Atom und Molekül

Atom
Ein Atom

Was ist das kleinste Teilchen, das du noch mit bloßem Auge sehen kannst? Ein winziger Salzkristall, ein Nebeltröpfchen oder ein ganz kleines Staubkörnchen? Kann man ein so winziges Teilchen noch teilen? Wenn ja: wie oft? Unendlich oft – oder gelangt man irgendwann einmal zu einem Punkt, an dem das nicht mehr geht? Sollte aber nicht jedes Teilchen teilbar sein? Solche Fragen stellten schon die Philosophen und Gelehrten der Antike.

KLEIN, KLEINER AM KLEINSTEN, Atom

Der griechische Philosoph Leukipp und sein Schüler Demokrit stellten vor ungefähr 2.400 Jahren folgende Überlegung an: Wenn man einen Stein endlos teilen könnte, würden die Teilchen irgendwann unendlich klein und schließlich aus „nichts” bestehen. Der umgekehrte Weg, das Zusammensetzen des Steins aus dem „Nichts” wäre aber nicht möglich. Sie zogen daher den Schluss: Alle Dinge müssen aus kleinsten, unsichtbaren Teilchen bestehen, die sich nicht mehr teilen lassen. Sie nannten diese Teilchen „Atome” (griechisch atomos: unteilbar). Beweisen konnten sie ihre Behauptung allerdings nicht.

Aristoteles, ein anderer griechischer Philosoph dieser Zeit, hatte dagegen eine ganz andere Vorstellung: Seiner Meinung nach bestanden alle Stoffe aus Feuer, Erde, Wasser und Luft.

ATOME UND MOLEKÜLE

Mehr als 2.000 Jahre nach Leukipps und Demokrits Gedankenspielen wurde die Idee von unteilbaren Atomen wieder aufgenommen. Der englische Chemiker und Philosoph John Dalton folgerte aus einer Reihe von Experimenten:

  1. Atome sind die kleinsten Teile eines chemischen Elementes, die noch alle Eigenschaften dieses Elements tragen. (Ein chemisches Element ist ein Stoff, der nicht mehr in andere Stoffe zerlegt werden kann.)
  2. Bei einer chemischen Reaktion werden Atome miteinander verbunden oder getrennt.
  3. Sind mehrere Atome miteinander verbunden, dann nennt man so ein Teilchen Molekül. So besteht z. B. ein Wassermolekül (H2O) aus einem Sauerstoffatom und zwei Wasserstoffatomen. Ein Molekül Kohlenstoffdioxid oder kurz Kohlendioxid (CO2) besteht aus einem Kohlenstoffatom und zwei Sauerstoffatomen.

Die chemischen Elemente werden meist mit Buchstaben abgekürzt. So steht der Buchstabe H für Hydrogenium und bedeutet Wasserstoff. O steht für Oxygenium und bedeutet Sauerstoff. Und der Buchstabe C steht für Carbo und bedeutet Kohlenstoff. Ist das Atom eines Elements mehr als einmal in einem Element enthalten, dann vermerkt man die Anzahl durch eine tiefgestellte Ziffer nach dem Zeichen für das Atom: Wasser ist H2O, und Kohlendioxid ist CO2.

Wie Gross ist ein Atom?

Atome sind unvorstellbar klein; nur mit dem stärksten Mikroskop, wie z. B. dem Rastertunnelmikroskop, kann man sie sichtbar machen. Etwa 10.000 Milliarden Atome ergeben aneinander gereiht eine Strecke von nur einem Millimeter.

Auch Moleküle sind winzig klein. Stell dir einen Würfel mit einer Kantenlänge von einem Millimeter vor (also einen Millimeter lang, breit und hoch). Wie viele Wassermoleküle passen da wohl hinein? Ungefähr 30 Milliarden Billionen – das ist eine Drei mit 22 Nullen!

Wie dicht liegen Moleküle beieinander?

Das ist unterschiedlich. In festen Körpern liegen die Moleküle dicht beieinander und ziehen einander stark an. In Flüssigkeiten hingegen sind die Moleküle weiter voneinander entfernt. Sie halten sich jedoch noch immer zusammen, können sich aber frei bewegen. In Gasen schließlich sind die Moleküle sehr weit voneinander entfernt.

Ein Atom ist doch teilbar

Ende des 19. Jahrhunderts entdeckten Wissenschaftler, dass es Elemente gibt, die sich ohne äußeres Zutun in andere Elemente umwandeln. Neben sehr viel Energie entstehen dabei Teilchen, die kleiner sind als Atome. Offenbar können die Atome bestimmter Elemente in kleinere Bruchstücke zerbrechen, sie sind also doch teilbar. Diese kleineren Teilchen nennt man Alphateilchen und Betateilchen. Am Anfang wussten die Wissenschaftler jedoch nicht, dass es sich um Teilchen handelt. Sie konnten zuerst nur zwei Strahlungen messen, die sie Alphastrahlen und Betastrahlen nannten. Später stellte sich dann heraus, dass sich hinter diesen Strahlen in Wahrheit Teilchen verbergen. Diese Umwandlung bestimmter Elemente ohne äußeres Zutun nennt man übrigens Radioaktivität.

DAS LEERE ATOM

Ein paar Jahre nach der Entdeckung der Radioaktivität schossen Wissenschaftler Alphateilchen auf eine äußerst dünne Goldfolie (sie war etwa tausend Atomschichten dick). Das kannst du dir etwa so vorstellen, als ob du mit einem Fußball auf eine Wand aus Strohballen schießen würdest. Welches Ergebnis ist zu erwarten? Entweder bleibt der Ball in der Wand stecken, oder er prallt zurück.

Dasselbe erwarteten die Wissenschaftler von den Alphateilchen. Überraschenderweise aber durchdrangen die allermeisten Alphateilchen die Goldfolie nahezu ungehindert. Aus dieser Beobachtung schlossen die Wissenschaftler, dass ein Atom weitgehend leer sein muss, und entwarfen eine neue Vorstellung vom Bau der Atome: Atome besitzen einen sehr kleinen Kern, den Atomkern, in dem fast die gesamte Masse des Atoms konzentriert ist. Er besteht aus positiv geladenen Protonen und elektrisch neutralen Neutronen. Um diesen Kern bewegen sich in großer Entfernung Elektronen wie die Planeten um die Sonne. Elektronen haben eine sehr kleine Masse und tragen eine negative Ladung. In einem Atom gibt es jeweils gleich viele Teilchen mit positiver und negativer Ladung, nach außen ist es neutral.

Die Größenverhältnisse im Atom kannst du dir ungefähr so vorstellen: Wäre ein Atomkern so groß wie eine Walnuss, dann hätte das ganze Atom einen Durchmesser von 300 Metern – es wäre so groß, dass der Eiffelturm hineinpasste.

Die Atom-Forschung

Wissenschaftler suchen nach immer neuen Erkenntnissen über den Bau der Atome und deren Eigenschaften. So weiß man inzwischen, dass sich die Elektronen nicht auf Bahnen bewegen, sondern dass sie sich in unterschiedlich geformten „Wolken” aufhalten können. Außerdem hat man herausgefunden, dass Protonen und Neutronen aus noch kleineren Teilchen zusammengesetzt sind; man nennt sie „Quarks”.

Wie viele Elementarteilchen gibt es?

Bis heute sind mehr als 200 verschiedene Elementarteilchen bekannt. Die Forscher stoßen immer wieder auf neue Arten. Das gelingt mit Teilchenbeschleunigern, gigantische Anlagen, in denen mit hoch beschleunigten Elementarteilchen Atomkerne beschossen werden. Beim Zusammenstoß treten oft kurzzeitig bis dahin unbekannte Bausteine auf.

Spalten und Verschmelzen von Atomen

Radioaktivität durch Atomspaltung
Zeichen für Radioaktivität

Ihrem griechischen Namen nach sind Atome unteilbar. Zu Beginn des 20. Jahrhunderts erkannten Physiker jedoch, dass Atome einen Kern aus Protonen und Neutronen besitzen und dass sich Elektronen in seiner Hülle befinden. Dies bedeutet aber nichts anderes, als dass Atome aus noch kleineren Einheiten bestehen - also keineswegs unteilbar sind!

Der Zerfall von Atomen ist sogar ein natürlicher Vorgang, der bei den schwersten Elementen des Periodensystems zu beobachten ist. Ihre Atomkerne sind auf Dauer nicht stabil und zerfallen im Laufe der Zeit zu denen leichterer Elemente. Dabei senden sie radioaktive Strahlung aus. Erstmals wurde diese Strahlung 1896 vom französischen Physiker Henri Becquerel (1852-1908) an einem uranhaltigen Mineral, der "Pechblende", beobachtet. Um den Ursprung dieser zunächst rätselhaften Strahlung aufzuspüren, untersuchte das französische Physiker-Ehepaar Marie Curie (1867-1934) und Pierre Curie (1859-1906) die Pechblende genauer. Dabei entdeckten sie in dem Erz zwei bis dahin unbekannte Elemente, die zudem millionenfach stärker strahlen als das Uran: Polonium und Radium. "Radioaktivität", wie Marie Curie es nannte, ist also nicht nur eine spezielle Eigenschaft des Urans, sondern tritt natürlicherweise bei Polonium und allen noch schwereren Elementen auf. Henri Becquerel und Ernest Rutherford fanden in der radioaktiven Strahlung drei Anteile, die bis heute als Alpha,- Beta- und Gamma-Strahlen bezeichnet werden. Bedeutender aber war die Erkenntnis von Rutherford und seinem jungen Kollegen Frederick Soddy (1877-1956), dass bei der Radioaktivität aus einem chemischen Element ein völlig anderes entsteht! Diese Auffassung fand zunächst den energischen Widerspruch vieler Chemiker. Zu sehr erinnerte eine solche Umwandlung chemischer Elemente an die Versuche der mittelalterlichen Alchemisten, Blei in Gold zu verwandeln. Und dennoch, Rutherfords und Soddys Theorie vom radioaktiven Zerfall hat sich durch viele weitere Experimente als richtig erwiesen.

Die Entdecker der Radioaktivität stellten bald fest, dass beim Zerfall eines Atomkerns millionenfach mehr Energie freigesetzt wird als man es von chemischen Reaktionen her kennt. Sie fragten sich daher, ob man den Zerfall auch künstlich auslösen kann, um die frei werdende Energie technisch zu nutzen. Der Italiener Enrico Fermi (1901-1954) beschoss deshalb Uranatome mit Neutronen. Tatsächlich bewirkte er mehr als nur den Zerfall des Urans. Die Uranatome werden regelrecht in zwei leichtere Atome "gespalten", wie die deutschen Physiker Otto Hahn, Lise Meitner und Fritz Strassmann einige Jahre später (1938) nachwiesen. Bei der Spaltung werden außerdem Neutronen freigesetzt, die dann in einer so genannten Kettenreaktion weitere Uranatome zerlegen, die wiederum noch mehr Neutronen erzeugen und so weiter. Die Energie, die bei einer kontrollierten Kettenreaktion frei wird, nutzt man in Kernkraftwerken zur Erzeugung von elektrischem Strom. Auf dem gleichen Prinzip basierten aber auch die verheerenden Atombomben, die zum Ende des zweiten Weltkrieges über Hiroshima und Nagasaki in Japan gezündet wurden.

Letztlich wurde mit dem Zerteilen von Atomen in noch kleinere Bestandteile ein neuer Zweig der Physik begründet: die Elementarteilchenphysik.

Was geschieht bei der radioaktiven Umwandlung?

Beim Zerfall eines Uranatoms sendet der Atomkern ein Alphateilchen, also zwei Protonen und zwei Neutronen aus. Der entstehende Kern enthält also zwei Protonen weniger als der des Urans. Damit handelt es sich um den Atomkern jenes Elements, das zwei Plätze vor dem Uran im Periodensystem steht: dem Thorium. Der Thoriumatomkern ist aber auch nicht dauerhaft stabil. Bei ihm wandelt sich ein Neutron in ein Proton um und sendet dabei ein Elektron, ein Betateilchen aus. Durch das zusätzliche Proton entsteht ein Kern des Elementes Proactinium, das im Periodensystem einen Olatz nach dem Thorium steht. In dieser Art folgen mehrere Umwandlungen aufeinander, bis schließlich ein stabiles Bleiatom entsteht.

Kernfusion

Atomkerne lassen sich nicht nur spalten. Auch das Verschmelzen leichter Atomkerne zu schwereren ist möglich. In unserer Sonne wird durch Kernfusion (lat. "Verschmelzung") Wasserstoff zu Helium verschmolzen. Die dabei frei werdende Energie sorgt für die Aufheizung der Sonne, sodass sie leuchtet und Wärme spendet. In einigen Jahrzehnten wird man diesen Prozess vielleicht auch auf der Erde in Fusionskraftwerken nutzen können. Allerdings muss man dazu Wasserstoff auf Temperaturen von 100 Millionen °C erhitzen. Bisher gelang dies nur für einige Sekunden.

Zusammenfassung

Alle Dinge auf der Welt bestehen aus winzigen Teilchen, den Atomen. Dabei spielt es keine Rolle, ob es sich um Sterne oder Steine handelt, um Tiere, Pflanzen oder auch um Wasser. Selbst die Luft, die wir normalerweise nur als Wind wahrnehmen, setzt sich aus Massen von Atomen zusammen.

Die erste Atomtheorie stellte der griechische Philosoph Demokrit (um 460-380 v. Chr.) auf. Er war überzeugt, dass es kleinste, unteilbare Teilchen geben müsse, aus denen alles in der Natur entstünde. Er nannte sie Atome, weil "unteilbar" im Griechischen atomos heißt.

Anfang des 19. Jahrhunderts griff der englische Physiker und Chemiker John Dalton (1766-1844) die Idee von Demokrit wieder auf und entwickelte eine moderne Atomtheorie. Mit ihr lassen sich verschiedene und grundlegende chemische Gesetzmäßigkeiten anschaulich erklären.

Atome verbinden sich miteinander zu größeren Gebilden, den Molekülen. Manche Stoffe wie etwa Sauerstoff bestehen nur aus Atomen ein und derselben Art. Das sind die Elemente. Elemente unterscheiden sich untereinander, weil ihre Atome verschieden sind. Andere Stoffe, zum Beispiel Wasser, setzen sich aus miteinander verbundenen Atomen verschiedener Elemente zusammen: zwei Atomen Wasserstoff (lateinisch Hydrogen) und einem Atom Sauerstoff (Oxigen) - ein neuer chemischer Stoff ist entstanden. Die Formeln in der Chemie geben an, welche Atome in einem Molekül vorhanden sind und in welcher Menge sie vorkommen.

Zunächst wurde angenommen, die Atome seien die allerkleinsten Weltbausteine und damit nicht teilbar. Seit Beginn des 20. Jahrhunderts weiß man, dass sich Atome aus verschiedenen Teilchen zusammensetzen. 1911 stellte der britische Physiker Ernest Rutherford (1871-1937) ein erstes Atommodell vor.

Danach befindet sich im Mittelpunkt des Atoms ein Kern, der aus winzigen Elementarteilchen besteht, den positiv geladenen Protonen und den elektrisch neutralen Neutronen. Der positiv geladene Atomkern wird von anderen Teilchen mit großer Geschwindigkeit umkreist. Sie heißen Elektronen und werden durch ihre negative elektrische Ladung in den Kreisbahnen gehalten.

Obwohl der Atomkern unglaublich winzig ist, befinden sich dort mehr als 99,9 Prozent der Masse des Atoms. 1913 nahm der dänische Physiker Niels Bohr (1885-1962) an, dass die Elektronen den Kern des Atoms in Schalen umhüllen. Dieses Atommodell wurde später mehrfach verfeinert.

Inzwischen weiß man, dass die Protonen und die Neutronen aus noch kleineren Quarks aufgebaut sind. Quarks werden von so genannten Gluonen (engl. glue = "Klebstoff"), den Bindungsteilchen, zusammengehalten.

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