2.1 Historie Atombau 

               Index ACH 

2.2  Aufbau der Atome - von Dalton bis Rutherford

2.2.1 Daltons Atomtheorie

Dalton stützt sich auf das von J. L. Proust 1799 ausgesprochene Gesetz konstanter Proportionen. Hiermit war es möglich, relative Atommassen und Molekülsummenformeln zu bestimmen:

24,3 g Magnesium reagieren mit 16,0 g Sauerstoff zu 40,3 g Magnesiumoxid oder

Mg + (O) MgO (O2 war nicht bekannt).

Die Atome sind nach Dalton starre, elastische Kugeln.

 

2.2.2 Elementarteilchen, die für die Chemie relevant sind:

2.2.2.1 das Elektron

Versuch: Kathodenstrahlrohr

Kathode Anode

zur Vakuumpumpe (0,1 bis 1 Pa)

Der Nachweis von Elektronen gelang mit einer evakuierten Kathodenstrahlröhre als Materiebewegung von der Kathode (-) zur Anode (+).

Im elektromagnetischen Feld bestimmte J. J. Thomson (Portrait) das Verhältnis von Ladung e zur Masse m des Elektrons:

    =  - 1,759 · 108 C g -1

Bestimmung der elektrischen Elementarladung e:

Röntgen- oder Radiumstrahlung

Mikroskop

Zerstäuberdüse

Versuchsanordnung von Millikan 1909 (schematisch)

Millikan bestimmt in seinem Öltropfenversuch die absolute Ladung und somit die Masse des Elektrons:

e  = - 1,6022 · 10-19 C     und     m  = 9,1096 · 10-31 kg.

 

2.2.2.2 Das Proton, Teil des Atomkerns

Versuch: Kanalstrahlrohr

 Anode

Versuchsanordnung von J. J. Thomson 1897 (0,1 - 1 Pa)

Nachweis als Kanalstrahlen in einer Kathodenstrahlröhre (vgl. Abb.). Die Kanalstrahlen bewegen sich von der Anode (+) zur Kathode (-). Kleinstes positives Teilchen eines Wasserstoffrestgases (H2) ist 

das Proton H+       mit  e = + 1,6022 · 10-19 C   und   m = 1,6726 · 10-27 kg.

Es ist    mProton = 1836 · mElektron ~ 1 u.

 

2.2.2.3 Das Neutron, Teil des Atomkerns

Atome bestehen aus positiv geladenen Protonen (H+ ), und negativ geladenen Elektronen (e-). Atome sind im Grundzustand elektrisch neutral. Die gemessene und berechnete Masse der ersten 3 Elemente ergibt eine Differenz:

Atom Symbol Anzahl H+ Anzahl e- mrechn mgemessen
Wasserstoff H 1 1 1u 1u
Helium He 2 2 2u 4u
Lithium Li 3 3 3u 7u


Zum Ausgleich der Massedifferenz der berechneten und der gemessenen Atommassen postulierte E. Rutherford 1920 ein weiteres Elementarteilchen, das 1932 von Chadwick (Portrait) als Produkt aus Kernreaktionen nachgewiesen wurde, das Neutron n.

Für die Chemie relevante Atombausteine:

Name Abkürzung Masse in kg Masse in u Elementarladungen e
1e = 1,6022*10-19 C
Proton p, H+ 1,6726·10-27 1,0073 + e
Neutron n 1,6749·10-27 1,0087 0
Elektron e- 9,1096·10-31 0,00055 - e

Definition:
1u = 1/12 der Masse eines Kohlenstoffatoms aus 6 Protonen, 6 Neutronen und 6 Elektronen (12C); 

1 u = 1,66056 · 10-27 kg

Anschaulicher Größenvergleich:     

Seit 1932 haben die Physiker weit mehr als einhundert verschiedene Elementarteilchen entdeckt und beschrieben, die jedoch chemische Reaktionen nicht beeinflussen. Nach neueren Erkenntnissen sind alle "Elementarteilchen" aus 12 Elementarbausteinen und 4 Grundkräften zusammengesetzt. 
So besteht z. B. das Proton aus 2 up- und 1 down-Quarks, das Neutron aus 2 down- und 1 up-Quarks (Baryonen). Das Elektron ist ein Elementarteilchen der Leptonen.

2.2.3 Verteilung der Elementarteilchen im Atom:

Versuchsapparatur E. Rutherford 1911

Schichtdicke der Goldfolie: 500 nm

 

2.2.4 Rutherfordsches Atommodell

Im Rutherfordschen Streuversuch werden etwa 0,1 % der auf eine dünne Goldfolie gerichteten a -Strahlen (He-Kerne) gestreut.

Das Atom besteht aus einem massiven Atomkern aus Protonen und Neutronen (ausgenommen Wasserstoff H). Er beinhaltet nahezu die gesamte Masse des Atoms und ist umgeben von einer lockeren Elektronenwolke.

Durchmesser des Atomkerns: 0,25 bis 1,5·10-14 m

Durchmesser des Atoms: 1,3 bis 5·10-10 m   (130-500 pm, 0,13-0,5 nm)

 


Lord Ernest Rutherford of Nelson

Anschaulicher Größenvergleich:        

oder:  "Um einen Atomkern in Größe eines Tischtennisballs bewegen sich die Elektronen von Größe eines Stecknadelkopfes im Abstand von 1000 m!"

Elektrische Ladung des Kerns: - (Z · e-)   bzw.     (Z · e+).  
Die Anzahl Protonen und Elektronen in einem neutralen Atom ist gleich.

Werden ein oder mehrere Elektronen aus dem Atomverbund entfernt, so ist das Atom positiv geladen. Es wird als Kation bezeichnet.

Bei Elektronenüberschuss spricht man vom Anion.

   2.2 Atomkern 

© Prof. Dr. M. Häberlein in FH Frankfurt a. M., Fachbereich 2: Informatik und Ingenieurwissenschaften