Elementarteilchen

Jedes Atom besteht aus drei Typen von Elementarteilchen: Protonen und Neutronen im Atomkern, Elektronen in der Atomhülle. Protonen sind positiv (+1), Neutronen neutral (0), Elektronen negativ (−1).

Die Ordnungszahl gibt die Protonenzahl an und bestimmt die Position im Periodensystem. Die Massenzahl = Protonen + Neutronen und entspricht der ungefähren Atommasse in u. Beispiel Kohlenstoff (C): Ordnungszahl 6, Massenzahl 12 → 6 Protonen + 6 Neutronen.

Die Elektronenmasse beträgt nur ca. 0,0005 u – etwa 1/1836 der Protonenmasse. In der Schulchemie wird sie als ≈ 0 u vereinfacht. Die Atommasse wird praktisch vollständig durch Protonen und Neutronen bestimmt.

Man addiert die Ladungen aller Elementarteilchen: Proton = +1, Elektron = −1, Neutron = 0. Ein Kation (positiv) entsteht durch Elektronenabgabe, ein Anion (negativ) durch Elektronenaufnahme. Beispiel: Na⁺ hat 11 Protonen und 10 Elektronen → Ladung = +1.

Isotope sind Atome desselben Elements mit gleicher Protonenzahl, aber unterschiedlicher Neutronenzahl (→ verschiedene Massenzahlen). Beispiel: ¹²C und ¹⁴C haben beide 6 Protonen, aber 6 bzw. 8 Neutronen. Chemisch verhalten sie sich identisch.

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Elementarteilchen sind die Bausteine eines Atoms. Es gibt drei: Protonen (Masse 1 u, Ladung +1, im Kern), Neutronen (Masse 1 u, Ladung 0, im Kern) und Elektronen (Masse ≈ 0 u, Ladung −1, in der Elektronenhülle). Protonen und Neutronen heißen zusammen auch Nukleonen.

Die Kernladungszahl = Anzahl der Protonen im Kern = Ordnungszahl des Elements im Periodensystem. Die Massenzahl (= Nukleonenzahl) = Anzahl Protonen + Anzahl Neutronen. Beim Aluminium ²⁷₁₃Al: Kernladungszahl = Ordnungszahl = 13 (Protonen), Massenzahl = 27 (13 Protonen + 14 Neutronen).

Der Durchmesser der Atomhülle beträgt etwa 10 000-mal den Durchmesser des Atomkerns. Der Kern enthält fast die gesamte Masse des Atoms, aber fast kein Volumen. Die Hülle ist kein festes Objekt – sie ist lediglich der Bereich, in dem sich die Elektronen aufhalten. Der übrige Teil des Atoms ist „leer".

Auf sehr kurze Abstände wirkt die sogenannte starke Kernkraft (Kernbindungskraft), die stärker ist als die elektrische Abstoßung zwischen den positiv geladenen Protonen. Neutronen helfen dabei, diese Kraft zu vermitteln und den Kern zusammenzuhalten. Die starke Kernkraft ist Thema der Physik – in der Chemie arbeiten wir vereinfachend mit dem Kern-Hülle-Modell.

Rutherford beschrieb erstmals den Aufbau aus Kern und Hülle. Niels Bohr erweiterte dieses Modell: Elektronen bewegen sich auf bestimmten Bahnen (Energiestufen, Schalen) um den Kern – man spricht vom Bohrschen Schalenmodell. Das modernste Modell für die Schule ist das Kugelwolkenmodell (KWM), das die Aufenthaltswahrscheinlichkeit der Elektronen beschreibt.

Der Atomkern besteht aus Protonen und Neutronen. Er ist positiv geladen, da Protonen die Ladung +1 tragen und Neutronen neutral sind. → Wiederholung: Elementarteilchen

Die Elektronen bewegen sich auf ganz bestimmten Bahnen (Schalen / Energiestufen) um den Kern. Die innerste Schale (K) wird zuerst besetzt. Erst wenn sie voll ist, werden äußere Schalen gefüllt.

Maximale Elektronenzahl pro Schale = 2 · n², wobei n die Schalennummer ist. Beispiele: K (n=1) → 2, L (n=2) → 8, M (n=3) → 18.

Auf die K-Schale (innerste, energieärmste Schale). Elektronen besetzen immer zuerst die energieärmste verfügbare Schale.

L-Schale → n = 2 → 2 · n² = 2 · 4 = 8 Elektronen.

Fast der gesamte Raum eines Atoms besteht aus leerem Raum. Der winzige Kern enthält fast die gesamte Masse, nimmt aber nur einen verschwindend kleinen Teil des Atomvolumens ein. → Größenverhältnis Kern/Hülle

1. Postulat: Elektronen bewegen sich nur auf bestimmten Bahnen (Schalen/Energiestufen) um den Kern – keine anderen Positionen möglich. 2. Postulat: Jede Schale fasst maximal 2·n² Elektronen (n = Schalennummer). Innerste Schale wird zuerst besetzt.

Beides bezeichnet dasselbe: den Bereich, in dem sich Elektronen mit einer bestimmten Energie aufhalten. „Schale" betont den räumlichen Aspekt (kreisförmige Bahn), „Energiestufe" betont den energetischen Aspekt. In der Chemie werden beide Begriffe synonym verwendet. Die Schalen sind von innen nach außen K, L, M, N … benannt.

K-Schale (n=1): 2·1² = 2 Elektronen. L-Schale (n=2): 2·2² = 8 Elektronen. M-Schale (n=3): 2·3² = 18 Elektronen. Wichtig: Das sind Maximalwerte – es können immer weniger Elektronen vorhanden sein.

Elektronen können Lichtenergie (Photonen) absorbieren und dadurch in eine höhere Schale springen (angeregter Zustand). Da dieser Zustand instabil ist, springen sie nach ca. 10⁻⁸ s zurück in den Grundzustand und geben dabei ein Lichtquant (Photon) ab – das ist die Emission von Licht. Die Farbe des emittierten Lichts hängt von der Energiedifferenz zwischen den Schalen ab.

Das Bohr-Modell funktioniert nur exakt für Wasserstoff (1 Elektron). Bei mehreren Elektronen liefert es nur Näherungen. Außerdem widerspricht die Vorstellung einer genau definierten Kreisbahn der Quantenmechanik (Heisenbergsche Unschärferelation). Das modernere Kugelwolkenmodell (KWM) löst diese Probleme durch Aufenthaltswahrscheinlichkeiten statt fester Bahnen.