Das Atom

Im antiken Griechenland standen sich zwei Denkschulen gegenüber. Für Platon beispielsweise war die Welt noch aus den vier Grundelementen Erde, Luft, Feuer und Wasser aufgebaut, die aber nicht unteilbar sind. Auch die Energie, bei ihm als das Element Feuer dargestellt, passte er in dieses Denkmodell ein – ein schon recht weit gedachter Denkschritt. Demgegenüber entwickelten der Naturphilosoph Leukipp und sein Schüler Demokrit einen revolutionären Gegenentwurf: Die gesamte Natur sei aus kleinsten unteilbaren Einheiten – elementaren Teilchen – zusammengesetzt, den Atomen (von griech.: atomos = unteilbar).

Im 19. Jahrhundert lieferte die chemische Forschung und vor allem die Entdeckung der Elektrolyse (beispielsweise Aufspaltung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff) immer stärkere Argumente für die Atomtheorie. Der Chemiker John Dalton fand heraus, dass bei jeder chemischen Reaktion ein bestimmtes Mischungsverhältnis auftritt. Er folgerte daraus, dass jedes Element aus winzigen Teilchen mit einer bestimmten Masse und Größe bestehen müsse, die sich bei chemischen Umwandlungen nicht verändern.

Noch im ersten Jahrzehnt des letzten Jahrhunderts besaßen Physiker und Chemiker aber keine klare Vorstellung davon, wie Atome aussehen. Der Physiker Joseph John Thomson entdeckte 1897 das Elektron und stellte fest, dass jedes Atom offenbar aus einer geladenen Masse und umgekehrt geladenen Elektronen besteht, die wie Rosinen in einem Kuchen stecken. 1910 schlug Ernest Rutherford ein „planetares“ Modell des Atoms vor mit einer zentralen punktförmig konzentrierten Ladung, umgeben von einer gleichförmigen, sphärischen Ladungsverteilung des gleichen Betrages, aber entgegengesetzten Vorzeichens.

Aufgrund einer Konvention, die auf Benjamin Franklin zurückgeht, wurde die Ladung des Zentralbereichs als „positiv“ bezeichnet. Demnach umkreisen negativ geladene Elektronen auf diskreten Bahnen (also nicht beliebig) einen positiv geladenen Atomkern wie die Planeten unser Zentralgestirn. (Teilchen mit entgegengesetzer Ladung ziehen sich an!) Als man genauer hinschaute, entdeckte man, dass der Kern aus positiv geladenen Teilchen, den Protonen, und elektrisch neutralen Neutronen zusammengesetzt ist – Ausnahme Wasserstoff (s. u.).

Atome

Das gesamte Atom hat einen Durchmesser von etwa einem Hundertmillionstel (10^-8) Zentimeter, etwa 10 000- bis 100 000-mal so groß wie der Durchmesser des Kerns. Damit man sich den Unterschied vorstellen kann: Hätte das Atom die Größer eines Golfplatzes (80 ha), wäre der Kern ungefähr so groß wie eines der Löcher (knapp 11 Zentimeter Durchmesser). In diesem relativ zum Kern riesigen, ungefähr eine Billion Mal so großen Raum bewegen sich die Elektronen. Es sind die gleichen Elementarteilchen, mit deren Hilfe elektrischer Strom übertragen wird und die man spürt, wenn man einen „gewischt“ bekommt.

Elektronen haben eine äußerst geringe Masse: 9,1094 x 10^-28 Gramm. Die meisten Physiker sind überzeugt: Das Elektron hat keine messbare Ausdehnung – ein Massepunkt ohne innere Struktur, welcher der Elektromagnetischen Wechselwirkung unterliegt. Auch wenn Elektronen punktförmig sind, heißt das nicht, dass ihre Wechselwirkung und Aktion örtlich begrenzt ist. Sie können sich sozusagen ausstrecken, auf etwas wirken, das entfernt ist – eine Qualität, die nicht zu lokalisieren ist: das Feld.

Nach heutigem Wissen kreisen Elektronen also nicht um einen Kern wie Planeten um die Sonne. Die Quantenphysiker beschreiben das Elektron vielmehr als ausgedehntes Wellengebilde, das den Atomkern umspannt. Es ist sozusagen über das Volumen des Atoms „verschmiert“. Wo sich das Teilchen befindet, können die Wissenschaftler lediglich in Form einer Aufenthaltswahrscheinlichkeit angeben, die aus dem Quadrat der Wellenfunktion (Schrödinger-Gleichung) errechnet wird.

Den Gesetzen der Quantenmechanik zufolge können Elektronen nur bestimmte Energieniveaus besetzen, wo sie durch die relativ schwache Elektromagnetische Kraft gehalten werden. Ein solcher Bereich, über den sich ein Elektron als „stehende Welle“ ausbreitet, wird als „Schale“ bezeichnet. Diese entspricht einer bestimmten Energie des Elektrons. Da das Atomteilchen als „Fermion“ dem Pauli-Verbot gehorcht, demzufolge keine zwei Elektronen denselben Quantenzustand haben können, passt in jede Schale nur eine begrenzte Anzahl Elektronen. (s. u.)

Somit ist also der positiv geladene, winzige, aber massereiche Kern von einer Wolke negativ geladener Elektronen umgeben, die säuberlich in übereinander liegenden Schalen angeordnet sind. Die Elektronenhülle, die weniger als ein Promille zur gesamten Atommasse beiträgt, legt die Größe eines Atoms fest.

Die Atomkerne sind nur ein Billionstel (etwa 10^-13) Zentimeter groß. Sie enthalten die Nukleonen (Kernteilchen), die extrem eng gepackt sind: Protonen und Neutronen. Sie machen mehr als 99,9% der Masse des gesamten Atoms und damit aller Dinge aus, wie sie uns im täglichen Leben umgeben.

Ein Proton scheint grob einer diffusen Kugel zu gleichen – mit einer Ausdehnung von weniger als einem Femtometer (100 Billiardstel Zentimeter) und einer positiven elektrischen Ladung (+1). Das Neutron ist ähnlich groß wie das Proton und nur geringfügig schwerer (0,14%) und elektrisch neutral. Protonen und Neutronen zählt man zur Teilchenfamilie der Hadronen (von altgriechisch: hadron = dick, stark), die der Starken Wechselwirkung unterliegen – einer zwischen den Bausteinen wirkenden starken Kraft kurzer Reichweite. Sie ist verantwortlich dafür, dass die Protonen trotz der abstoßenden elektrischen Kräfte zwischen ihnen (Teilchen mit gleicher Ladung stoßen sich ab) zusammenhalten.

Wegen der gegenseitigen Abstoßung der Protonen ist es aber für ein Proton leichter, an einem Neutron zu „kleben“ als an einem Proton. So können Protonen und Neutronen Paare, sogenannte Deuteronen, bilden. Neutronen sind demnach mitverantwortlich für den Zusammenhalt des Kerns. Sie nehmen am „atomaren Tanz“ der Protonen mit ihren Elektronen teil, aber lediglich über ihr magnetisches Moment – schließlich sind sie ungeladen.

Das einfachste Atom ist der Wasserstoff, der aus einem Proton im Kern und einem Elektron in der Hülle besteht. Allerdings kann auch er ein Neutron im Kern enthalten. Wir sprechen dann von „schwerem Wasserstoff“ oder Deuterium. Das nächsthöhere Element ist Helium: Es enthält einen Kern aus zwei Protonen und im Normalfall zwei Neutronen, der von zwei Elektronen umschwirrt wird. Helium ist somit etwa (fast) viermal so schwer wie Wasserstoff. Das Element mit drei Protonen im Kern heißt Lithium, dann folgen Beryllium (vier Protonen), Bor (fünf), Kohlenstoff (sechs), Stickstoff (sieben) und Sauerstoff (acht). So geht es weiter bis zum Uran, das 92 Protonen im Kern trägt. Es gilt als das schwerste natürlich vorkommende Element – abgesehen von kleinsten Spuren von Neptunium (93 Protonen) und Plutonium (94 Protonen) in der Erdkruste.

Das Atomgewicht, die Massenzahl eines Atoms, wird durch die Gesamtzahl von Protonen und Neutronen im Kern bestimmt. Die Nukleonen streben dabei ein relativ ausgeglichenes Verhältnis an, denn nur Atomkerne mit ungefähr gleich vielen Neutronen und Protonen sind stabil. Die kernphysikalischen Gesetze lassen weder einen zu großen Protonenüberschuss noch einen zu großen Neutronenüberschuss zu. Allerdings ist bei höheren Elementen eine leichte Tendenz zum Neutronenüberschuss vorhanden, da die Kraft der gegenseitigen Abstoßung der Protonen quadratisch mit ihrer Anzahl im Atomkern steigt. Bei 100 oder mehr Protonen im Kern überwiegt schließlich die elektrische Abstoßung und der Kern ist nicht mehr stabil und zerfällt in Bruchstücke. (Die massereichsten bisher synthetisierten Atomkerne haben sogar 118 Protonen, zerfallen allerdings nach Bruchteilen von Sekunden schon wieder.)

Es gibt auch eine Obergrenze für die Anzahl der überschüssigen Neutronen, ab der Atomkerne auseinander zu fallen beginnen: Die Tropflinie (die überzähligen Nukleonen tropfen aus dem Kern heraus). Wird ein Neutron freigesetzt, zerfällt es nach durchschnittlich 15 Minuten in ein Proton, ein Elektron und ein Neutrino. Daher müssen die Neutronen mit einer etwa gleichgroßen Anzahl von Protonen zusammenkommen, damit ihre Instabilität kompensiert wird.

Isotope

Atome mit gleich vielen Protonen, aber unterschiedlicher Zahl an Neutronen, werden als Isotope (griech.: isos = gleich; topos = Platz, Stelle) des gleichen Elements bezeichnet. So gibt es z. B. vom Helium eine seltene Form mit nur einem Neutron statt zwei (He-3). Der Sauerstoff hat Isotope mit jeweils acht, neun und zehn Neutronen im Kern. Beim Kohlenstoff existiert eine ebenfalls seltene Abweichung, die acht statt sechs Neutronen enthält (C-14). Die Stellung der Isotope im Periodensystem bleibt identisch; diese unterscheiden sich aber im Atomgewicht, sind also unterschiedlich schwer. Da sie gleich viele Elektronen in der Atomhülle besitzen (entsprechend der Zahl der Protonen), verhalten sich die Elemente chemisch identisch.

Manche Isotope mit überschüssigen (oder weniger) Neutronen sind instabiler als andere. Bei einem Überhang von Neutronen gehen die Isotope durch radioaktiven Zerfall (Beta-minus-Zerfall) in eine stabilere Konfiguration über – eines der einfachsten Beispiel der Schwachen Wechselwirkung. Dabei wird ein Neutron in ein Proton verwandelt, wobei ein Elektron und ein Antineutrino aus dem Kern herausgeschleudert werden. Obwohl das Zerfallsgesetz die statistische Lebensdauer einer Menge von radioaktiven Atomen derselben Sorte beschreibt („Halbwertzeit„), scheint der Zerfall selbst keine Ursache zu haben – ist also Zufall.

C-14 ist radioaktiv und zerfällt, indem sich hin und wieder eine Neutron in ein Proton verwandelt. Es hat eine Halbwertzeit von 5730 Jahren.

[Beim Beta-plus-Zerfall wandelt sich ein Proton unter Abgabe eines Positrons und eines Neutrinos in ein Neutron um. Der Vorgang stellt einen wichtigen Zwischenschritt bei der stellaren Kernfusion dar. Damit unsere Sonne in ihrem Inneren Licht und Wärme freisetzen kann, müssen dort jeweils vier Wasserstoffkerne (Protonen) in mehreren Schritten zu einem Heliumkern (He-4) verschmelzen. Aus zwei Wasserstoffkernen entsteht zunächst der Kern eines Deuteriumatoms, einem Isotop des Wasserstoffs, das neben dem Proton auch ein Neutron besitzt. Es muss bei dem Vorgang also ein Proton in ein Neutron umgewandelt werden. Würde der Beta-plus-Zerfall nicht stattfinden, entstünde auch im Inneren der Sonne kein Deuterium – und auch kein Helium, denn das entsteht in den nächsten Schritten aus zwei Deuteriumkernen. Weil die Schwache Kernkraft so schwach ist, läuft der Beta-plus-Zerfall sehr langsam ab. Darum leuchtet unsere Sonne so lange.]

Protonenlastige Atomkerne können ebenfalls durch radioaktiven Zerfall in stabilere Konfigurationen übergehen. Dies kann durch Abspalten eines Alpha-Teilchens (Helium-Kern) geschehen (Alphazerfall). Es entsteht ein anderes Element, das stabil ist oder seinerseits weiter zu einem stabileren Element zerfallen kann. So wandelt sich z. B. das radioaktive Uranatom U-238 durch Alphazerfall in ein Thoriumatom Th-234, welches dann weiter zerfällt.

Als Folge eines Alpha- oder Betazerfalls, die den Atomkern in der Regel in einen angeregten Zustand versetzen, können hochenergetische Photonen (Gammastrahlung) entstehen, mit denen der Kern seine überschüssige Energie abgibt. Alpha-, Beta- und Gammastrahlung sind aber nicht alles – inzwischen kann man neun verschiedene Arten von Radioaktivität unterscheiden. Ein Beispiel ist der Cluster-Zerfall, der dem Alphazerfall ähnelt. Dabei werden größere Kerne („Cluster“) als He-4 vom Mutterkern abgespalten. Beispielsweise kann der Radiumkern Ra-223 einen Kohlenstoffkern C-14 emittieren.

Atomkerne

Die Atomkerne sind lange rätselhaft geblieben. Der Grund ist, dass sie als Quantenobjekte schwierig zu untersuchen sind. Ihre Bestandteile sind komplex; zudem bestimmen drei der vier Grundkräfte der Natur gleichzeitig die Dynamik des Konglomerats. Anfang der 1930er Jahre hat George Gamow die Grundidee des Tröpfchenmodells entwickelt. Demzufolge hat der Atomkern Ähnlichkeit mit einer viskosen Flüssigkeit: Man kann ihn wie einen Wassertropfen verformen, aber er nimmt stets denselben Raum ein.

Heute wissen wir, dass Neutronen und Protonen im Kern gemäß den Quantengesetzen in verschiedenen Energieschalen angeordnet sind – analog zu den Schalen der Elektronen in der Atomhülle. (Die Ähnlichkeit zwischen Elektronen- und Kernschalen ist allerdings begrenzt, weil im Kern zwei Teilchenarten sind und die Starke Kernkraft wirkt.) Sowohl in der ersten Protonenschale als auch in der ersten Neutronenschale gibt es je zwei Plätze für die jeweiligen Nukleonen. Im Heliumkern He-4 sind diese beiden Schalen gerade aufgefüllt – deshalb ist er besonders stabil. Fügt man aber eine weiteres Proton bzw. Neutron hinzu, erhält man einen äußerst instabilen Kern, der innerhalb einer Trilliardstel Sekunde zerfällt.

In den meisten Fällen organisieren sich die Nukleonen als Quantenflüssigkeit. In diesem Aggregatzustand ist die Wechselwirkung zwischen ihnen beträchtlich und Neutronen und Protonen schließen sich immer wieder für sehr kurze Zeit zusammen – man sagt, sie verschmelzen zu einer Art Tanzpaar, das sich deutlich schneller als die übrigen Partikel bewegt. Im zeitlichen Mittel dreht sich je rund ein Viertel der Kernteilchen im Tanz.

Neben Quantenflüssigkeiten und Kernmolekülen können Atomkerne noch andere, exoterischere Zustände einnehmen und sogenannte Halos bilden. Vor allem neutronenreiche Kerne weisen eine Halostruktur auf. Sie entsteht, wenn die Nukleonen nur schwach gebunden sind.

Feinstruktur

In den 1960er Jahren glaubten noch viele Physiker, die Bausteine der Atomkerne, also Protonen und Neutronen, seien so etwas wie kleine Kügelchen, durch und durch mit derselben Materie angefüllt. Aber je tiefer der Blick ins Innere eines Nukleons gelang, desto komplizierter wurden die Verhältnisse. Inzwischen weiß man, dass in den Nukleonen jeweils drei Massekonzentrationen existieren, die man heute Quarks nennt. Ein Proton enthält zwei up-Quarks und ein down-Quark (uud), das Neutron zwei down- und ein up-Quark (ddu). Die beiden Quark-Arten heißen Valenzquarks, da sie den Teilchen ihre äußeren Eigenschaften wie Teilchenart und Ladung verleihen.

Das up-Quark trägt eine nicht ganzzahlige Ladung, gemessen an der Gesamtlage des Nukleons: +2/3. Die Ladung des down-Quarks beträgt ein Drittel der Ladung des Elektrons: -1/3. Die Ladungen der beiden Kernteilchen ergeben sich dann aus der Summe der Quarkladungen (Proton: 1; Neutron: 0). Obwohl das Neutron elektrisch neutral ist, hat es aber z. B. magnetische Eigenschaften (wie das Proton).

Das einfache Quarkmodell beschreibt aber nur in grober Näherung eine hochkomplizierte Wirklichkeit in einem Nukleon. Um das Quark-Trio wabert ein See aus kurzlebigen Quark-Antiquarkpaaren, die spontan entstehen, für einen flüchtigen Moment existieren und gleich wieder verschwinden.* Diese sogenannten virtuellen Quarks bezeichnet man auch als Seequarks. Hinzu kommen im Nukleon umherwirbelnde Gluonen (Klebeteilchen), die die Quarks zusammenhalten. Dabei wechselwirken die Gluonen auf äußerst komplexe Weise auch miteinander.

*Quarks und ihre Antiteilchen unterscheiden sich dadurch, dass manche ihrer Eigenschaften denselben Betrag, aber unterschiedliche Vorzeichen besitzen. Sie können sich gegenseitig auslöschen. – Neben up- und down-Quarks, sogenannte Quarks der ersten Generation, blitzen auch immer wieder Vertreter höherer Elementarteilchengenerationen auf, die sonst nicht im Kern vorkommen.

Protonen und Neutronen enthalten also eine brodelnde Suppe aus realen und virtuellen Teilchen und Antiteilchen sowie Gluonen. Die drei Valenz-Quarks bestimmen zwar einige wichtige Eigenschaften des Kernteilchens, wie seine elektrische Ladung, nicht aber andere Kenngrößen wie z. B. seine Masse. Diese setzt sich aus den über Gluonen verbundenen Quarks (lediglich 5%), aus den virtuellen Seequarks (Quark-Antiquark-Paaren) und aus der Wechselwirkungsenergie (Bindungsenergie) des Gesamtsystems zusammen.

Grundlagen der Chemie

Eine für die gesamte Quantenphysik fundamentale Größe ist der Spin (eine bestimmte innere Quantität), der eine zentrale Rolle im Atom spielt. Er ist eine natürliche Konsequenz aus der richtigen Anwendung von Einsteins Relativitätstheorie auf die Quantenmechanik. Man kann ihn sich vorstellen als eine ständige Rotation eines Teilchens um seine eigene Achse. Da alle Objekte, die sich um ihre Achse drehen oder um einen festen Punkt bewegen, Drehimpuls haben, wird der Spin auch manchmal als „Eigendrehimpuls“ eines Elementarteilchens bezeichnet. In Wirklichkeit haben Spins mit Eigenschaften rotierender Körper in der makroskopischen Welt absolut nichts zu tun. Aber es ist die einzige Möglichkeit, überhaupt eine Vorstellung von dieser Eigenschaft der Quantenteilchen zu bekommen.

Die recht seltsamen Eigenschaften des Spins finden auch praktische Anwendung: u. a. in Kernspintomografen: Da mit dem Spin auch immer ein magnetisches Moment verbunden ist, richten sich Fermionen in Magnetfeldern wie Kompassnadeln aus. So lassen sich z. B. Ortsinformationen gewinnen oder Hirnaktivitäten bildlich darstellen.

Dem Spin der Elektronen, die wie alle Fermionen einen halbzahligen Eigendrehimpuls (1/2 h) besitzen, verdanken wir letztlich nichts weniger als unsere Existenz. Innerhalb einer Elektronenschale gibt es jeweils eine bestimmte Zahl von Bereichen (Orbitalen), die gemäß dem Pauli’schen Ausschlussprinzip nur bis zu zwei Elektronen (mit Spin +1/2 und -1/2) aufnehmen können. Daher ist das Pauli-Prinzip („Keine zwei Fermionen können gleichzeitig und an demselben Ort denselben Quantenzustand haben“) ein Grund für die Stabilität der Atome. Ohne dieses quantenmechanische Gesetz würden alle Atome auf ein Zehntausendstel ihres Volumens zusammenschnurren. Es gäbe keine chemischen Elemente, also keine Materie, wie wir sie kennen.

Weil die Elektronenschalen den Kern weitgehend von der Außenwelt abschirmen, hängt die Art und Weise, wie sich Atome zu Molekülen zusammensetzen – also die Chemie -, fast vollständig von der Zahl und Verteilung der Elektronen in den Außenbereichen der Atome ab. Diese Valenzelektronen bestimmen, wie reaktionsfreudig ein Element ist. Konfigurationen mit komplett gefüllten Schalen, z. B. die Edelgase, sind besonders stabil. Um einer solchen Konfiguration eine Elektron zu entreißen, braucht es besonders viel Energie.

Für das Wasserstoff-Atom wäre eine Hülle mit zwei Elektronen der optimale Zustand. Es besitzt aber nur eines – folglich strebt es zur Vervollkommnung. Daher kommt Wasserstoff unter normalen Bedingungen fast nie in Form einzelner Atome vor, sondern zumeist als Wasserstoff-Molekül H₂. Die dann gemeinsam um beide Atomkerne „kreisenden“ Elektronen umschließen die Kerne und bringen sie, gezogen durch das Elektronenband, näher aneinander – aber nicht über einen bestimmten Abstand hinaus, denn dann überwiegt die Abstoßung zwischen ihnen.

Weil die Hüllen bei vielen chemischen Elementen nicht vollkommen sind, schließen sie sich mit anderen zusammen – sie gehen Bindungen ein, um den Mangel auszugleichen. Dabei nutzen die Partner Elektronen gemeinsam, wobei ein Teil durch die Elektromagnetische Kraft in Energie verwandelt wird, die im Allgemeinen in Form von Photonen abgegeben wird. Das so geschaffene System (Molekül) hat also weniger Masse als die Summe der ursprünglichen Teile und ist allgemein auch komplexer.

Das Sauerstoff-Atom besitzt acht Elektronen, die auf zwei Schalen verteilt sind, zwei in der inneren und sechs in der äußeren. Dadurch besitzt es in der äußeren Schale (4 Orbitale) zwei Elektronen zu wenig und sucht nach Ergänzung, z. B. ein anderes Sauerstoff-Atom oder ein passendes Molekül. Viele wichtige Elemente verhalten sich wie Sauerstoff und streben die Anzahl von acht Elektronen in der äußeren Schale an. Kohlenstoff (vier Elektronen fehlen, daher besonders reaktiv), Stickstoff und Fluor etwa, Silizium, Phosphor und Schwefel sowie Natrium und Magnesium.

Durch ihr Verhalten bestimmen also die Elektronen, die über elektromagnetische Wirkungen nicht nur mit den Kernen, sondern auch miteinander verbunden sind, sehr viele chemische Phänomene. Physiker verstehen inzwischen sehr gut, wie sich die Elektronen anordnen und wie die Eigenschaften der materiellen Welt aus diesen Strukturen hervorgehen.

Fazit

Über mehrere Zwischenstufen haben die Physiker die Natur, die sie vorfinden, in immer kleinere Einheiten zerlegt. Heute werden Atome nicht mehr als harte, unzerstörbare, undurchdringliche Körper gesehen, sondern als zusammengesetzte Systeme, die aus vielen Teilchen bestehen. Das erklärt für sich genommen noch nicht die Unterschiede in den makroskopischen Gegenständen. Dass diese Eigenschaften haben und insbesondere verschieden sind, liegt nur daran, dass die Punktteilchen, aus denen sie zusammengesetzt sind, in unterschiedlichen räumlichen Beziehungen zueinander stehen. Letztlich aber scheinen die Dinge in Wirklichkeit gar keine Dinge, sondern Formen zu sein, fassbar nur als Gewoge von Energie.

REM