bestimmt wird , ebenso wie ein rotierendes geladenes Objekt klassisch ein Magnetfeld erzeugt, aber die dominante Beitrag stammt von Elektronenspin. Aufgrund der Natur der Elektronen, die dem Pauli-Ausschlussprinzip folgen , bei dem keine zwei Elektronen im gleichen Quantenzustand gefunden werden dürfen, paaren sich gebundene Elektronen miteinander, wobei sich ein Mitglied jedes Paares in einem Spin-up-Zustand befindet und das andere in im Gegenteil, Spin-Down-Zustand. Somit heben sich diese Spins gegenseitig auf und reduzieren das gesamte magnetische Dipolmoment in einigen Atomen mit einer geraden Anzahl von Elektronen auf Null. ^[87]

In ferromagnetischen Elementen wie Eisen, Kobalt und Nickel führt eine ungerade Anzahl von Elektronen zu einem ungepaarten Elektron und einem magnetischen Gesamtmoment. Die Orbitale benachbarter Atome überlappen sich und ein Zustand niedrigerer Energie wird erreicht, wenn die Spins ungepaarter Elektronen miteinander ausgerichtet sind, ein spontaner Prozess, der als Austauschwechselwirkung bekannt ist . Wenn die magnetischen Momente ferromagnetischer Atome ausgerichtet sind, kann das Material ein messbares makroskopisches Feld erzeugen. Paramagnetische Materialien haben Atome mit magnetischen Momenten, die sich in zufälligen Richtungen ausrichten, wenn kein Magnetfeld vorhanden ist, aber die magnetischen Momente der einzelnen Atome in Gegenwart eines Feldes ausrichten. ^{[87] [88]}

Der Kern eines Atoms hat keinen Spin, wenn er gerade Zahlen von Neutronen und Protonen hat, aber für andere Fälle von ungeraden Zahlen kann der Kern einen Spin haben. Normalerweise sind Kerne mit Spin aufgrund des thermischen Gleichgewichts in zufälligen Richtungen ausgerichtet , aber für bestimmte Elemente (wie Xenon-129 ) ist es möglich, einen signifikanten Anteil der Kernspinzustände so zu polarisieren , dass sie in derselben Richtung ausgerichtet sind - eine Bedingung genannt Hyperpolarisation . Dies hat wichtige Anwendungen in der Magnetresonanztomographie . ^{[89] [90]}

Energieniveaus

Die potentielle Energie eines Elektrons in einem Atom ist negativ in Bezug darauf, wann der Abstand vom Kern bis unendlich geht ; seine Abhängigkeit von der Position des Elektrons erreicht das Minimum innerhalb des Kerns, ungefähr umgekehrt proportional zur Entfernung. Im quantenmechanischen Modell kann ein gebundenes Elektron nur eine Reihe von Zuständen einnehmen , die auf dem Kern zentriert sind, und jeder Zustand entspricht einem bestimmten Energieniveau . siehe zeitunabhängige Schrödinger - Gleichung für eine theoretische Erklärung. Ein Energieniveau kann anhand der Energiemenge gemessen werden, die zum Lösen der Bindung benötigt wirddas Elektron aus dem Atom und wird üblicherweise in Einheiten von Elektronenvolt (eV) angegeben. Der niedrigste Energiezustand eines gebundenen Elektrons wird als Grundzustand bezeichnet, dh als stationärer Zustand , während ein Elektronenübergang auf ein höheres Niveau zu einem angeregten Zustand führt. ^[91] Die Energie des Elektrons nimmt mit n zu, weil der (durchschnittliche) Abstand zum Kern zunimmt. Die Abhängigkeit der Energie von ℓ wird nicht durch das elektrostatische Potential des Kerns verursacht, sondern durch die Wechselwirkung zwischen Elektronen.

Damit ein Elektron zwischen zwei verschiedenen Zuständen übergehen kann , z. B. dem Grundzustand in den ersten angeregten Zustand , muss es ein Photon mit einer Energie absorbieren oder emittieren, die der Differenz der potentiellen Energie dieser Ebenen entspricht, was nach dem Niels-Bohr- Modell genau sein kann berechnet nach der Schrödinger-Gleichung . Elektronen springen partikelartig zwischen Orbitalen. Wenn beispielsweise ein einzelnes Photon auf die Elektronen trifft, ändert nur ein einzelnes Elektron als Reaktion auf das Photon den Zustand. siehe Elektroneneigenschaften .

Die Energie eines emittierten Photons ist proportional zu seiner Frequenz , daher erscheinen diese spezifischen Energieniveaus als unterschiedliche Bänder im elektromagnetischen Spektrum . ^[92] Jedes Element hat ein charakteristisches Spektrum, das von der Kernladung, den mit Elektronen gefüllten Unterschalen, den elektromagnetischen Wechselwirkungen zwischen den Elektronen und anderen Faktoren abhängen kann. ^[93]

Wenn ein kontinuierliches Energiespektrum durch ein Gas oder Plasma geleitet wird, werden einige der Photonen von Atomen absorbiert, wodurch Elektronen ihr Energieniveau ändern. Diese angeregten Elektronen, die an ihr Atom gebunden bleiben, emittieren diese Energie spontan als Photon, bewegen sich in eine zufällige Richtung und fallen so auf niedrigere Energieniveaus zurück. Somit verhalten sich die Atome wie ein Filter, der eine Reihe dunkler Absorptionsbanden in der Energieabgabe bildet. (Ein Beobachter, der die Atome aus einer Ansicht betrachtet, die das kontinuierliche Spektrum nicht im Hintergrund enthält, sieht stattdessen eine Reihe von Emissionslinien der von den Atomen emittierten Photonen.) Spektroskopische Messungen der Stärke und Breite atomarer Spektrallinienermöglichen die Bestimmung der Zusammensetzung und der physikalischen Eigenschaften eines Stoffes. ^[94]

Eine genaue Untersuchung der Spektrallinien zeigt, dass einige eine feine Strukturaufteilung aufweisen . Dies geschieht aufgrund der Spin-Bahn-Kopplung , bei der es sich um eine Wechselwirkung zwischen Spin und Bewegung des äußersten Elektrons handelt. ^[95] Wenn sich ein Atom in einem externen Magnetfeld befindet, werden Spektrallinien in drei oder mehr Komponenten aufgeteilt. Ein Phänomen namens Zeeman-Effekt . Dies wird durch die Wechselwirkung des Magnetfeldes mit dem magnetischen Moment des Atoms und seiner Elektronen verursacht. Einige Atome können mehrere Elektronenkonfigurationen habenmit dem gleichen Energieniveau, das somit als einzelne Spektrallinie erscheint. Die Wechselwirkung des Magnetfelds mit dem Atom verschiebt diese Elektronenkonfigurationen auf leicht unterschiedliche Energieniveaus, was zu mehreren Spektrallinien führt. ^[96] Das Vorhandensein eines externen elektrischen Feldes kann zu einer vergleichbaren Aufspaltung und Verschiebung von Spektrallinien führen, indem die Elektronenenergieniveaus modifiziert werden. Dieses Phänomen wird als Stark-Effekt bezeichnet . ^[97]

Wenn sich ein gebundenes Elektron in einem angeregten Zustand befindet, kann ein wechselwirkendes Photon mit der richtigen Energie eine stimulierte Emission eines Photons mit einem passenden Energieniveau verursachen. Dazu muss das Elektron in einen Zustand niedrigerer Energie fallen, dessen Energiedifferenz mit der Energie des wechselwirkenden Photons übereinstimmt. Das emittierte Photon und das wechselwirkende Photon bewegen sich dann parallel und mit passenden Phasen ab. Das heißt, die Wellenmuster der beiden Photonen sind synchronisiert. Diese physikalische Eigenschaft wird verwendet, um Laser herzustellen , die einen kohärenten Strahl von Lichtenergie in einem schmalen Frequenzband emittieren können. ^[98]

Valenz und Bindungsverhalten

Wertigkeit ist die Kombinationskraft eines Elements. Es wird durch die Anzahl der Bindungen bestimmt, die es an andere Atome oder Gruppen bilden kann. ^[99] Die äußersten Elektronenschale eines Atom in seinem ungebundenem Zustand ist bekannt als die Valenzschale , und die Elektronen in dieser Schale heißen Valenzelektronen . Die Anzahl der Valenzelektronen bestimmt das Bindungsverhalten mit anderen Atomen. Atome neigen dazu, chemisch so miteinander zu reagieren , dass ihre äußeren Valenzschalen gefüllt (oder geleert) werden. ^[100]Zum Beispiel ist eine Übertragung eines einzelnen Elektrons zwischen Atomen eine nützliche Näherung für Bindungen, die sich zwischen Atomen mit einem Elektron mehr als einer gefüllten Hülle bilden, und anderen, die ein Elektron weniger als eine volle Hülle haben, wie sie in der Verbindung auftreten Natriumchlorid und andere chemische ionische Salze. Viele Elemente weisen mehrere Valenzen oder Tendenzen auf, unterschiedliche Anzahlen von Elektronen in verschiedenen Verbindungen zu teilen. Daher nimmt die chemische Bindung zwischen diesen Elementen viele Formen der Elektronenteilung an, die mehr als einfache Elektronentransfers sind. Beispiele umfassen das Element Kohlenstoff und die organischen Verbindungen . ^[101]

Die chemischen Elemente werden häufig in einem Periodensystem angezeigt , das so angelegt ist, dass wiederkehrende chemische Eigenschaften angezeigt werden, und Elemente mit der gleichen Anzahl von Valenzelektronen bilden eine Gruppe, die in derselben Spalte der Tabelle ausgerichtet ist. (Die horizontalen Reihen entsprechen der Füllung einer Quantenhülle aus Elektronen.) Bei den Elementen ganz rechts in der Tabelle ist die äußere Hülle vollständig mit Elektronen gefüllt, was zu chemisch inerten Elementen führt, die als Edelgase bezeichnet werden . ^{[102] [103]}

Zustände

Mengen von Atomen befinden sich in verschiedenen Materiezuständen, die von den physikalischen Bedingungen wie Temperatur und Druck abhängen . Durch Variation der Bedingungen können Materialien zwischen Feststoffen , Flüssigkeiten , Gasen und Plasmen übergehen . ^[104] Innerhalb eines Zustands kann ein Material auch in verschiedenen Allotropen vorliegen . Ein Beispiel hierfür ist fester Kohlenstoff, der als Graphit oder Diamant vorliegen kann . ^{[105] Es gibt auch} gasförmige Allotrope wie Disauerstoff und Ozon .

Bei Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt können Atome ein Bose-Einstein-Kondensat bilden. An diesem Punkt werden quantenmechanische Effekte, die normalerweise nur auf atomarer Ebene beobachtet werden, auf makroskopischer Ebene sichtbar. ^{[106] [107]} Diese unterkühlte Ansammlung von Atomen verhält sich dann wie ein einzelnes Superatom , was grundlegende Überprüfungen des quantenmechanischen Verhaltens ermöglichen kann. ^[108]

Identifizierung

Während Atome zu klein sind, um gesehen zu werden, ermöglichen Geräte wie das Rastertunnelmikroskop (STM) ihre Visualisierung an den Oberflächen von Festkörpern. Das Mikroskop verwendet das Quantentunnel- Phänomen, das es Partikeln ermöglicht, eine Barriere zu passieren, die in der klassischen Perspektive unüberwindbar wäre. Elektronen tunneln durch das Vakuum zwischen zwei vorgespanntenElektroden, die einen Tunnelstrom liefern, der exponentiell von ihrer Trennung abhängt. Eine Elektrode ist eine scharfe Spitze, die idealerweise mit einem einzelnen Atom endet. An jedem Punkt des Scans der Oberfläche wird die Höhe der Spitze angepasst, um den Tunnelstrom auf einem festgelegten Wert zu halten. Wie viel sich die Spitze zur Oberfläche hin und von dieser weg bewegt, wird als Höhenprofil interpretiert. Für eine geringe Vorspannung bildet das Mikroskop die gemittelten Elektronenorbitale über dicht gepackte Energieniveaus ab - die lokale Dichte der elektronischen Zustände nahe dem Fermi-Niveau . ^{[109] [110]}Aufgrund der Abstände müssen beide Elektroden extrem stabil sein. Nur dann können Periodizitäten beobachtet werden, die einzelnen Atomen entsprechen. Die Methode allein ist chemisch nicht spezifisch und kann die an der Oberfläche vorhandenen Atomspezies nicht identifizieren.

Atome können leicht anhand ihrer Masse identifiziert werden. Wenn ein Atom durch Entfernen eines seiner Elektronen ionisiert wird, biegt sich seine Flugbahn, wenn es durch ein Magnetfeld läuft. Der Radius, um den die Flugbahn eines sich bewegenden Ions durch das Magnetfeld gedreht wird, wird durch die Masse des Atoms bestimmt. Das Massenspektrometer verwendet dieses Prinzip, um das Masse-Ladungs-Verhältnis von Ionen zu messen . Wenn eine Probe mehrere Isotope enthält, kann das Massenspektrometer den Anteil jedes Isotops in der Probe durch Messen der Intensität der verschiedenen Ionenstrahlen bestimmen. Techniken zum Verdampfen von Atomen umfassen induktiv gekoppelte Plasma-Atomemissionsspektroskopie und induktiv gekoppelte Plasma-MassenspektrometrieBeide verwenden ein Plasma, um Proben für die Analyse zu verdampfen. ^[111]

Der Atom-Sonden-Tomograph hat eine 3D-Auflösung im Subnanometerbereich und kann einzelne Atome mithilfe der Flugzeit-Massenspektrometrie chemisch identifizieren. ^[112]

Elektronenemissions Techniken wie Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS) und Auger - Elektronenspektroskopie (AES), die die Bindungsenergien der Messung von Kernelektronen , verwendet , um die Atomspezies in einer Probe in eine nicht-destruktiven Weise präsentieren zu identifizieren. Bei richtiger Fokussierung können beide bereichsspezifisch gemacht werden. Ein weiteres solches Verfahren ist die Elektronenenergieverlustspektroskopie (EELS), die den Energieverlust eines Elektronenstrahls in einem Transmissionselektronenmikroskop misst, wenn dieser mit einem Teil einer Probe interagiert.

Spektren angeregter Zustände können verwendet werden, um die atomare Zusammensetzung entfernter Sterne zu analysieren . Spezifische Lichtwellenlängen, die im beobachteten Licht von Sternen enthalten sind, können herausgetrennt und mit den quantisierten Übergängen in freien Gasatomen in Beziehung gesetzt werden. Diese Farben können mit einer Gasentladungslampe mit demselben Element nachgebildet werden . ^[113] Helium wurde auf diese Weise 23 Jahre vor seiner Entdeckung auf der Erde im Spektrum der Sonne entdeckt. ^[114]

Herkunft und aktueller Zustand

Baryonische Materie bildet etwa 4% der Gesamtenergiedichte des beobachtbaren Universums mit einer durchschnittlichen Dichte von etwa 0,25 Teilchen / m ³ (hauptsächlich Protonen und Elektronen). ^[115] In einer Galaxie wie der Milchstraße haben Partikel eine viel höhere Konzentration, wobei die Materiedichte im interstellaren Medium (ISM) zwischen 10 ⁵ und 10 ⁹ Atomen / m ^{3 liegt} . ^[116] Es wird angenommen, dass sich die Sonne innerhalb der lokalen Blase befindet , sodass die Dichte in der Sonnenumgebung nur etwa 10 ³ Atome / m ³ beträgt . ^[117] Sterne bilden sich aus dichten Wolken im ISM, und die Evolutionsprozesse der Sterne führen zu einer stetigen Anreicherung des ISM mit Elementen, die massereicher als Wasserstoff und Helium sind.

Bis zu 95% der baryonischen Materie der Milchstraße sind in Sternen konzentriert, wo die Bedingungen für atomare Materie ungünstig sind. Die gesamte baryonische Masse beträgt etwa 10% der Masse der Galaxie; ^[118] Der Rest der Masse ist eine unbekannte dunkle Materie . ^{[119] Durch} hohe Temperaturen in Sternen werden die meisten "Atome" vollständig ionisiert, dh alle Elektronen werden von den Kernen getrennt. In Sternresten - mit Ausnahme ihrer Oberflächenschichten - macht ein immenser Druck Elektronenschalen unmöglich.

Formation

Es wird angenommen, dass Elektronen im Universum seit den frühen Stadien des Urknalls existieren . Atomkerne bilden sich bei Nukleosynthesereaktionen . In etwa drei Minuten produzierte die Urknall-Nukleosynthese den größten Teil des Heliums , Lithiums und Deuteriums im Universum und möglicherweise einen Teil des Berylliums und des Bors . ^{[120] [121] [122]}

Die Allgegenwart und Stabilität von Atomen hängt von ihrer Bindungsenergie ab , was bedeutet, dass ein Atom eine niedrigere Energie hat als ein ungebundenes System aus Kern und Elektronen. Wenn die Temperatur viel höher als das Ionisationspotential ist , liegt die Materie in Form von Plasma vor - einem Gas aus positiv geladenen Ionen (möglicherweise bloßen Kernen) und Elektronen. Wenn die Temperatur unter das Ionisationspotential fällt, werden Atome statistisch günstig. Atome (komplett mit gebundenen Elektronen) dominierten 380.000 Jahre nach dem Urknall über geladene Teilchen - eine Epoche namens Rekombination, wenn sich das expandierende Universum so weit abgekühlt hat, dass Elektronen an Kerne gebunden werden können. ^[123]

Seit dem Urknall, der keinen Kohlenstoff oder schwerere Elemente produzierte , wurden Atomkerne in Sternen durch den Prozess der Kernfusion kombiniert , um mehr Element Helium zu produzieren , und (über den Triple-Alpha-Prozess ) die Sequenz der Elemente von Kohlenstoff bis Eisen ; ^[124] Einzelheiten siehe Sternnukleosynthese .

Isotope wie Lithium-6 sowie etwas Beryllium und Bor werden im Weltraum durch Spallation kosmischer Strahlen erzeugt . ^[125] Dies tritt auf, wenn ein hochenergetisches Proton auf einen Atomkern trifft und eine große Anzahl von Nukleonen ausgestoßen wird.

Elemente, die schwerer als Eisen sind, wurden in Supernovae und kollidierenden Neutronensternen durch den r-Prozess und in AGB-Sternen durch den s-Prozess erzeugt , wobei beide Neutronen durch Atomkerne eingefangen werden. ^[126] Elemente wie Blei entstanden größtenteils durch den radioaktiven Zerfall schwererer Elemente. ^[127]

Erde

Die meisten Atome, aus denen die Erde und ihre Bewohner bestehen, befanden sich in ihrer jetzigen Form im Nebel , der aus einer Molekülwolke herausfiel und das Sonnensystem bildete . Der Rest ist das Ergebnis des radioaktiven Zerfalls und ihr relativer Anteil kann verwendet werden, um das Alter der Erde durch radiometrische Datierung zu bestimmen . ^{[128] [129] Der} größte Teil des Heliums in der Erdkruste (etwa 99% des Heliums aus Gasbohrungen, wie die geringere Häufigkeit von Helium-3 zeigt ) ist ein Produkt des Alpha-Zerfalls . ^[130]

Es gibt einige Spurenatome auf der Erde, die zu Beginn nicht vorhanden waren (dh nicht "primordial"), noch sind Ergebnisse des radioaktiven Zerfalls. Kohlenstoff-14 wird kontinuierlich durch kosmische Strahlung in der Atmosphäre erzeugt. ^[131] Einige Atome auf der Erde wurden entweder absichtlich oder als Nebenprodukte von Kernreaktoren oder Explosionen künstlich erzeugt. ^{[132] [133]} Von den transuranischen Elementen - solche mit Ordnungszahlen größer als 92 - kommen auf der Erde natürlich nur Plutonium und Neptunium vor. ^{[134] [135]} Transuranische Elemente haben eine kürzere radioaktive Lebensdauer als das aktuelle Alter der Erde. ^[136]und somit sind identifizierbare Mengen dieser Elemente längst zerfallen, mit Ausnahme von Spuren von Plutonium-244, die möglicherweise durch kosmischen Staub abgelagert wurden. ^[128] Natürliche Ablagerungen von Plutonium und Neptunium entstehen durch Neutroneneinfang in Uranerz. ^[137]

Die Erde enthält ungefähr 1,33 × 10 ⁵⁰ Atome. ^[138] Obwohl nur wenige unabhängige Atome von Edelgasen wie Argon , Neon und Helium existieren , sind 99% der Atmosphäre in Form von Molekülen gebunden, darunter Kohlendioxid sowie zweiatomiger Sauerstoff und Stickstoff . An der Erdoberfläche bildet eine überwiegende Mehrheit der Atome verschiedene Verbindungen, darunter Wasser , Salz , Silikate und Oxide. Atome können auch kombiniert werden, um Materialien zu erzeugen, die nicht aus diskreten Molekülen bestehen, einschließlich Kristallen und flüssigen oder festen Metallen . ^{[139] [140]} Diese atomare Materie bildet vernetzte Anordnungen, denen die besondere Art der mit molekularer Materie verbundenen kleinräumigen unterbrochenen Ordnung fehlt. ^[141]

Seltene und theoretische Formen

Superschwere Elemente

Es ist bekannt, dass alle Nuklide mit Ordnungszahlen über 82 ( Blei ) radioaktiv sind. Auf der Erde existiert kein Nuklid mit einer Ordnungszahl von mehr als 92 ( Uran ) als Urnuklid , und schwerere Elemente haben im Allgemeinen kürzere Halbwertszeiten. Dennoch könnte eine " Insel der Stabilität " existieren, die relativ langlebige Isotope superschwerer Elemente ^[142] mit den Ordnungszahlen 110 bis 114 umfasst . ^{[143] Die} Vorhersagen für die Halbwertszeit des stabilsten Nuklids auf der Insel reichen von wenigen Minuten bis zu Millionen von Jahren. ^[144] In jedem Fall superschwere Elemente (mit Z. > 104) würde aufgrund einer zunehmenden Coulomb- Abstoßung (die zu einer spontanen Spaltung mit zunehmend kurzen Halbwertszeiten führt) ohne stabilisierende Effekte nicht existieren. ^[145]

Exotische Materie

Jedes Materieteilchen hat ein entsprechendes Antimaterieteilchen mit der entgegengesetzten elektrischen Ladung. Somit ist das Positron ein positiv geladenes Antielektron und das Antiproton ist ein negativ geladenes Äquivalent eines Protons . Wenn sich eine Materie und ein entsprechendes Antimaterieteilchen treffen, vernichten sie sich gegenseitig. Aus diesem Grund sind letztere zusammen mit einem Ungleichgewicht zwischen der Anzahl der Materie und den Antimaterieteilchen im Universum selten. Die ersten Ursachen für dieses Ungleichgewicht sind noch nicht vollständig geklärt, obwohl Theorien der Baryogenese eine Erklärung bieten könnten. Infolgedessen wurden in der Natur keine Antimaterie-Atome entdeckt. ^{[146] [147]}1996 wurde im CERN- Labor in Genf das Antimaterie-Gegenstück zum Wasserstoffatom ( Antiwasserstoff ) synthetisiert . ^{[148] [149]}

Andere exotische Atome wurden erzeugt, indem eines der Protonen, Neutronen oder Elektronen durch andere Teilchen mit der gleichen Ladung ersetzt wurde. Zum Beispiel kann ein Elektron durch ein massereicheres Myon ersetzt werden , das ein Myonatom bildet . Diese Arten von Atomen können verwendet werden, um grundlegende Vorhersagen der Physik zu testen. ^{[150] [151] [152]}

Siehe auch

Anmerkungen

Verweise