Das Atom

Das Atom

Atome sind klein, winzig klein - das hat sich in den letzten Jahrtausenden herumgesprochen: Die Sache mit den Atomen ist eine uralte Idee, die bis zu den Griechen der Antike zurückreicht. Wie klein Atome aber wirklich sind und welche Eigenschaften sie tatsächlich haben, das konnte erst die Physik im 20. Jahrhundert klären.

Auf der Abbildung ist das Atomium zu sehen, dass 1958 anlässlich der Weltausstellung Expo58 in der belgischen Hauptstadt Brüssel errichtet wurde. Es war die 13. Weltausstellung insgesamt und die Erste seit dem Zweiten Weltkrieg. Sie stand unter dem Motto "Technik im Dienste des Menschen" und die beiden zukunftsträchtigen Technologien Raumfahrt und Kernenergie wurden erstmals der breiten Öffentlichkeit vorgestellt. Das Atomium galt als Symbol des Atomzeitalters und der friedlichen Nutzung der Kernenergie. Das begehbare Bauwerk misst 102 Meter in der Höhe und stellt eine 165-milliardenfache Vergrößerung des Kristallmodells des Eisens dar. Mit einem Gewicht von 2.400 Tonnen wiegt es so viel, wie etwa 800 weibliche Afrikanische Elefanten. Unterhalb des Atomius wurde während der Expo58 ein Reaktor zur Anschauung ausgestellt. Dieser steht heute in der Universität Basel in der Schweiz und diente neben Forschungszwecken auch der Ausbildung von Studenten und der Erzeugung von Radionukliden. Wärmeenergie wurde mit diesem Reaktor niemals produziert. Seit 1913 ist der Reaktor stillgelegt und seit 2019 erfolgt der Rückbau, welcher bis Ende 2020 abgeschlossen sein soll.

Dieses Dossier gibt einen Überblick darüber, wie groß - bzw. klein - Atome wirklich sind. Es zeigt, wie man sie sich in der heutigen Physik vorstellt und wie man sie sortieren kann. Viel Spaß dabei!


 
 

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Wie klein darf's denn sein?

Erst mit den modernen Rastertunnelmikroskopen gelangen vor rund 20 Jahren Schnappschüsse der kleinsten Materieteilchen. Gerade der Winzigkeit wegen ist das eine große Sache für die Forschung: Der Physik-Nobelpreis 1986 ging an die „Atom-Fotografen”. Und obwohl solche Abbildungen wissenschaftlich spektakulär sind, können sie immer noch nicht den noch viel kleineren Atomkern zeigen - die eigentliche Quelle der Kernenergie.

Gehen wir mal von einem Millimeter aus - also etwa der Größe von Reiskörnern. Die kann man noch ohne Mühe mit bloßem Auge sehen. Versuchen wir in unserer Vorstellung jetzt noch einmal, ein solches Reiskorn in 1.000 gleiche Teile aufzuteilen. Jedes dieser Reis-Teilchen misst dann folglich etwa ein Tausendstel Millimeter (auch Mikrometer genannt). Die Winzlinge haben nun etwa die Ausmaße von Bakterien und sind nur grade noch mit dem Lichtmikroskop erkennbar, besser natürlich mit dem Elektronenmikroskop.

Doch Atome sind noch viel kleiner - im Vergleich zu Atomen sind Mikroben Riesen!

Wenn wir einen der Reissplitter im Mikrobenformat noch mal in 1.000 gleiche Teilchen zerlegen könnten, dann stoßen wir zu einer neuen Längeneinheit vor: Dem Nanometer. Größere Moleküle, etwa Eiweiße, haben Durchmesser von rund 50 Nanometern. Um unsere gedankliche Reise zu den Atomen fortzusetzen, müssen wir einen der Nano-Splitter unseres Reiskorns noch mal zerteilen, und zwar in zehn gleiche Teile! Das Ergebnis - 0,1 Nanometer - entspricht dann fast dem Durchmesser eines Wasserstoffatoms.

Wer es lieber mit vielen Nullen mag - Wasserstoff-Atome, also die einfachsten Atome überhaupt, haben entsprechend dem Bohr'schen Atommodell einen Durchmesser von 0,000 000 000 106 Meter. Angenommen, die schier endlose Zerteilung des Reiskorns wäre wirklich möglich: Würden wir dann auf so etwas wie „Reis-Atome” stoßen? Natürlich nicht! Atome sind nur die kleinsten Teile bestimmter Stoffe, nämlich der chemischen Elemente, zu denen später noch etwas gesagt wird.

Wie sind Atome aufgebaut?

Heute weiß man, dass Atome aus einem Atomkern in der Mitte und einer weiter außen gelegenen Hülle bestehen. Der Kern enthält positive Teilchen, die Protonen. Die Hülle besteht dagegen aus den negativen Elektronen.

Unterschiedliche Ladungen ziehen sich bekanntlich an. Dieser Anziehungskraft wirkt die Zentrifugalkraft der den Atomkern umkreisenden Elektronen entgegen. Aus größerer Entfernung erscheinen Atome elektrisch neutral, denn beide Ladungsarten gleichen sich aus.

Hülle und Kern unterscheiden sich stark in ihrer Größe: Würde man die Atomhülle auf das Format einer Kathedrale aufblähen, dann erreicht der ebenfalls vergrößerte Kern lediglich das Ausmaß eines Kirschkerns! Trotzdem enthält der Winzling fast die gesamte Masse des Atoms. Er beherbergt außer den Protonen zusätzlich die Neutronen. Sie sind zwar elektrisch neutral, ähneln dafür aber in ihrer Masse ihren positiven Kern-Kollegen.

Das Größenverhältnis von Atomhülle und Atomkern ist bemerkenswert. Der Durchmesser der Hülle beträgt etwa 10 hoch minus 10 m, der Durchmesser des Kerns etwa 10 hoch minus 14 m. Der Kern ist also etwa 10.000-mal kleiner als die Hülle. Zur Veranschaulichung dieses Verhältnisses kann man das Atom in Gedanken auf das 10 hoch 12-fache vergrößern. Die Hülle hätte dann einen Durchmesser von 100 m, der Kern wäre aber nur 1 cm groß.

Größenverhältnis in einem Atom (Atomhülle zu Atomkern wie Kirchturm zu Kirschkern) 
Größenverhältnis in einem Atom (Atomhülle zu Atomkern wie Kirchturm zu Kirschkern)

Nähert man sich von außen einem Kohlenstoff-Atom, dann begegnet man zuerst den sechs Elektronen der Atomhülle (grau). Weiter innen – im Zentrum des Atoms – sitzt der winzige Atomkern, der hier im Vergleich zur Hülle stark vergrößert dargestellt ist. Dort sind auf engstem Raum Protonen (rot) und Neutronen (weiß) vereint. Die sechs positiven Protonen und die sechs negativen Elektronen gleichen sich normalerweise elektrisch aus: Das Atom ist nach außen neutral.

Atommodelle

Auch, wenn Naturforscher seit langem die Welt der Atome erforschen: Im Detail hat noch niemand ein Atom gesehen, dazu sind die Dinger einfach zu klein. Mit Experimenten schafften die Forscherinnen und Forscher aber trotzdem, immer genauere Vorstellungen von den Atomen zu entwickeln.

Von Rutherfords Streuexperiment...

Einen grundlegenden Versuch führte Ernest Rutherford 1911 durch. Sein „Rutherfordsches Streuexperiment” zeigte, dass Atome einen kleinen positiven Kern haben, der außen von einer negativen Hülle umgeben wird. Ein wichtiger Schritt gelang mit dem Atommodell von Niels Bohr. Der dänische Forscher stellte sich Elektronen auf Umlaufbahnen um den Atomkern vor - ähnlich den Planeten auf ihren Umlaufbahnen um unsere Sonne.

...zu den Quanteneffekten

Doch die Experimente zeigten: Atome haben oft überraschende Eigenschaften, die in unserer Alltagswelt unbekannt sind. Die Entdeckung solcher Quanteneffekte führte im 20. Jahrhundert zu einem Umbruch der modernen Physik hin zur Quantenphysik, die heute die anerkannte Methode zum Verständnis der Atome ist. Danach stellt man sich die Elektronen nicht mehr als Mini-Kügelchen auf Planetenbahnen vor - sie nehmen vielmehr so genannte Orbitale ein.

Atommodelle im Vergleich

Atommodell früher 
Atommodell früher
Atommodell heute
Atommodell heute
 
 

Während Bohr und seine Kollegen früher annahmen, Atome sähen aus wie kleine Sonnensysteme (die Elektronen kreisen wie Planeten um den Kern, links), stellt man sich Atome heute mit Hilfe der Orbitaldarstellung (rechts) vor. Orbitale sind Raumbereiche um den Atomkern, in denen die Elektronen mit genau berechenbaren Wahrscheinlichkeiten anzutreffen sind. Mit der Quantenphysik lassen sich auch Phänomene wie die Verbindung von Atomen zu Molekülen, also die chemische Bindung, erklären.

 
 

Elektronen auf Planetenbahnen - das Atommodell von Bohr

Auf dem Weg zur modernen Atomphysik spielte Niels Bohr eine wichtige Rolle. In dem Modell des dänischen Physikers sehen Atome aus wie kleine Planetensysteme: Die Elektronen sausen auf Kreisbahnen um den Atomkern. Mit dieser Annahme konnte Bohr eine Serie von Linien im Licht des Wasserstoff-Atom erklären („Balmer-Linien”, nach dem Schweizer Forscher Johan Balmer).

Für die seltsamen Linien, die man sieht, wenn man das betreffende Licht in seine Farben zerlegt, gab es damals keine plausible Erklärung. Bohr forderte also, die Elektronen sollen auf bestimmten stabilen Bahnen den Kern umrunden. Jede Bahn bedeutet eine bestimmten Energiestufe. Beim Übergang von einer zur anderen Bahn wird der Unterschied an Energie als Licht einer ganz bestimmten Wellenlänge frei. Mit seinem Modell konnte er 1913 die Energien der Balmer-Serie genau berechnen: Ein zunächst sehr überzeugender Start für sein Atommodell.

Sind Elektronen im Atom also Mini-Planeten?

Bohr war mit seinem Modell, das später auch auf elliptische Elektronenbahnen erweitert wurde, anfangs sehr erfolgreich - nicht nur, weil es die Wasserstoff-Spektrallinien gut erklärte, sondern auch, weil es so anschaulich war. Planetenbahnen? Damit kannten sich die Physiker Anfang des 20. Jahrhunderts bestens aus. Die Positionen der Planeten ließen sich schon seit langem genau berechnen. Warum sollten sich die Elektronen im Atom nicht ganz ähnlich verhalten?

Doch genauer betrachtet reicht diese Ähnlichkeit gar nicht so weit. Planeten können auf beliebigen Kreisbahnen die Sonne umrunden. Bohr hatte für seine Elektronen dagegen nur ganz bestimmte Kreisradien zugelassen. Nur so konnte er die Linien im Wasserstoffspektrum deuten. Diese besonderen Bahnen sollten „strahlungsfrei” sein. Er meinte damit, die Elektronen könnten stabil auf diesen Bahnen um den Kern sausen, ohne Energie abzustrahlen.

Warum tat er das?

Weil Bohr als Physiker wusste, dass Ladungen - und Elektronen sind ja bekanntlich elektrisch negativ - Strahlung aussenden, wenn sie sich beschleunigt bewegen. Und auf die Elektronen wirkt die Kreisbeschleunigung beim Umlauf um den Kern. Das wiederum hätte aber zur Folge, dass sie Energie verlieren und letztendlich in den Kern stürzen müssten. Schon eine Überschlagsrechnung zeigt, dass bereits in winzigen Sekundenbruchteilen dieser Absturz erfolgen würde. Da es dazu aber offensichtlich nicht kommt, forderte er für seine Bahnen die Strahlungsfreiheit, eine Verletzung der damals unangefochten gültigen Elektrodynamik. Bohrs Problem blieb aber, dass er diesen Verstoß gegen die etablierte Physik mit seinem Modell nicht erklären konnte.

Heute ist die Idee Bohrs der Elektronen, die den Kern auf Bahnen umkreisen, durch die Orbitale der Quantenphysik abgelöst. Vom Bahnbegriff haben sich die Physiker bezüglich der Elektronen verabschiedet.

Rezept für chemische Elemente: Das Periodensystem

Atom ist nicht gleich Atom: Sie unterscheiden sich in der Anzahl der Protonen und Neutronen im Kern und der Elektronen in der Hülle.

Man sortiert daher Atome in einem „Periodensystem” nach steigender Protonenzahl (Ordnungszahl). Wasserstoff hat nur ein Proton, er belegt also den ersten Platz oben links. Im Element Neon (zweite Reihe ganz rechts) finden sich dagegen schon zehn Protonen, seine Ordnungszahl ist folglich 10. Das letzte natürliche Element ist Uran. In seinem Kern drängen sich 92 Protonen.

Sortierung nach chemischen Eigenschaften

Für die Chemie spielt der Atomkern aber nur eine Nebenrolle: Mit seiner Kernladung legt er die Anzahl der Hüllen-Elektronen fest. Denn für jedes hinzugefügte Proton muss auch ein Hüllen-Elektron her - insgesamt ist das Atom schließlich elektrisch neutral. Chemisch verwandte Elemente stehen im Periodensystem unter einander. Die Verwandten des Neon, also, Helium, Argon, Krypton und Xenon sind eingefleischte Singles. Sie gehen als Edelgase keine chemischen Bindungen ein.

Das Periodensystem

Immer schön der Reihe nach: Im Periodensystem sind die Elemente nach aufsteigender Protonenzahl sortiert. Alle Elemente mit den Ordnungszahlen 95 und höher sind künstlich hergestellte Elemente. Einige Elemente - Technetium, Promethium, Astat, Neptunium und Plutonium - wurden zuerst künstlich hergestellt. Später wurde auch ihr natürliches Vorkommen nachgewiesen.

Element 116 - Livermorium
Latein:Livermorium
Zustand (25 °C, 1 atm):unbekannt
Schmelzpunkt Celsius:unbekannt
Siedepunkt Celsius:unbekannt
Entdecker:Kollaboration Nuclear Research Inst., Dubna, Russland und Lawrence Livermore National Laboratory, USA
Jahr der Entdeckung:2000
Element 114 - Flerovium
Latein:Flerovium
Zustand (25 °C, 1 atm):unbekannt
Schmelzpunkt Celsius:unbekannt
Siedepunkt Celsius:unbekannt
Entdecker:Kollaboration Nuclear Research Inst., Dubna, Russland und Lawrence Livermore National Laboratory, USA
Jahr der Entdeckung:1999
Element 112 - Copernicium
Latein:Copernicium
Zustand (25 °C, 1 atm):flüssig
Schmelzpunkt Celsius:unbekannt
Siedepunkt Celsius:unbekannt
Entdecker:Ges. f. Schwerionenfsch. (Deutschland)
Jahr der Entdeckung:1996
Element 111 - Roentgenium
Latein:Roentgenium
Zustand (25 °C, 1 atm):fest
Schmelzpunkt Celsius:unbekannt
Siedepunkt Celsius:unbekannt
Entdecker:Ges. f. Schwerionenfsch. (Deutschland)
Jahr der Entdeckung:1994
Element 110 - Darmstadtium
Latein:Darmstadtium
Zustand (25 °C, 1 atm):fest
Schmelzpunkt Celsius:unbekannt
Siedepunkt Celsius:unbekannt
Entdecker:Ges. f. Schwerionenfsch. (Deutschland)
Jahr der Entdeckung:1994
Element 109 - Meitnerium
Latein:Meitnerium
Zustand (25 °C, 1 atm):fest
Schmelzpunkt Celsius:unbekannt
Siedepunkt Celsius:unbekannt
Entdecker:Ges. f. Schwerionenfsch. (Deutschland)
Jahr der Entdeckung:1982
Element 108 - Hassium
Latein:Hassium
Zustand (25 °C, 1 atm):fest
Schmelzpunkt Celsius:unbekannt
Siedepunkt Celsius:unbekannt
Entdecker:Ges. f. Schwerionenfsch. (Deutschland)
Jahr der Entdeckung:1984
Element 107 - Bohrium
Latein:Bohrium
Zustand (25 °C, 1 atm):fest
Schmelzpunkt Celsius:unbekannt
Siedepunkt Celsius:unbekannt
Entdecker:Oganessian (AG.) (Sowjetunion/USA)
Jahr der Entdeckung:1976
Element 106 - Seaborgium
Latein:Seaborgium
Zustand (25 °C, 1 atm):fest
Schmelzpunkt Celsius:unbekannt
Siedepunkt Celsius:unbekannt
Entdecker:Oganessian (AG.) (Sowjetunion/USA)
Jahr der Entdeckung:1974
Element 105 - Dubnium
Latein:Dubnium
Zustand (25 °C, 1 atm):fest
Schmelzpunkt Celsius:unbekannt
Siedepunkt Celsius:unbekannt
Entdecker:Flerow oder Ghiorso (Sowjetunion/USA)
Jahr der Entdeckung:1967/70
Element 104 - Rutherfordium
Latein:Rutherfordium
Zustand (25 °C, 1 atm):fest
Schmelzpunkt Celsius:unbekannt
Siedepunkt Celsius:unbekannt
Entdecker:Flerow oder Ghiorso (Sowjetunion/USA)
Jahr der Entdeckung:1964/69
Element 103 - Lawrencium
Latein:Lawrencium
Zustand (25 °C, 1 atm):fest
Schmelzpunkt Celsius:unbekannt
Siedepunkt Celsius:unbekannt
Entdecker:Ghiorso (AG.) (USA)
Jahr der Entdeckung:1961
Element 102 - Nobelium
Latein:Nobelium
Zustand (25 °C, 1 atm):fest
Schmelzpunkt Celsius:unbekannt
Siedepunkt Celsius:unbekannt
Entdecker:Seaborg (AG.) (USA)
Jahr der Entdeckung:1958
Element 101 - Mendelevium
Latein:Mendelevium
Zustand (25 °C, 1 atm):fest
Schmelzpunkt Celsius:unbekannt
Siedepunkt Celsius:unbekannt
Entdecker:Seaborg (AG.) (USA)
Jahr der Entdeckung:1955
Element 100 - Fermium
Latein:Fermium
Zustand (25 °C, 1 atm):fest
Schmelzpunkt Celsius:unbekannt
Siedepunkt Celsius:unbekannt
Entdecker:Seaborg (AG.) (USA)
Jahr der Entdeckung:1952
Element 99 - Einsteinium
Latein:Einsteinium
Zustand (25 °C, 1 atm):fest
Schmelzpunkt Celsius:860 °C
Siedepunkt Celsius:unbekannt
Entdecker:Seaborg (AG.) (USA)
Jahr der Entdeckung:1952
Element 98 - Californium
Latein:Californium
Zustand (25 °C, 1 atm):fest
Schmelzpunkt Celsius:900 °C
Siedepunkt Celsius:unbekannt
Entdecker:Seaborg (AG.) (USA)
Jahr der Entdeckung:1950
Element 97 - Berkelium
Latein:Berkelium
Zustand (25 °C, 1 atm):fest
Schmelzpunkt Celsius:1.259 °C
Siedepunkt Celsius:unbekannt
Entdecker:Seaborg (AG.) (USA)
Jahr der Entdeckung:1949
Element 96 - Curium
Latein:Curium
Zustand (25 °C, 1 atm):fest
Schmelzpunkt Celsius:1.340 °C
Siedepunkt Celsius:unbekannt
Entdecker:Seaborg (AG.) (USA)
Jahr der Entdeckung:1944
Element 95 - Americium
Latein:Americium
Zustand (25 °C, 1 atm):fest
Schmelzpunkt Celsius:994 °C
Siedepunkt Celsius:2.607 °C
Entdecker:Seaborg (AG.) (USA)
Jahr der Entdeckung:1944
Element 94 - Plutonium
Latein:Plutonium
Zustand (25 °C, 1 atm):fest
Schmelzpunkt Celsius:641 °C
Siedepunkt Celsius:3.327 °C
Entdecker:Seaborg (AG.) (USA)
Jahr der Entdeckung:1940
Element 93 - Neptunium
Latein:Neptunium
Zustand (25 °C, 1 atm):fest
Schmelzpunkt Celsius:640 °C
Siedepunkt Celsius:3.902 °C
Entdecker:McMillan u. Abelson (USA)
Jahr der Entdeckung:1940
Element 92 - Uran
Latein:Uranium
Zustand (25 °C, 1 atm):fest
Schmelzpunkt Celsius:1.132,4 °C
Siedepunkt Celsius:3.818 °C
Entdecker:Klaproth (Deutschland)
Jahr der Entdeckung:1789
Element 91 - Protactinium
Latein:Protactinium
Zustand (25 °C, 1 atm):fest
Schmelzpunkt Celsius:1.554 °C
Siedepunkt Celsius:4.030 °C
Entdecker:Soddy, Cranston u. Hahn (England u. Deutschland)
Jahr der Entdeckung:1917
Element 90 - Thorium
Latein:Thorium
Zustand (25 °C, 1 atm):fest
Schmelzpunkt Celsius:1.750 °C
Siedepunkt Celsius:4.787 °C
Entdecker:Berzelius (Schweden)
Jahr der Entdeckung:1829
Element 89 - Actinium
Latein:Actinium
Zustand (25 °C, 1 atm):fest
Schmelzpunkt Celsius:1.047 °C
Siedepunkt Celsius:3.197 °C
Entdecker:Debierne (Frankreich)
Jahr der Entdeckung:1899
Element 88 - Radium
Latein:Radium
Zustand (25 °C, 1 atm):fest
Schmelzpunkt Celsius:700 °C
Siedepunkt Celsius:1.140 °C
Entdecker:Marie u. Pierre Curie (Frankreich)
Jahr der Entdeckung:1898
Element 87 - Francium
Latein:Francium
Zustand (25 °C, 1 atm):fest
Schmelzpunkt Celsius:27 °C
Siedepunkt Celsius:677 °C
Entdecker:Perey (Frankreich)
Jahr der Entdeckung:1939
Element 86 - Radon
Latein:Radon
Zustand (25 °C, 1 atm):gas
Schmelzpunkt Celsius:-71 °C
Siedepunkt Celsius:-61,8 °C
Entdecker:Dorn (Deutschland)
Jahr der Entdeckung:1900
Element 85 - Astat
Latein:Astatine
Zustand (25 °C, 1 atm):unbekannt
Schmelzpunkt Celsius:302 °C
Siedepunkt Celsius:337 °C
Entdecker:Corson u. MacKenzie (USA)
Jahr der Entdeckung:1940
Element 84 - Polonium
Latein:Polonium
Zustand (25 °C, 1 atm):fest
Schmelzpunkt Celsius:254 °C
Siedepunkt Celsius:962 °C
Entdecker:Marie u. Pierre Curie (Frankreich)
Jahr der Entdeckung:1898
Element 83 - Wismut
Latein:Bismutum
Zustand (25 °C, 1 atm):fest
Schmelzpunkt Celsius:271,4 °C
Siedepunkt Celsius:1.560 °C
Entdecker:Agricola (Deutschland)
Jahr der Entdeckung:1540
Element 82 - Blei
Latein:Plumbum
Zustand (25 °C, 1 atm):fest
Schmelzpunkt Celsius:327,5 °C
Siedepunkt Celsius:1.740 °C
Entdecker:unbekannt
Jahr der Entdeckung:2500 v. Chr.
Element 81 - Thallium
Latein:Thallium
Zustand (25 °C, 1 atm):fest
Schmelzpunkt Celsius:303,6 °C
Siedepunkt Celsius:1.457 °C
Entdecker:Crookes (England)
Jahr der Entdeckung:1861
Element 80 - Quecksilber
Latein:Hydrargyrum
Zustand (25 °C, 1 atm):flüssig
Schmelzpunkt Celsius:-38,9 °C
Siedepunkt Celsius:356,6 °C
Entdecker:unbekannt
Jahr der Entdeckung:1500 v. Chr.
Element 79 - Gold
Latein:Aurum
Zustand (25 °C, 1 atm):fest
Schmelzpunkt Celsius:1.064,4°C
Siedepunkt Celsius:2.940 °C
Entdecker:unbekannt
Jahr der Entdeckung:5000 v. Chr.
Element 78 - Platin
Latein:Platinum
Zustand (25 °C, 1 atm):fest
Schmelzpunkt Celsius:1.772 °C
Siedepunkt Celsius:3.827 °C
Entdecker:Scaliger (Italien)
Jahr der Entdeckung:1557
Element 77 - Iridium
Latein:Iridium
Zustand (25 °C, 1 atm):fest
Schmelzpunkt Celsius:2.410 °C
Siedepunkt Celsius:4.130 °C
Entdecker:Tenant und andere (England und Frankreich)
Jahr der Entdeckung:1803
Element 76 - Osmium
Latein:Osmium
Zustand (25 °C, 1 atm):fest
Schmelzpunkt Celsius:3.045 °C
Siedepunkt Celsius:5.027 °C
Entdecker:Tenant (England)
Jahr der Entdeckung:1803
Element 75 - Rhenium
Latein:Rhenium
Zustand (25 °C, 1 atm):fest
Schmelzpunkt Celsius:3.180 °C
Siedepunkt Celsius:5.627 °C
Entdecker:Noddack, Tacke u. Berg (Deutschland)
Jahr der Entdeckung:1925
Element 74 - Wolfram
Latein:Wolframum
Zustand (25 °C, 1 atm):fest
Schmelzpunkt Celsius:3.407 °C
Siedepunkt Celsius:5.927 °C
Entdecker:Gebrüder de Elhuyar (Spanien)
Jahr der Entdeckung:1783
Element 73 - Tantal
Latein:Tantalum
Zustand (25 °C, 1 atm):fest
Schmelzpunkt Celsius:2.996 °C
Siedepunkt Celsius:5.425 °C
Entdecker:Ekeberg (Schweden)
Jahr der Entdeckung:1802
Element 72 - Hafnium
Latein:Hafnium
Zustand (25 °C, 1 atm):fest
Schmelzpunkt Celsius:2.150 °C
Siedepunkt Celsius:5.400°C
Entdecker:Coster u. Hevesy (Dänemark)
Jahr der Entdeckung:1923
Element 71 - Lutetium
Latein:Lutetium
Zustand (25 °C, 1 atm):fest
Schmelzpunkt Celsius:1.656 °C
Siedepunkt Celsius:3.315 °C
Entdecker:Urbain (Frankreich)
Jahr der Entdeckung:1907
Element 70 - Ytterbium
Latein:Ytterbium
Zustand (25 °C, 1 atm):fest
Schmelzpunkt Celsius:824 °C
Siedepunkt Celsius:1.193 °C
Entdecker:de Marignac (Schweiz)
Jahr der Entdeckung:1878
Element 69 - Thulium
Latein:Thulium
Zustand (25 °C, 1 atm):fest
Schmelzpunkt Celsius:1.545 °C
Siedepunkt Celsius:1.727 °C
Entdecker:Cleve (Schweden)
Jahr der Entdeckung:1879
Element 68 - Erbium
Latein:Erbium
Zustand (25 °C, 1 atm):fest
Schmelzpunkt Celsius:1.522 °C
Siedepunkt Celsius:2.510 °C
Entdecker:Mosander (Schweden)
Jahr der Entdeckung:1842
Element 67 - Holmium
Latein:Holmium
Zustand (25 °C, 1 atm):fest
Schmelzpunkt Celsius:1.470 °C
Siedepunkt Celsius:2.720 °C
Entdecker:Soret (Schweiz)
Jahr der Entdeckung:1878
Element 66 - Dysprosium
Latein:Dysprosium
Zustand (25 °C, 1 atm):fest
Schmelzpunkt Celsius:1.409 °C
Siedepunkt Celsius:2.335 °C
Entdecker:Lecoq de Boisbaudran (Frankreich)
Jahr der Entdeckung:1886
Element 65 - Terbium
Latein:Terbium
Zustand (25 °C, 1 atm):fest
Schmelzpunkt Celsius:1.360 °C
Siedepunkt Celsius:3.041°C
Entdecker:Mosander (Schweden)
Jahr der Entdeckung:1843
Element 64 - Gadolinium
Latein:Gadolinium
Zustand (25 °C, 1 atm):fest
Schmelzpunkt Celsius:1.311 °C
Siedepunkt Celsius:3.233 °C
Entdecker:de Marignac (Schweiz)
Jahr der Entdeckung:1880
Element 63 - Europium
Latein:Europium
Zustand (25 °C, 1 atm):fest
Schmelzpunkt Celsius:822 °C
Siedepunkt Celsius:1.597 °C
Entdecker:Demacay (Frankreich)
Jahr der Entdeckung:1901
Element 62 - Samarium
Latein:Samarium
Zustand (25 °C, 1 atm):fest
Schmelzpunkt Celsius:1.072°C
Siedepunkt Celsius:1.778°C
Entdecker:Lecoq de Boisbaudran (Frankreich)
Jahr der Entdeckung:1879
Element 61 - Promethium
Latein:Promethium
Zustand (25 °C, 1 atm):fest
Schmelzpunkt Celsius:1.080 °C
Siedepunkt Celsius:2.730 °C
Entdecker:Marinsky u. Glendenin (USA)
Jahr der Entdeckung:1945
Element 60 - Neodymium
Latein:Neodymium
Zustand (25 °C, 1 atm):fest
Schmelzpunkt Celsius:1.010°C
Siedepunkt Celsius:3.127 °C
Entdecker:Welsbach (Österrreich)
Jahr der Entdeckung:1895
Element 59 - Praseodym
Latein:Praseodymium
Zustand (25 °C, 1 atm):fest
Schmelzpunkt Celsius:931 °C
Siedepunkt Celsius:3.212 °C
Entdecker:Welsbach (Österreich)
Jahr der Entdeckung:1895
Element 58 - Cer
Latein:Cerium
Zustand (25 °C, 1 atm):fest
Schmelzpunkt Celsius:798 °C
Siedepunkt Celsius:3.257 °C
Entdecker:Hisinger u. Berzelius (Deutschland u. Schweden)
Jahr der Entdeckung:1803
Element 57 - Lanthan
Latein:Lanthanum
Zustand (25 °C, 1 atm):fest
Schmelzpunkt Celsius:920 °C
Siedepunkt Celsius:3.454 °C
Entdecker:Mosander (Schweden)
Jahr der Entdeckung:1839
Element 56 - Barium
Latein:Barium
Zustand (25 °C, 1 atm):fest
Schmelzpunkt Celsius:725 °C
Siedepunkt Celsius:1.640 °C
Entdecker:Davy (England)
Jahr der Entdeckung:1808
Element 55 - Caesium
Latein:Caesium
Zustand (25 °C, 1 atm):fest
Schmelzpunkt Celsius:28,4 °C
Siedepunkt Celsius:690 °C
Entdecker:Kirchhoff u. Bunsen (Deutschland)
Jahr der Entdeckung:1860
Element 54 - Xenon
Latein:Xenon
Zustand (25 °C, 1 atm):gasförmig
Schmelzpunkt Celsius:-111,9 °C
Siedepunkt Celsius:-107 °C
Entdecker:Ramsay u. Travers (England)
Jahr der Entdeckung:1898
Element 53 - Iod
Latein:Jodum
Zustand (25 °C, 1 atm):fest
Schmelzpunkt Celsius:113,5 °C
Siedepunkt Celsius:184,4 °C
Entdecker:Courtois (Frankreich)
Jahr der Entdeckung:1811
Element 52 - Tellur
Latein:Tellurium
Zustand (25 °C, 1 atm):fest
Schmelzpunkt Celsius:449,6 °C
Siedepunkt Celsius:990 °C
Entdecker:Reichenstein (Rumänien)
Jahr der Entdeckung:1782
Element 51 - Antimon
Latein:Stibium
Zustand (25 °C, 1 atm):fest
Schmelzpunkt Celsius:630,7 °C
Siedepunkt Celsius:1.750 °C
Entdecker:unbekannt
Jahr der Entdeckung:3000 v. Chr.
Element 50 - Zinn
Latein:Stannum
Zustand (25 °C, 1 atm):fest
Schmelzpunkt Celsius:232 °C
Siedepunkt Celsius:2.270 °C
Entdecker:unbekannt
Jahr der Entdeckung:2500 v. Chr.
Element 49 - Indium
Latein:Indium
Zustand (25 °C, 1 atm):fest
Schmelzpunkt Celsius:156,2 °C
Siedepunkt Celsius:2.080°C
Entdecker:Reich u. Richter (Deutschland)
Jahr der Entdeckung:1863
Element 48 - Cadmium
Latein:Cadmium
Zustand (25 °C, 1 atm):fest
Schmelzpunkt Celsius:321 °C
Siedepunkt Celsius:765 °C
Entdecker:Stomeyer u. Hermann (Deutschland)
Jahr der Entdeckung:1817
Element 47 - Silber
Latein:Argentum
Zustand (25 °C, 1 atm):fest
Schmelzpunkt Celsius:961,9 °C
Siedepunkt Celsius:2.212 °C
Entdecker:unbekannt
Jahr der Entdeckung:4000 v. Chr.
Element 46 - Palladium
Latein:Palladium
Zustand (25 °C, 1 atm):fest
Schmelzpunkt Celsius:1.552 °C
Siedepunkt Celsius:3.140 °C
Entdecker:Wollaston (England)
Jahr der Entdeckung:1803
Element 45 - Rhodium
Latein:Rhodium
Zustand (25 °C, 1 atm):fest
Schmelzpunkt Celsius:1.966 °C
Siedepunkt Celsius:3.727 °C
Entdecker:Wollaston (England)
Jahr der Entdeckung:1803
Element 44 - Ruthenium
Latein:Ruthenium
Zustand (25 °C, 1 atm):fest
Schmelzpunkt Celsius:2.310 °C
Siedepunkt Celsius:3.900 °C
Entdecker:Claus (Russland)
Jahr der Entdeckung:1844
Element 43 - Technetium
Latein:Technetium
Zustand (25 °C, 1 atm):fest
Schmelzpunkt Celsius:2.172 °C
Siedepunkt Celsius:5.053 °C
Entdecker:Perrier u. Segrè (Italien)
Jahr der Entdeckung:1937
Element 42 - Molybdän
Latein:Molybdaenum
Zustand (25 °C, 1 atm):fest
Schmelzpunkt Celsius:2.617 °C
Siedepunkt Celsius:5.560 °C
Entdecker:Scheele (Schweden)
Jahr der Entdeckung:1778
Element 41 - Niob
Latein:Niobium
Zustand (25 °C, 1 atm):fest
Schmelzpunkt Celsius:2.468 °C
Siedepunkt Celsius:4.927 °C
Entdecker:Hatchet (England)
Jahr der Entdeckung:1801
Element 40 - Zirkonium
Latein:Zirkonium
Zustand (25 °C, 1 atm):fest
Schmelzpunkt Celsius:1.852 °C
Siedepunkt Celsius:4.377 °C
Entdecker:Klaproth (Deutschland)
Jahr der Entdeckung:1789
Element 39 - Yttrium
Latein:Yttrium
Zustand (25 °C, 1 atm):fest
Schmelzpunkt Celsius:1.523 °C
Siedepunkt Celsius:3.337 °C
Entdecker:Gadolin (Finnland)
Jahr der Entdeckung:1794
Element 38 - Strontium
Latein:Strontium
Zustand (25 °C, 1 atm):fest
Schmelzpunkt Celsius:769 °C
Siedepunkt Celsius:1.384 °C
Entdecker:Crawford (Schottland)
Jahr der Entdeckung:1790
Element 37 - Rubidium
Latein:Rubidium
Zustand (25 °C, 1 atm):fest
Schmelzpunkt Celsius:39 °C
Siedepunkt Celsius:688 °C
Entdecker:Bunsen u. Kirchhoff (Deutschland)
Jahr der Entdeckung:1861
Element 36 - Krypton
Latein:Krypton
Zustand (25 °C, 1 atm):gasförmig
Schmelzpunkt Celsius:-156,6 °C
Siedepunkt Celsius:-152,3 °C
Entdecker:Ramsay u. Travers (England)
Jahr der Entdeckung:1898
Element 35 - Brom
Latein:Bromum
Zustand (25 °C, 1 atm):flüssig
Schmelzpunkt Celsius:-7,3 °C
Siedepunkt Celsius:58,8 °C
Entdecker:Balard (Frankreich)
Jahr der Entdeckung:1826
Element 34 - Selen
Latein:Selenium
Zustand (25 °C, 1 atm):fest
Schmelzpunkt Celsius:217 °C
Siedepunkt Celsius:685 °C
Entdecker:Berzelius (Schweden)
Jahr der Entdeckung:1817
Element 33 - Arsen
Latein:Arsenicum
Zustand (25 °C, 1 atm):fest
Schmelzpunkt Celsius:613 °C
Siedepunkt Celsius:613 °C
Entdecker:Magnus (Deutschland)
Jahr der Entdeckung:ca. 1250
Element 32 - Germanium
Latein:Germanium
Zustand (25 °C, 1 atm):fest
Schmelzpunkt Celsius:937,4 °C
Siedepunkt Celsius:2.830 °C
Entdecker:Winkler (Deutschland)
Jahr der Entdeckung:1886
Element 31 - Gallium
Latein:Gallium
Zustand (25 °C, 1 atm):fest
Schmelzpunkt Celsius:29,8 °C
Siedepunkt Celsius:2.403 °C
Entdecker:Lecoq de Boiskaudran (Frankreich)
Jahr der Entdeckung:1875
Element 30 - Zink
Latein:Zincum
Zustand (25 °C, 1 atm):fest
Schmelzpunkt Celsius:419,6 °C
Siedepunkt Celsius:907 °C
Entdecker:unbekannt
Jahr der Entdeckung:2000 v. Chr.
Element 29 - Kupfer
Latein:Cuprum
Zustand (25 °C, 1 atm):fest
Schmelzpunkt Celsius:1.083,5 °C
Siedepunkt Celsius:2.595 °C
Entdecker:unbekannt
Jahr der Entdeckung:5000 v. Chr.
Element 28 - Nickel
Latein:Niccolum
Zustand (25 °C, 1 atm):fest
Schmelzpunkt Celsius:1.453 °C
Siedepunkt Celsius:2.732 °C
Entdecker:Cronstedt (Schweden)
Jahr der Entdeckung:1751
Element 27 - Cobalt
Latein:Cobaltum
Zustand (25 °C, 1 atm):fest
Schmelzpunkt Celsius:1.495 °C
Siedepunkt Celsius:2.870 °C
Entdecker:Brandt (Schweden)
Jahr der Entdeckung:1735
Element 26 - Eisen
Latein:Ferrum
Zustand (25 °C, 1 atm):fest
Schmelzpunkt Celsius:1.535 °C
Siedepunkt Celsius:2.750 °C
Entdecker:unbekannt
Jahr der Entdeckung:2000 v. Chr.
Element 25 - Mangan
Latein:Manganum
Zustand (25 °C, 1 atm):fest
Schmelzpunkt Celsius:1.244 °C
Siedepunkt Celsius:2.097 °C
Entdecker:Gahn (Schweden)
Jahr der Entdeckung:1774
Element 24 - Chrom
Latein:Chromium
Zustand (25 °C, 1 atm):fest
Schmelzpunkt Celsius:1.857 °C
Siedepunkt Celsius:2.482 °C
Entdecker:Vauquelin (Frankreich)
Jahr der Entdeckung:1797
Element 23 - Vanadium
Latein:Vanadium
Zustand (25 °C, 1 atm):fest
Schmelzpunkt Celsius:1.890 °C
Siedepunkt Celsius:3.380 °C
Entdecker:del Rio (Mexico)
Jahr der Entdeckung:1801
Element 22 - Titan
Latein:Titanium
Zustand (25 °C, 1 atm):fest
Schmelzpunkt Celsius:1.660 °C
Siedepunkt Celsius:3.260 °C
Entdecker:Gregor (England) u. Klaproth (Deutschland)
Jahr der Entdeckung:1791
Element 21 - Scandium
Latein:Scandium
Zustand (25 °C, 1 atm):fest
Schmelzpunkt Celsius:1.539 °C
Siedepunkt Celsius:2.832 °C
Entdecker:Nilson (Schweden)
Jahr der Entdeckung:1879
Element 20 - Calcium
Latein:Calcium
Zustand (25 °C, 1 atm):fest
Schmelzpunkt Celsius:839 °C
Siedepunkt Celsius:2.832 °C
Entdecker:Davy (England)
Jahr der Entdeckung:1808
Element 19 - Kalium
Latein:Kalium
Zustand (25 °C, 1 atm):fest
Schmelzpunkt Celsius:63,7 °C
Siedepunkt Celsius:774 °C
Entdecker:Davy (England)
Jahr der Entdeckung:1807
Element 18 - Argon
Latein:Argon
Zustand (25 °C, 1 atm):gasförmig
Schmelzpunkt Celsius:-189,4 °C
Siedepunkt Celsius:-185,9 °C
Entdecker:Ramsay u. Rayleigh (Schottland)
Jahr der Entdeckung:1894
Element 17 - Chlor
Latein:Chlorum
Zustand (25 °C, 1 atm):gasförmig
Schmelzpunkt Celsius:-101 °C
Siedepunkt Celsius:-34,6 °C
Entdecker:Scheele (Schweden)
Jahr der Entdeckung:1774
Element 16 - Schwefel
Latein:Sulfur
Zustand (25 °C, 1 atm):fest
Schmelzpunkt Celsius:113 °C
Siedepunkt Celsius:444,7 °C
Entdecker:unbekannt
Jahr der Entdeckung:5000 v. Chr.
Element 15 - Phosphor
Latein:Phosphorus
Zustand (25 °C, 1 atm):fest
Schmelzpunkt Celsius:44 °C
Siedepunkt Celsius:280 °C
Entdecker:Brandt (Deutschland)
Jahr der Entdeckung:1669
Element 14 - Silicium
Latein:Silicium
Zustand (25 °C, 1 atm):fest
Schmelzpunkt Celsius:1.410 °C
Siedepunkt Celsius:2.355 °C
Entdecker:Berzelius (Schweden)
Jahr der Entdeckung:1824
Element 13 - Aluminium
Latein:Aluminium
Zustand (25 °C, 1 atm):fest
Schmelzpunkt Celsius:660,5 °C
Siedepunkt Celsius:2.467 °C
Entdecker:Oersted (Dänemark)
Jahr der Entdeckung:1825
Element 12 - Magnesium
Latein:Magnesium
Zustand (25 °C, 1 atm):fest
Schmelzpunkt Celsius:648,8 °C
Siedepunkt Celsius:1.107 °C
Entdecker:Black (Schottland)
Jahr der Entdeckung:1755
Element 11 - Natrium
Latein:Natrium
Zustand (25 °C, 1 atm):fest
Schmelzpunkt Celsius:97,8 °C
Siedepunkt Celsius:892 °C
Entdecker:Davy (England)
Jahr der Entdeckung:1807
Element 10 - Neon
Latein:Neon
Zustand (25 °C, 1 atm):gasförmig
Schmelzpunkt Celsius:-248,7 °C
Siedepunkt Celsius:-246,1 °C
Entdecker:Ramsay u. Travers (England)
Jahr der Entdeckung:1898
Element 9 - Fluor
Latein:Fluorum
Zustand (25 °C, 1 atm):gasförmig
Schmelzpunkt Celsius:-216,6 °C
Siedepunkt Celsius:-188,1 °C
Entdecker:Moissan (Frankreich)
Jahr der Entdeckung:1886
Element 8 - Sauerstoff
Latein:Oxygenium
Zustand (25 °C, 1 atm):gasförmig
Schmelzpunkt Celsius:-218,4 °C
Siedepunkt Celsius:-182,9 °C
Entdecker:Priestley u. Scheele (England u. Schweden)
Jahr der Entdeckung:1774
Element 7 - Stickstoff
Latein:Nitrogenium
Zustand (25 °C, 1 atm):gasförmig
Schmelzpunkt Celsius:-209,9 °C
Siedepunkt Celsius:-195,8 °C
Entdecker:Rutherford (Schottland)
Jahr der Entdeckung:1772
Element 6 - Kohlenstoff
Latein:Carbo
Zustand (25 °C, 1 atm):fest
Schmelzpunkt Celsius:3.550 °C
Siedepunkt Celsius:4.827 °C
Entdecker:unbekannt
Jahr der Entdeckung:5000 v. Chr
Element 5 - Bor
Latein:Borum
Zustand (25 °C, 1 atm):fest
Schmelzpunkt Celsius:2.300 °C
Siedepunkt Celsius:2.550 °C
Entdecker:Davy u. Gay-Lussac (England u. Frankreich)
Jahr der Entdeckung:1808
Element 4 - Beryllium
Latein:Beryllium
Zustand (25 °C, 1 atm):fest
Schmelzpunkt Celsius:1.278 °C
Siedepunkt Celsius:2.970 °C
Entdecker:Vauquelin (Frankreich)
Jahr der Entdeckung:1797
Element 3 - Lithium
Latein:Lithium
Zustand (25 °C, 1 atm):fest
Schmelzpunkt Celsius:180,5 °C
Siedepunkt Celsius:1317 °C
Entdecker:Arfvedson (Schweden)
Jahr der Entdeckung:1817
Element 2 - Helium
Latein:Helium
Zustand (25 °C, 1 atm):gasförmig
Schmelzpunkt Celsius:-272,2 °C
Siedepunkt Celsius:-268,9 °C
Entdecker:Ramsay u. Cleve (Schottland u. Schweden)
Jahr der Entdeckung:1895
Element 1 - Wasserstoff
Latein:Hydrogenium
Zustand (25 °C, 1 atm):gasförmig
Schmelzpunkt Celsius:-259,1 °C
Siedepunkt Celsius:-252,9 °C
Entdecker:Cavendish (England)
Jahr der Entdeckung:1766
 
 

Einsame Singles: Die Edelgase

In den senkrechten Spalten des Periodensystems, „Gruppen” genannt, haben die Elemente sehr ähnliche chemische Eigenschaften. Warum ist das so? Hauptgrund: Die gleiche Anzahl von Valenzelektronen, also den Elektronen der äußersten Elektronenschale. Bei Edelgasen ist diese Valenzschale voll besetzt. Was heißt das?

Kein Platz in der Valenzschale

Die Natur verbietet es, beliebig viele Elektronen in die Elektronenschalen eines Atoms zu packen. Vielmehr gibt es für jede Schale eine Höchstzahl, mit der die Schalen gefüllt werden können. Die  erste Schale im Atom kann maximal zwei Elektronen aufnehmen. Ist diese gerade voll und gibt es keine weiteren Elektronen im Atom, dann ist das einfachste Edelgas entstanden: das Helium.

Stabil, aber einsam

Die zweite Schale fasst schon acht Elektronen. Mit den beiden aus der ersten Schale braucht es also zehn Elektronen für die nächste Edelgas-Konfiguration, nämlich die des Neon. Die Edelgas-Gruppe steht im Periodensystem ganz rechts, alle Elemente dieser Gruppe haben voll besetzte Valenzschalen: Es zeigt sich, das volle Elektronenschalen besonders stabil sind. Deshalb gehen Edelgase nur schwer chemische Bindungen mit anderen Stoffen ein. Sie sind die Singles im Periodensystem. Stimmt die Chemie? Elektronen gehen Bindungen ein. Anders als die Edelgase ist die Gruppen der Alkalimetalle für ihre Bindungsfreudigkeit bekannt. Dazu gehören Lithium, Natrium und Kalium….

Atomkern

Im Dossier über den Aufbau der Atome wird kurz und richtig beschrieben, dass Atome aus der Atomhülle und dem Atomkern bestehen. In der Atomhülle befinden sich elektrisch negativ geladene Elektronen, der Atomkern enthält elektrisch positiv geladene Protonen und elektrisch neutrale Neutronen. Und da es in der Atomhülle so viel negative Elektronen gibt wie positive Protonen im Atomkern, ist das ganze Atom nach außen elektrisch neutral. Gut! Aber wie ist das dann mit dem Atomkern mit den elektrisch positiv geladenen Protonen? 

Beim Wasserstoff ist ja noch alles ganz klar und einfach. Der Atomkern des Wasserstoffs enthält nur ein einziges elektrisch positiv geladenes Proton. Da kann nichts passieren. Aber beim Helium sind zwei positive Protonen im Kern, beim Eisen bereits 26, und beim Blei gar 82. Müsste da nicht der ganze Atomkern auseinander fliegen, da sich doch elektrisch gleichartig geladene Teilchen abstoßen? 

Aber die Atomkerne von Helium und Eisen und Blei halten dennoch zusammen. Es muss also eine in den Kernen wirkende Kraft geben, die der abstoßenden elektrischen Kraft - der Coulomb-Kraft - zwischen den positiv geladenen Protonen entgegenwirkt und die Kernbausteine zusammenhält. 

Diese Kraft nennt man Kernkraft.

 
 

Die fundamentalen Kräfte der Physik

Nach heutiger Erkenntnis existieren vier fundamentale Kräfte, welche bestimmen, wie Materie sich verhält. Der „Kraft”-Begriff wird in der modernen Physik üblicherweise durch „Wechselwirkung” ersetzt. Diese fundamentalen „Kräfte” sind die Schwerkraft, die elektromagnetische Kraft, die schwache Kraft und die starke Kraft. Die Wirkung einer jeden Kraft reicht unterschiedlich weit und wirkt in ganz verschiedener Art. 

Die Schwerkraft oder Gravitation reicht über sehr große Entfernungen. Sie wird erst messbar bei einer großen Menge an Materie. Die Gravitation bestimmt die Form und Größe der Strukturen im Universum. Sie beherrscht weitgehend unseren Alltag, sie bestimmt unser „Oben” und „Unten”. 

Die elektromagnetische Kraft wirkt wie die Gravitation auch auf große Entfernungen. Elektrische Ladungen gleicher Art stoßen sich ab, entgegengesetzte Ladungen ziehen einander an. Man spricht dabei auch von der Coulomb-Kraft, die also sowohl abstoßend, als auch anziehend wirken kann. Diese Eigenschaft ist eine ganz andere als die der Gravitation, die nur anziehend wirkt. Die elektromagnetische Kraft ermöglicht die ganze Elektronik. Sie bestimmt die Wirkung von Fernseher, Handys und das Internet, und somit auch diese Webseite. 

Die schwache Kraft wirkt bei den winzigsten Elementarteilchen. Sie wird schwach genannt, da der Wechselwirkungsquerschnitt sehr klein ist. Dennoch ist die Kraft, wenn sie wirkt, größer als die elektromagnetische Kraft. Die schwache Kraft ist auch für gewisse radioaktive Zerfälle von Atomkernen verantwortlich. Sie hat die kürzeste Reichweite von allen Kräften. 

Die starke Kraft - die Kernkraft - wirkt nur im Atomkern. Sie ist für den Zusammenhalt der Protonen und der Neutronen im Atomkern verantwortlich. Sie hält so die Kernbausteine zusammen. Sie ist viel stärker als die Coulomb-Kraft und kann daher die Atomkerne gegen die gegenseitig elektrische Abstoßung der Protonen stabilisieren. 

Vergleicht man nun die „Stärke” der vier Kräfte Gravitation, elektromagnetische, schwache sowie starke Kraft und setzt die der Gravitation mit 1 an, so ergibt sich:

1 : 102 : 1013 : 1038

Die Kernkraft

Die Kernkräfte FK haben eine sehr geringe Reichweite und können nur zwischen benachbarten Kernteilchen wirken. Während bei der elektromagnetischen Kraft Fel die Wirkung entsprechend der 2. Potenz des Abstands r - also entsprechend 1/r2 - abnimmt, nimmt die Kernkraft mit der 7. Potenz des Abstands ab - also entsprechend 1/r7 (Abb. 1). Erst wenn die Kernteilchen so dicht beieinander liegen, dass sie sich fast berühren, beginnen die Kräfte zu wirken. Es ist so ähnlich wie bei klebrigen Bonbons, die erst aneinander haften, wenn sie sich berühren.

Abbildung 1 
Abbildung 1

Bei größerer Entfernung zwischen zwei Protonen wirken nur die abstoßenden elektrischen Kräfte (a). Bei geringer Entfernung werden die Kernkräfte wirksam. Sie sind stärker als die elektrischen Kräfte (Abbildung 1).

Wegen der geringen Reichweite werden die Kernkräfte nur zwischen unmittelbar benachbarten Kernteilchen wirksam (Abbildung 2). Besteht ein Atomkern aus nur einigen wenigen Teilchen, ist jedes Teilchen mit jedem anderen in Kontakt. so dass die Kernkräfte wirksam werden können. Und die Kernkraft wirkt zwischen allen Teilchen, unabhängig ob die Teilchen elektrisch geladen sind oder nicht. Die Kernkräfte haben also gleiche Größe zwischen den Teilchenpaaren Proton - Proton, Proton - Neutron und Neutron - Neutron.

Abbildung 2 
Abbildung 2

Ist die Teilchenzahl größer, kann nicht mehr jedes Kernteilchen über Kernkräfte mit jedem anderen in Wechselwirkung treten. Anders ist es bei den im Kern auftretenden elektrischen Kräften. Sie stoßen sich alle untereinander ab, auch über die Entfernung vieler Kernteilchen hinweg. 

Auf dem Bild, auf dem die Kernkräfte (weiße Pfeile) und die elektrischen Kräfte (blaue Pfeile) nur für das mit X bezeichnete Proton angegeben sind, lässt sich dies gut erkennen: Es zeigt, dass die „anziehenden” Kernkräfte nur zwischen benachbarten Kernteilchen wirksam sind, die „abstoßenden” elektrischen Kräfte hingegen auch über größere Entfernungen wirken (Abbildung 3).

Abbildung 3 
Abbildung 3
 
 

Kernmodelle und magische Zahlen

In der Kernphysik existiert bisher kein einheitliches Modell zur umfassenden Beschreibung aller Vorgänge im Atomkern. So gibt es für die Erläuterung unterschiedlicher Fragestellungen verschiedene Modellvorstellungen vom Atomkern.

Tröpfchenmodell

Das 1936 von Niels Bohr formulierte Tröpfchenmodell beschreibt einen Atomkern in Analogie zu einem Flüssigkeitstropfen. Dabei besteht die Analogie darin, dass wie in einem Tropfen die Dichte im Atomkern konstant ist und dass neben der Coulomb-Abstoßung zwischen den Protonen eine anziehende Kraft mit kurzer Reichweite besteht. 

Das Tröpfchenmodell kann die durchschnittliche Bindungsenergie pro Nukleon auf der Basis einer von Carl Friedrich von Weizsäcker aufgestellten Formel (heute Bethe-Weizsäcker-Formel genannt) gut vorhersagen. Es wurde zur Erklärung der 1938 von Hahn und Straßmann entdeckten Kernspaltung angewandt.

Schalenmodell und magische Kerne

Ähnlich dem Schalenmodell in der Atomphysik gibt es auch in der Kernphysik ein Schalenmodell, das es erlaubt, die Energiezustände eines einzelnen Nukleons zu berechnen. Das 1949 von Wigner und Goeppert-Mayer entwickelte Schalenmodell des Atomkerns führt den Aufbau der Atomkerne auf quantenmechanische Gesetzmäßigkeiten zurück. Das Schalenmodell kann die besondere Stabilität mancher Kerne erklären. 

So sind Kerne mit einer so genannten „magischen Nukleonenzahl” stabiler als solche, die mehr oder weniger Nukleonen besitzen. Als magische Zahlen bezeichnet man dabei die Protonen- und Neutronenzahlen, bei denen die Schalen voll besetzt sind. Werte der magischen Zahlen sind für Neutronen und Protonen z. B. 2, 8, 20, 28, 50, 82, 126. Wenn man die Protonen betrachtet, sind die dazugehörigen Elemente Helium (2), Sauerstoff (8), Calcium (20), Nickel (28), Zinn (50) und Blei (82). Diese kommen sehr häufig in der Natur vor. 

Ein doppelt magischer Kern besitzt eine magische Protonen- und eine magische Neutronenzahl, z. B. Helium-4 (2 Protonen, 2 Neutronen), Sauerstoff-16 (8 Protonen, 8 Neutronen), Blei-208 (82 Protonen, 126 Neutronen). 

Neben diesen beiden gängigen Modellen gibt es eine Vielzahl weitere Modellvorstellungen.

Massendefekt

Viele von uns kennen sicherlich das Zitat: „Das Ganze ist mehr als die Summe seiner Teile”. Es stammt von dem griechischen Philosophen und Naturforscher Aristoteles, dem übrigens auch die folgenden Zitate zugeschrieben werden: „Auch das Denken schadet bisweilen der Gesundheit.” und „Was es alles gibt, was ich nicht brauche”. In „Physik”, einem seiner Hauptwerke, hat Aristoteles zwar über Raum, Zeit, Bewegung und Ursache philosophiert, aber nicht über Atomkerne - so etwas war noch nicht bekannt. Wäre es bekannt gewesen, dann hätte er dieses Zitat so allgemein nicht formuliert. Denn bei den aus Protonen und Neutronen zusammengesetzten Atomkernen ist in Bezug auf die Masse die Summe der Teile mehr als das Ganze.

Massendefekt I

Wie stark die Kernteilchen im Kern zusammengehalten werden, lässt sich berechnen. Das ist am einfachsten am Kern des Heliumatoms darzustellen. Er besteht aus zwei Protonen und zwei Neutronen. Die Masse des Heliumkerns mHe müsste sich eigentlich aus 

2 Protonenmassen mp + 2 Neutronenmassen mn

also 

2 ∙ 1,67262∙10-27 kg + 2 ∙ 1,67493 ∙ 10-27 kg 

ergeben: 

2 ∙ mp = 3,34524 ∙ 10-27 kg 

2 ∙ mn = 3,34986 ∙ 10-27 kg 

m2p + 2n = 6,69510 ∙ 10-27 kg 

Genaue Massenbestimmungen des Heliumkerns haben aber ergeben, dass seine Masse mHe = 6,644656 ∙ 10 hoch minus 27 kg beträgt. Die Masse des Heliumkerns ist also um 0,050444 ∙ 10 hoch minus 27 kg geringer als die Summe der Massen der einzeln existierenden Teilchen. Dieser Verlust macht etwa 0,8 % aus (Abbildung 4)

Abbildung 4 
Abbildung 4
 
 

Massendefekt II

Der Massenverlust - auch Massendefekt genannt - kommt dadurch zustande, dass beim Zusammenschluss von Protonen und Neutronen zu einem Kern ein kleiner Teil ihrer Massen in Energie umgewandelt wird. Würde der Heliumkern wieder in seine Bestandteile zerlegt werden, müsste genau die verlorengegangene Energie dem Kern wieder zugeführt werden. Der Massenverlust - und damit die abgegebene Energie - ist also für das Zusammenhalten der Kernteilchen verantwortlich. 

Dass durch Energieabgabe Teilchen zu einer stabilen Einheit zusammengefügt werden können, lässt sich anhand eines mechanischen Modells vorstellen.

Man stelle nacheinander vier Kugeln, die zwei Protonen und zwei Neutronen vor, die getrennt voneinander auf einer Ebene liegen (indifferentes Gleichgewicht) (a). Sie haben gegenüber der unteren Ebene die potentielle Energie Ep1. Fallen die vier Kugeln anschließend in die Vertiefung (b), liegen sie dicht beieinander im stabilen Gleichgewicht. Da sie nun gegenüber der ursprünglichen Position niedriger liegen, haben sie potentielle Energie verloren, Ep2 Ep1. Das entspricht der Energieabgabe beim Auftreten der Kernkräfte.

Kern-Bindungsenergie

Wie viel Energie aus einer bestimmten Masse entsteht, kann nach dem von Einstein formulierten Gesetz 

E = m •  

berechnet werden (EEnergiem: Masse; c: Lichtgeschwindigkeit). 

Beim Heliumkern ergibt sich aus dem Massenverlust von m = 0,050444∙10 hoch minus 27 kg eine Energie von E = 0,4536 ∙ 10 hoch minus 11 J = 28,3 MeV (eV: Elektronvolt. 1 eV = 1,602 ∙ 10 hoch minus 19 J). Dieser Energiebetrag wurde bei der Kernentstehung abgegeben. Auf jedes einzelne Kernteilchen entfällt dann rechnerisch eine Bindungsenergie von E = 28,3 MeV : 4 ≈ 7,1 MeV

Je größer bei einer Kernentstehung der Massenverlust ist, desto fester sind die Kernteilchen aneinander gebunden. Man nennt diese Energie deshalb auch Bindungsenergie. Genaue Messungen haben ergeben, dass die Bindungsenergie pro Kernteilchen bei den Kernen der einzelnen Elemente unterschiedlich ist. Die Bindungsenergie je Nukleon ist in der Abbildung 5 dargestellt.

Abbildung 5 
Abbildung 5

Abgesehen von den sehr leichten Atomkernen liegt die Bindungsenergie je Nukleon zwischen 7 MeV und fast 9 MeV. Die mittlere Bindungsenergie je Nukleon hat bei Kernen mit den Massenzahlen 40 bis 100 ihren höchsten Wert und nimmt zu den leichteren und den schwereren Kernen hin ab. Dass die Bindung der Nukleonen bei den schweren Kernen lockerer wird, ist darauf zurückzuführen, dass bei Vergrößerung der Nukleonenzahl die KernkBildquelle: Kernenergie Basiswissenräfte insgesamt zwar zunehmen, aber eben nur zwischen den benachbarten Teilchen wirken. Die abstoßenden Kräfte zwischen den Protonen nehmen ebenfalls zu, sie wirken aber zwischen allen Protonen. Dadurch wird der Zusammenhalt zwischen den Kernteilchen wieder etwas gelockert.

Zusammenfassung

Für die Nutzung der Kernbindungsenergie stehen also grundsätzlich zwei Möglichkeiten zur Verfügung:

Sehr leichte Kerne, zum Beispiel

formel

werden miteinander verschmolzen. Daraus entstehen dann schwerere Kerne, deren Kernteilchen stärker aneinander gebunden sind. Das ist nur durch einen weiteren Massenverlust, d. h. eine Energieabgabe zu erreichen. Nach diesem Prinzip funktioniert die Energiefreisetzung im Innern der Sonne.

Schwere Kerne werden in mittelschwere gespalten. Da die Bindungsenergie je Nukleon bei mittelschweren Kernen größer ist als bei schweren Kernen, tritt auch dabei Massenverlust und damit eine Energiefreisetzung auf. Dieses Prinzip wird in Kernkraftwerken genutzt.

 

Demokrit (460 v. Chr. - 371 v. Chr.)

Bereits Demokrit, griechischer Naturphilosoph, behauptete, dass die Materie aus kleinsten, unteilbaren Teilchen, den Atomen, zusammen-gesetzt sei. Jedes dieser Atome sollte fest und massiv, aber nicht gleich sein. Es gebe unendlich viele Atome: runde, glatte, unregelmäßige und krumme.

John Dalton (1766 - 1844)

Wies als erster nach, dass Elemente aus für das jeweilige Element charakteri-stischen, in sich gleichen und unteil-baren Teilchen, den Atomen bestehen.

Joseph John Thomson (1856 - 1940)

"Entdecker" des Elektrons. Mit der Existenz von Elektronen musste die Idee vom unteilbaren Atom aufgegeben werden. Mit dem Thomsonmodell kann die Existenz von positiver und negativer Ladung erklärt werden, der bekannte Streuversuch von Rutherford führte zur Erweiterung dieses Modells.

Antoine Henri Becquerel (1852 - 1908)

Entdecker der Radioaktivität und damit der Strahlung aus Atomen. 

Ernest Rutherford (1871 - 1937)

Seine Streuversuche widerlegten das Modell von Thomson. Im Inneren der Atome musste daher etwas sehr viel Massiveres verborgen sein als nur die leichten, winzigen Elektronen. Der Rest eines Atoms musste hingegen leer sein. Die Atomhülle ist mehr als 100.000-mal größer als der Kern. Die Frage, warum die negativen Elektronen nicht in den positiven Kern "fallen", blieb durch das Rutherfordmodell unbeantwortet.

Niels Bohr (1885 - 1962)

In seinem Atommodell bewegen sich Elektronen um den Kern auf genau definierten Bahnen, wie Planeten um die Sonne. Mit diesem Modell konnte das Wasserstoffatom berechnet werden.

Murray Gell-Mann (*1929 )

Der US-amerikanische Physiker und Nobelpreisträger stand schon 1964 mit seinem Kollegen George Zweig für die Existenz der Quarks als "Bausteine" der Nukleonen.

Otto Hahn (1879 - 1968)

Zusammen mit Fritz Straßmann (1902 - 1980) entdeckte er im Dezember 1938 die Spaltung schwerer Atomkerne durch Neutronen.

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