Atome sind die Grundeinheiten der Materie und die definierende Struktur von Elementen. Der Begriff "Atom" kommt vom griechischen Wort für unteilbar, weil man früher 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 wurden nach dem Urknall vor 13,7 Milliarden Jahren geschaffen. Als sich das heiße, dichte neue Universum abkühlte, wurden die Bedingungen für die Bildung von Quarks und Elektronen geeignet. Quarks bildeten Protonen und Neutronen, und diese Teilchen vereinigten sich zu Kernen. Dies alles geschah laut CERN innerhalb der ersten Minuten der Existenz des Universums.
Es dauerte 380.000 Jahre, bis das Universum genug abgekühlt war, um die Elektronen zu verlangsamen, damit die Kerne sie einfangen und die ersten Atome bilden konnten. Die frühesten Atome waren laut Jefferson Lab hauptsächlich Wasserstoff und Helium, die immer noch die am häufigsten vorkommenden Elemente im Universum sind. Die Schwerkraft führte schließlich dazu, dass Gaswolken verschmolzen und Sterne bildeten, und schwerere Atome wurden (und werden) 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 im Zentrum des Atoms. Elektronen sind extrem leicht und existieren in einer Wolke, die den Kern umkreist. Die Elektronenwolke hat laut dem Los Alamos National Laboratory 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 so massereich wie ein Elektron. Atome haben immer die gleiche Anzahl von Protonen und Elektronen, und die Anzahl von Protonen und Neutronen ist normalerweise auch gleich. Das Hinzufügen eines Protons zu einem Atom ergibt ein neues Element, während das Hinzufügen eines Neutrons ein Isotop oder eine schwerere Version dieses Atoms ergibt.
Kern
Der Kern wurde 1911 von Ernest Rutherford, einem Physiker aus Neuseeland, entdeckt. 1920 schlug Rutherford den Namen Proton für die positiv geladenen Teilchen des Atoms vor. Er vermutete auch, dass sich im Kern ein neutrales Teilchen befand, das James Chadwick, ein britischer Physiker und Schüler von Rutherford, 1932 bestätigen konnte.
Laut Chemistry LibreTexts befindet sich praktisch die gesamte Masse eines Atoms in seinem Kern. Die Protonen und Neutronen, aus denen der Kern besteht, haben ungefähr die gleiche Masse (das Proton ist etwas geringer) und den gleichen Drehimpuls oder Spin.
Der Kern wird durch die starke Kraft zusammengehalten, eine der vier Grundkräfte in der Natur. Diese Kraft zwischen den Protonen und Neutronen überwindet die abstoßende elektrische Kraft, die sonst die Protonen gemäß den Regeln der Elektrizität auseinander drücken würde. Einige Atomkerne sind instabil, da die Bindungskraft für verschiedene Atome je nach Größe des Kerns variiert. Diese Atome zerfallen dann in andere Elemente, wie z. B. Kohlenstoff-14, der in Stickstoff-14 zerfällt.
Protonen
Protonen sind positiv geladene Teilchen in Atomkernen. Rutherford entdeckte sie in Experimenten mit Kathodenstrahlröhren, die zwischen 1911 und 1919 durchgeführt wurden. Protonen sind etwa 99,86% so massereich wie Neutronen.
Die Anzahl der Protonen in einem Atom ist für jedes Element einzigartig. Beispielsweise haben Kohlenstoffatome sechs Protonen, Wasserstoffatome eines und Sauerstoffatome 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. Die Elemente sind im Periodensystem der Elemente in der Reihenfolge zunehmender Ordnungszahl angeordnet.
Jedes Proton besteht aus drei Quarks - zwei "Auf" -Quarks (jeweils mit einer positiven Ladung von zwei Dritteln) und einem "Ab" -Quark (mit einer negativen Ladung von einem Drittel) - und sie werden von anderen subatomaren Teilchen zusammengehalten, die Gluonen genannt werden. die sind masselos.
Elektronen
Elektronen sind im Vergleich zu Protonen und Neutronen winzig und über 1.800 Mal kleiner als ein Proton oder ein Neutron. Laut Jefferson Lab sind Elektronen etwa 0,054% so massereich wie Neutronen.
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 von den positiv geladenen Protonen elektrisch angezogen. Elektronen umgeben den Atomkern in Bahnen, sogenannten Orbitalen, eine Idee, die der österreichische Physiker Erwin Schrödinger in den 1920er Jahren vorbrachte. Dieses Modell ist heute als Quantenmodell oder Elektronenwolkenmodell bekannt. Die das Atom umgebenden inneren Orbitale sind kugelförmig, die äußeren Orbitale jedoch 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 die Eigenschaften eines Atoms wie Stabilität, Siedepunkt und Leitfähigkeit vorhersagen, so das Los Alamos National Laboratory.
Neutronen
Die Existenz des Neutrons wurde 1920 von Rutherford theoretisiert und 1932 von Chadwick nach Angaben der American Physical Society entdeckt. Neutronen wurden während der Experimente gefunden, als Atome auf eine dünne Schicht Beryllium geschossen wurden. Subatomare Teilchen ohne Ladung wurden freigesetzt - das Neutron.
Neutronen sind ungeladene Teilchen, die sich in allen Atomkernen befinden (außer Wasserstoff). Die Masse eines Neutrons ist etwas größer als die eines Protons. Wie Protonen bestehen auch Neutronen aus Quarks - einem "Up" -Quark (mit einer positiven Ladung von 2/3) und zwei "Down" -Quarks (mit jeweils einer negativen Ladung von einem Drittel).
Geschichte des Atoms
Die Theorie des Atoms reicht mindestens bis 440 v. Chr. Zurück. an Demokrit, einen griechischen Wissenschaftler und Philosophen. Demokrit baute seine Atomtheorie höchstwahrscheinlich auf der Arbeit früherer Philosophen auf, so Andrew G. Van Melsen, Autor von "Vom Atom zum Atom: Die Geschichte des Konzeptatoms" (Duquesne University Press, 1952).
Demokrits Erklärung des Atoms beginnt mit einem Stein. Ein in zwei Hälften geschnittener Stein ergibt zwei Hälften desselben Steins. Wenn der Stein kontinuierlich geschnitten würde, würde irgendwann ein Stück des Steins existieren, das klein genug ist, dass es nicht mehr geschnitten werden könnte. Der Begriff "Atom" kommt vom griechischen Wort für unteilbar, und Demokrit schloss daraus, dass es der Punkt sein muss, an dem ein Wesen (jede Form von Materie) nicht mehr geteilt werden kann.
Seine Erklärung beinhaltete die Idee, dass Atome getrennt voneinander existieren, dass es unendlich viele Atome gibt, dass Atome sich bewegen können, dass sie sich zu Materie verbinden können, aber nicht zu einem neuen Atom verschmelzen und dass sie kann laut Universe Today nicht geteilt werden. 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 Demokrits Atomtheorie beiseite gelegt.
John Dalton, ein britischer Chemiker, baute 1803 auf Demokrits Ideen auf, als er laut der Chemieabteilung der Purdue University seine eigene Atomtheorie aufstellte. Daltons Theorie enthielt mehrere Ideen von Demokrit, wie Atome sind unteilbar und unzerstörbar und dass sich verschiedene Atome zusammen 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 andere Gewichte und Eigenschaften haben als Atome eines anderen Elements, dass Atome nicht erzeugt oder zerstört werden können und dass Materie durch gebildet wird Atome verbinden sich in einfachen ganzen Zahlen.
Thomson, der britische Physiker, der das Elektron 1897 entdeckte, bewies laut der Chemical Heritage Foundation, dass Atome 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 sich in der Vakuumröhre etwas negativ geladen befand. Im Jahr 1899 veröffentlichte Thomson eine Beschreibung seiner Version des Atoms, allgemein bekannt als "Plum Pudding Model". Ein Auszug dieses Dokuments befindet sich 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, was dem Atom eine neutrale Gesamtladung verlieh. Sein Modell ähnelte Pflaumenpudding, einem beliebten britischen Dessert, bei dem Rosinen in einer runden kuchenartigen Kugel aufgehängt waren.
Der nächste Wissenschaftler, der das Atommodell weiter modifizierte und weiterentwickelte, war Rutherford, der laut der Chemieabteilung der Purdue University bei Thomson studierte. 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 Alpha-Partikel auf dünne Goldbleche feuerten. Ein Alpha-Teilchen besteht aus zwei Protonen und zwei Neutronen, die laut Jefferson Lab alle durch dieselbe starke Kernkraft zusammengehalten werden, die den Kern bindet.
Die Wissenschaftler stellten fest, dass ein kleiner Prozentsatz der Alpha-Partikel in sehr großen Winkeln zur ursprünglichen Bewegungsrichtung gestreut war, während die Mehrheit kaum gestört hindurchging. Rutherford war in der Lage, die Größe des Kerns des Goldatoms zu approximieren und stellte fest, dass er mindestens 10.000-mal kleiner als die Größe des gesamten Atoms war, wobei ein Großteil des Atoms ein 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 (aufgebaut auf Rutherfords Modell, um Eigenschaften von Elektronen basierend auf dem Wasserstoffspektrum einzubeziehen), Erwin Schrödinger (entwickelt das Quantenmodell des Atoms), Werner Heisenberg (erklärte, dass man nicht beide kennen kann Position und Geschwindigkeit eines Elektrons gleichzeitig) und Murray Gell-Mann und George Zweig (entwickelten unabhängig voneinander die Theorie, dass Protonen und Neutronen aus Quarks bestehen).
