Atombau

Elementarteilchen

Der Begriff Atom leitet sich vom griechischen átomos ab und bedeutet „unteilbar“. Im klassischen Verständnis gibt es drei elementare Teilchen, die Struktur und Eigenschaften eines jeden Atoms bestimmen: Protonen, Neutronen und Elektronen. Protonen sind positiv geladene Teilchen (+1) im Atomkern; ihre Anzahl – die Ordnungszahl – bestimmt, welches Element vorliegt (Wasserstoff hat ein Proton, Helium zwei, Lithium drei, usw.). Protonen sind vergleichsweise schwer: Ihre Masse beträgt etwa 1 u und ist damit fast 2.000-mal größer als die eines Elektrons.

Neutronen sind elektrisch neutral, befinden sich ebenfalls im Kern und besitzen eine Masse, die fast identisch mit der der Protonen ist. Sie halten gemeinsam mit den Protonen den Kern zusammen – ohne sie würde die Abstoßung der positiv geladenen Protonen den Kern zerreißen. Zusammen mit den Protonen legen sie die Massenzahl fest. Atome desselben Elements mit unterschiedlicher Neutronenzahl nennt man Isotope. Elektronen sind das dritte klassische Elementarteilchen: winzig (ca. 1/2000 der Protonenmasse), negativ geladen und in der Elektronenhülle um den Kern verteilt. Ihre Anordnung bestimmt die chemischen Eigenschaften eines Atoms, insbesondere seine Reaktivität mit anderen Atomen.

Protonen und Neutronen sind jedoch selbst nicht elementar, sondern bestehen aus noch kleineren Teilchen, den Quarks: In einem Proton stecken zwei „Up“-Quarks und ein „Down“-Quark, ein Neutron aus zwei „Down“-Quarks und einem „Up“-Quark. Zusammengehalten werden die Quarks durch Gluonen, die die starke Wechselwirkung vermitteln. Elektronen gehören dagegen zur Teilchenfamilie der Leptonen und gelten nach heutigem Wissensstand als wirklich elementar, da keine Unterstruktur bekannt ist.

Da Massenangaben in Kilogramm bei so kleinen Teilchen wenig anschaulich wären, verwendet man relative Größen: Die relative Atommasse bezieht sich auf 1/12 der Masse eines Kohlenstoff-12-Atoms. Protonen und Neutronen haben demnach jeweils eine relative Masse von etwa 1 – als relative Größe eine dimensionslose Zahl ohne Einheit –, während ein Elektron mit rund 1/2000 davon vernachlässigbar leicht ist. Alternativ lässt sich die Atommasse auch absolut angeben, üblicherweise in der atomaren Masseneinheit u, die auch Dalton genannt wird und ebenfalls auf der Kohlenstoffreferenz basiert. Ebenso wird bei der Ladung meist relativ gerechnet: Protonen tragen die Ladung +1, Elektronen −1, Neutronen sind ungeladen.

MedAT-Beispiel: Ein Calcium-Ion ist zweifach positiv geladen (Ca²⁺), hat die Ordnungszahl 20 und die Massenzahl 40. Die Ordnungszahl entspricht der Protonen- und Kernladungszahl (beide 20), die Neutronenzahl ergibt sich aus Massenzahl minus Ordnungszahl (40 − 20 = 20). Da das Teilchen zweifach positiv geladen ist, muss es zwei Protonen mehr als Elektronen besitzen – die Elektronenzahl beträgt also 20 − 2 = 18.