Atome sind die Grundeinheiten der Materie und die definierende Struktur der Elemente. Der Begriff „Atom“ kommt vom griechischen Wort für unteilbar, weil man einst dachte, Atome seien die kleinsten Dinge im Universum und könnten nicht geteilt werden. Wir wissen jetzt, dass Atome aus drei Teilchen bestehen: Protonen, Neutronen und Elektronen — die aus noch kleineren Teilchen wie Quarks bestehen.

Atome entstanden nach dem Urknall vor 13,7 Milliarden Jahren., Als sich das heiße, dichte neue Universum abkühlte, wurden Bedingungen für die Bildung von Quarks und Elektronen geeignet. Quarks kamen zusammen, um Protonen und Neutronen zu bilden, und diese Teilchen kombinierten sich zu Kernen. Dies alles fand laut CERN innerhalb der ersten Minuten der Existenz des Universums statt.

Es dauerte 380.000 Jahre, bis sich das Universum ausreichend abgekühlt hatte, um die Elektronen zu verlangsamen, so dass die Kerne sie einfangen konnten, um die ersten Atome zu bilden. Die frühesten Atome waren in erster Linie Wasserstoff und Helium, die nach Jefferson Lab immer noch die am häufigsten vorkommenden Elemente im Universum sind., Die Schwerkraft führte schließlich dazu, dass Gaswolken verschmelzen und Sterne bilden, und schwerere Atome wurden (und sind es immer noch) innerhalb der Sterne erzeugt und durch das Universum geschickt, als der Stern explodierte (Supernova).

Atomteilchen

Protonen und Neutronen sind schwerer als Elektronen und befinden sich im Kern in der Mitte des Atoms. Elektronen sind extrem leicht und existieren in einer Wolke, die den Kern umkreist. Laut dem Los Alamos National Laboratory hat die Elektronenwolke einen Radius, der 10.000 Mal größer ist als der Kern.,

Protonen und Neutronen haben ungefähr die gleiche Masse. Ein Proton ist jedoch etwa 1.835 mal massiver als ein Elektron. Atome haben immer eine gleiche Anzahl von Protonen und Elektronen, und die Anzahl der Protonen und Neutronen ist normalerweise auch die gleiche. Das Hinzufügen eines Protons zu einem Atom macht ein neues Element, während das Hinzufügen eines Neutrons ein Isotop oder eine schwerere Version dieses Atoms ergibt.

Nucleus

Der Kern wurde 1911 von Ernest Rutherford, einem neuseeländischen Physiker, entdeckt., 1920 schlug Rutherford den Namen Proton für die positiv geladenen Teilchen des Atoms vor. Er theoretisierte auch, dass sich im Kern ein neutrales Teilchen befand, was James Chadwick, ein britischer Physiker und Student von Rutherford, 1932 bestätigen konnte.

Nahezu die gesamte Masse eines Atoms befindet sich laut Chemistry LibreTexts in seinem Kern. Die Protonen und Neutronen, aus denen der Kern besteht, haben ungefähr die gleiche Masse (das Proton ist etwas weniger) und haben den gleichen Drehimpuls oder Spin.,

Der Kern wird durch die starke Kraft, eine der vier Grundkräfte in der Natur, zusammengehalten. Diese Kraft zwischen den Protonen und Neutronen überwindet die abstoßende elektrische Kraft, die sonst die Protonen nach den Regeln der Elektrizität auseinanderdrücken würde. Einige Atomkerne sind instabil, da die Bindungskraft je nach Größe des Kerns für verschiedene Atome variiert. Diese Atome zerfallen dann in andere Elemente, wie Kohlenstoff-14 zerfällt in Stickstoff-14.,

Hier ist eine einfache Zeichnung der Struktur eines atoms. (Bildnachweis:)

Protonen

Protonen sind positiv geladene Teilchen, die in Atomkernen vorkommen. Rutherford entdeckte sie in Experimenten mit Kathodenstrahlröhren, die zwischen 1911 und 1919 durchgeführt wurden. Protonen sind etwa 99,86% so massiv wie Neutronen.

Die Anzahl der Protonen in einem Atom ist für jedes Element eindeutig., Zum Beispiel haben Kohlenstoffatome sechs Protonen, Wasserstoffatome haben eins und Sauerstoffatome haben acht. Die Anzahl der Protonen in einem Atom wird als Ordnungszahl dieses Elements bezeichnet. Die Anzahl der Protonen bestimmt auch das Chemische Verhalten des Elements. Elemente sind im Periodensystem der Elemente in der Reihenfolge zunehmender Ordnungszahl angeordnet.,

Drei Quarks bilden jedes Proton — zwei“ up “ – Quarks (jeweils mit einer positiven Ladung von zwei Dritteln) und ein „down“-Quark (mit einer negativen Ladung von einem Drittel)-und sie werden von anderen subatomaren Teilchen, den sogenannten Gluonen, zusammengehalten, die massenlos sind.

Elektronen

Elektronen sind winzig im Vergleich zu Protonen und Neutronen, über 1.800 mal kleiner als entweder ein Proton oder ein Neutron. Elektronen sind etwa 0,054% so massiv wie Neutronen, nach Jefferson Lab.

Joseph John (J. J.) Thomson, ein britischer Physiker, entdeckte das Elektron 1897 nach Angaben des Science History Institute., Ursprünglich als „Korpuskel“ bekannt, haben Elektronen eine negative Ladung und werden elektrisch von den positiv geladenen Protonen angezogen. Elektronen umgeben den Atomkern in Bahnen, die Orbitale genannt werden, eine Idee, die von Erwin Schrödinger, einem österreichischen Physiker, in den 1920er Jahren entwickelt wurde. Heute ist dieses Modell als Quantenmodell oder Elektronenwolkenmodell bekannt. Die inneren Orbitale, die das Atom umgeben, sind kugelförmig, aber die äußeren Orbitale sind viel komplizierter.

Die Elektronenkonfiguration eines Atoms bezieht sich auf die Positionen der Elektronen in einem typischen Atom., Mithilfe der Elektronenkonfiguration und der Prinzipien der Physik können Chemiker laut Los Alamos National Laboratory die Eigenschaften eines Atoms wie Stabilität, Siedepunkt und Leitfähigkeit vorhersagen.

Neutronen

Die Existenz des Neutrons wurde 1920 von Rutherford theoretisiert und 1932 von Chadwick entdeckt, so die American Physical Society. Neutronen wurden während Experimenten gefunden, als Atome auf eine dünne Berylliumschicht geschossen wurden. Subatomare Teilchen ohne Ladung wurden freigesetzt – das Neutron.,

Neutronen sind ungeladene Teilchen, die in allen Atomkernen (außer Wasserstoff) vorkommen. Die Masse eines Neutrons ist etwas größer als die eines Protons. Wie Protonen bestehen auch Neutronen aus Quarks — einem „Aufwärts“ – Quark (mit einer positiven 2/3-Ladung) und zwei „Abwärts“ – Quarks (jeweils mit einer negativen Ladung von einem Drittel).

Geschichte des Atoms

Die Theorie des Atoms reicht mindestens bis 440 v. Chr. zurück zu Demokrit, einem griechischen Wissenschaftler und Philosophen. Demokrit baute seine Theorie der Atome höchstwahrscheinlich auf der Arbeit früherer Philosophen auf, nach Andrew G., Van Melsen, Autor von „From Atomos to Atom: The History of the Concept Atom“ (Duquesne University Press, 1952).

Demokrit‘ Erklärung des atoms beginnt mit einem Stein. Ein halber Stein gibt zwei Hälften desselben Steins. Wenn der Stein kontinuierlich geschnitten würde, gäbe es irgendwann ein Stück Stein, das klein genug wäre, dass es nicht mehr geschnitten werden könnte. Der Begriff „Atom“ kommt vom griechischen Wort für unteilbar, was Demokrit zu dem Schluss brachte, dass der Punkt sein muss, an dem ein Wesen (irgendeine Form von Materie) nicht mehr geteilt werden kann.,

Seine Erklärung beinhaltete die Vorstellung, dass Atome getrennt voneinander existieren, dass es unendlich viele Atome gibt, dass Atome sich bewegen können, dass sie sich zu Materie zusammenfügen können, aber nicht verschmelzen, um ein neues Atom zu werden, und dass sie nicht geteilt werden können Universum heute. Da jedoch die meisten Philosophen zu dieser Zeit — insbesondere der sehr einflussreiche Aristoteles — glaubten, dass alle Materie aus Erde, Luft, Feuer und Wasser geschaffen wurde, wurde Demokrit‘ Atomtheorie beiseite gelegt.,

John Dalton, ein britischer Chemiker, baute 1803 auf Demokrit‘ Ideen auf, als er seine eigene Atomtheorie vorlegte, so die Abteilung Chemie an der Purdue University. Daltons Theorie enthielt mehrere Ideen von Demokrit, wie Atome unteilbar und unzerstörbar sind und dass sich verschiedene Atome bilden, um alle Materie zu erschaffen., Daltons Ergänzungen zur Theorie beinhalteten die folgenden Ideen: Dass alle Atome eines bestimmten Elements identisch waren, dass Atome eines Elements unterschiedliche Gewichte und Eigenschaften haben als Atome eines anderen Elements, dass Atome nicht erzeugt oder zerstört werden können und dass Materie durch Atome gebildet wird, die sich in einfachen ganzen Zahlen kombinieren.

Thomson, der britische Physiker, der das Elektron 1897 entdeckte, bewies, dass Atome nach Angaben der Chemical Heritage Foundation geteilt werden können., Er konnte die Existenz von Elektronen bestimmen, indem er die Eigenschaften der elektrischen Entladung in Kathodenstrahlröhren untersuchte. Laut Thomsons Papier von 1897 wurden die Strahlen innerhalb der Röhre abgelenkt, was bewies, dass in der Vakuumröhre etwas negativ geladen war. 1899 veröffentlichte Thomson eine Beschreibung seiner Version des Atoms, die allgemein als „Plum Pudding“ bekannt ist.“Ein Auszug dieses Papiers finden Sie auf der Website des Chem-Teams., Thomsons Modell des Atoms enthielt eine große Anzahl von Elektronen, die in etwas suspendiert waren, das eine positive Ladung erzeugte, die dem Atom eine insgesamt neutrale Ladung gab. Sein Modell ähnelte Pflaumenpudding, einem beliebten britischen Dessert mit Rosinen, die in einem runden kuchenartigen Ball aufgehängt waren.

Der nächste Wissenschaftler, der das Atommodell weiter modifizierte und weiterentwickelte, war Rutherford, der laut der Chemieabteilung der Purdue University bei Thomson studierte. Im Jahr 1911 veröffentlichte Rutherford seine Version des Atoms, die einen positiv geladenen Kern enthielt, der von Elektronen umkreist wurde., Dieses Modell entstand, als Rutherford und seine Assistenten Alphateilchen auf dünne Goldplatten abfeuerten. Ein Alphateilchen besteht aus zwei Protonen und zwei Neutronen, die alle von derselben starken Kernkraft zusammengehalten werden, die den Kern bindet, so das Jefferson Lab.

Die Wissenschaftler stellten fest, dass ein kleiner Prozentsatz der Alphateilchen in sehr großen Winkeln zur ursprünglichen Bewegungsrichtung verstreut war, während die Mehrheit kaum gestört durchlief., Rutherford konnte sich der Größe des Kerns des Goldatoms annähern und fand, dass er mindestens 10.000 Mal kleiner war als die Größe des gesamten Atoms, wobei ein Großteil des Atoms leerer Raum war. Rutherfords Modell des Atoms ist immer noch das Grundmodell, das heute verwendet wird.,

Mehrere andere Wissenschaftler förderten das Atommodell, darunter Niels Bohr (basierend auf Rutherfords Modell, um Eigenschaften von Elektronen basierend auf dem Wasserstoffspektrum aufzunehmen), Erwin Schrödinger (entwickelte das Quantenmodell des Atoms), Werner Heisenberg (erklärte, dass man nicht sowohl die Position als auch die Geschwindigkeit eines Elektrons gleichzeitig kennen kann) und Murray Gell-Mann und George Zweig (unabhängig entwickelten die Theorie, dass Protonen und Neutronen aus Quarks bestehen).