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Atom

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 Dieser Artikel beschäftigt sich mit dem Materiebaustein. Für weitere Bedeutungen siehe Atom (Begriffsklärung)
Eine Illustration des Heliumatoms im Grundzustand, die den Atomkern (rosa) und die Aufenthaltswahrscheinlichkeit der Elektronen (schwarz) darstellt. Der Kern (oben rechts) is in der Realität kugelsymmetrisch, obwohl dies für kompliziertere Kerne nicht immer der Fall ist. Der schwarze Streifen hat die Länge von einem Ångström, was 10−10 m oder 0,1 nm entspricht.

Das Atom ist die Grundeinheit der Materie und besteht aus einem dichten, zentralen Atomkern umgeben von einer Wolke negativ geladener Elektronen. Der Atomkern enthält positiv geladene Protonen und elektrisch neutrale Neutronen (außer im Fall von gewöhnlichem Wasserstoff, dessen Kern nur aus einem Proton besteht). Die Elektronen eines Atoms sind durch die elektromagnetische Wechselwirkung an den Kern gebunden. Durch dieselbe Kraft können mehrere Atome aneinander gebunden ein Molekül bilden. Ein Atom mit gleich vielen Elektronen wie Protonen ist elektrisch neutral, andernfalls hat es eine positive oder negative Gesamtladung und ist damit ein Ion. Atome werden mittels der Anzahl der Protonen und Neutronen im Atomkern klassifiziert: Die Anzahl der Protonen bestimmt das chemische Element und die Neutronenzahl bestimmt das Isotop dieses Elements.

Der Name „Atom“ kommt vom griechischen ἄτομος/átomos, α-τεμνω, was „das Unzerschneidbare“ bedeutet. Das Konzept, dass es Atome als kleinste Bausteine der Materie gebe, wurde erstmals von frühen indischen und griechischen Philosophen erwogen. Im 17. und 18. Jahrhundert fanden Chemiker eine physikalische Grundlage für diese Idee, indem sie zeigten, dass sich bestimmte Sustanzen, die Elemente genannt wurden, mit chemischen Methoden nicht weiter zerlegen ließen. Während des späten 19. und frühen 20. Jahrhunderts entdeckten Physiker, dass auch Atome aus verschiedenen Bestandteilen bestehen und demnach nicht unteilbar sind. Die Prinzipien der Quantenmechanik ermöglichten es, ein erfolgreiches Atommodell zu entwickeln.[1][2]

Verglichen mit alltäglichen Gegenständen sind Atome winzig klein. Einzelne Atome können nur mit speziellen Hilfsmitteln wie dem Rastertunnelmikroskop beobachtet werden. Entsprechend klein ist die Masse des Atoms. Dabei sind über 99,9 % der Masse eines Atoms in seinem Kern konzentriert,[Notiz 1] denn die Masse eines Protons oder Neutrons beträgt das ca. 1840-fache der Elektronmasse.

Jedes Element hat mindestens ein Isotop mit instabilem Atomkern, das radioaktiv zerfallen kann. Dies kann zu einer Transmutation führen, bei der sich die Anzahl der Protonen und Neutronen im Kern ändert.[3] Elektronen, die in einem Atom gebunden sind, haben eine Anzahl stabiler Energieniveaus oder Orbitale und können zwischen diesen wechseln, indem sie Photonen absorbieren oder emittieren, deren Energie der Energiedifferenz der Niveaus entspricht. Die Elektronen bestimmen die chemischen Eigenschaften eines Elements und beeinflussen stark die magnetischen Eigenschaften eines Atoms.

Inhaltsverzeichnis

Entdeckungsgeschichte

Philosophische Überlegungen

Das Konzept, dass Materie aus diskreten Grundeinheiten aufgebaut ist und nicht in beliebig kleine Stücke zerteilt werden kann, existiert seit Jahrtausenden, aber diese Ideen beruhten auf abstrakten philosophischen Überlegungen und nicht auf empirischer experimenteller Untersuchung. Die den Atomen in der Philosophie zugeschriebenen Eigenschaften variierten stark je nach philosophischer Schule, insbesondere zu verschiedenen Zeiten und in verschiedenen Kulturen. Dennoch wurde die Grundidee des Atoms Jahrtausende später von Wissenschaftlern übernommen, weil sie eine elegante Erklärung für neue Entdeckungen in der Chemie bot.[4]

Die früheste bekannte Erwähnung des Atomkonzepts in der Philosophie stammt aus dem 6. Jahrhundert v. Chr. aus Indien.[5] Die Nyaya- und Vaisheshika-Schulen entwickelten ausgearbeitete Theorien, wie sich Atome zu komplexeren Gebilden zusammenschlössen (erst in Paaren, dann je drei Paare).[6] Die Atomverstellung in der griechischen Philosophie ist erstmals von Leukipp überliefert, dessen Schüler Demokrit seine Vorstellungen systematisierte. Etwa 450 v. Chr. prägte Demokrit den Begriff átomos, was etwa "das Unzerschneidbare" bedeutet, also ein nicht weiter zerteilbares Objekt bezeichnet. Obwohl die indischen und griechischen Atomvorstellungen rein philosophischer Natur waren, hat die moderne Chemie die Bezeichnung von Demokrit beibehalten.[4]

Bis zur Entwicklung der Chemie als Wissenschaft brachte das Atomkonzept keine neuen Erklärungen. 1661 publizierte der Naturphilosoph Robert Boyle sein Werk The Sceptical Chymist, in dem er argumentierte, die Materie sei aus diversen Kombinationen verschiedener „corpuscules“ aufgebaut und nicht aus den vier Elementen Wasser, Erde Feuer und Luft.[7] 1789 prägte Antoine Lavoisier den Begriff Element für Grundstoffe, die mit chemischen Methoden nicht weiter zerlegt werden können.[8]

Naturwissenschaftliche Forschung

Verschiedene Atome und Moleküle, wie sie in A New System of Chemical Philosophy (1808) von John Dalton abgebildet sind.

1803 benutzte der englische Lehrer und Naturphilosoph John Dalton das Atomkonzept, um zu erklären, wieso Elemente immer in Verhältnissen kleiner ganzer Zahlen miteinander reagieren – Gesetz der multiplen Proportionen – und weshalb bestimmte Gase sich besser in Wasser lösen als andere. Er nahm an, dass jedes Element aus einer einzigartigen Sorte von Atomen besteht und dass diese Atome sich miteinander verbinden und dadurch chemische Verbindungen bilden.[9][10]

1827 erhielt die Atomtheorie durch die Beobachtungen des Botanikers Robert Brown zusätzliche Unterstützung. Er stellte bei Untersuchungen mit dem Mikroskop fest, dass Pollen und Staubkörner in Wasser sich ungeordnet hin und her bewegten – ein Phänomen, dass als Brownsche Bewegung bekannt wurde. Diese Beobachtung wurde durch eine mathematische Untersuchung Albert Einsteins von 1905 als Effekt von Stößen mit Wassermolekülen, die sich thermisch bewegen, erklärt.[11][12][13] Der französische Physiker Jean Perrin benutzte Einsteins Arbeit, um experimentell Masse und Größe von Atomen zu bestimmen, und bestätigte damit Daltons Atomtheorie.[14]

Joseph John Thomson entdeckte 1897 bei seiner Arbeit mit Kathodenstrahlen das Elektron und stellte fest, dass es ein Bestandteil von Atomen ist, womit er das Konzept des Atoms als unzerteilbarer Einheit zerstörte.[15] Thomson glaubte, dass die Elektronen im Atom verteilt seien und ihre Ladung durch ein gleichmäßiges, positiv geladenes Medium kompensiert würde (Thomsonsches Atommodell).

Eine Forschungsgruppe um Ernest Rutherford beschoss 1909 eine Goldfolie mit (positiv geladenen) Heliumatomkernen (Alphastrahlung) und stellte fest, dass ein kleiner Anteil der Teilchen um sehr viel größere Winkel abgelenkt wurden, als Thomsons Modell es vorhersagte. Rutherford schloss aus diesem Experiment, dass die positive Ladung eines Atoms und der Großteil seiner Masse in einem Atomkern in der Mitte des Atoms konzentriert sei und die Elektronen um diesen Kern kreisten wie die Planeten um die Sonne (Rutherfordsches Atommodell). Die positiv geladenen Teilchen, die sehr nah an diesen Kern kamen, würden sehr viel stärker abgelenkt, als andere.[16]

Bei Experimenten mit den Produkten radioaktiver Zerfälle stellte der Radiochemiker Frederick Soddy 1913 fest, dass es anscheinend mehr als eine Atomart für jedes Element gab.[17] Der Begriff Isotop für verschiedene Atome desselben Elements wurde von Margaret Todd geprägt. J.J. Thomson entwickelte bei seiner Arbeit über ionisierte Gase ein Verfahren zur Trennung verschieden schwerer Atome, was zur Entdeckung stabiler Isotope führte.[18]

Illustration des bohrschen Modells des Wasserstoffatoms mit einem Elektron, das zwischen festen Umlaufbahnen (Orbits) springt und dabei ein Photon mit einer bestimmten Frequenz abstrahlt.

1913 überarbeitete Niels Bohr Rutherfords Atommodell und nahm an, dass die Elektronen sich nur auf bestimmten quantisierten Umlaufbahnen (Schalen) aufhalten und zwischen diesen "springe", sich jedoch nicht in Zwischenzuständen aufhalten könnten.[19] Ein Elektron muss eine bestimmte Menge an Energie aufnehmen oder abgeben, um zwischen diesen festen Schalen zu wechseln. Wenn das Licht, das von einem erhitzten Material abgestrahlt wird, durch ein Prisma geleitet wird, erzeugt es ein farbiges Emissionsspektrum. Die Existenz fester Spektrallinien in diesen Spektren wurde erfolgreich durch die Übergänge des Elektrons zwischen den Schalen im Atome erklärt.[20]

Chemische Bindungen wurden 1916 von Gilbert Newton Lewis im Rahmen des bohrschen Atommodells durch Wechselwirkung der Elektronen der Bestandteile erklärt.[21] Um zu erklären, dass sich die chemischen Eigenschaften der Elemente grob periodisch mit der Ordnungszahl verhalten,[22] schlug Irving Langmuir 1919 vor, dass das Elektronen in einem Atom verbunden oder verklumpt seien. Elektronengruppen besetzten nach dieser Vostellung bestimmten Elektronenschalen um den Kern.[23]

Der Stern-Gerlach-Versuch von 1922 erbrachte neue Erkenntnisse über die quantenmechanischen Eigenschaften von Atomen. Ein Strahl aus Silberatomen, der durch ein speziell geformtes Magnetfeld geleitet wird, spaltet sich abhängig von der Richtung des Drehimpulses des äußersten Elektrons im Atom auf. Es wurde erwartet, dass diese Richtung zufällig ist und der Strahlquerschnitt eine Linie beschreiben würde. Stattdessen wurde der Strahl in zwei Teile aufgespalten, was darauf hindeutete, dass nur zwei Ausrichtungen des Drehimpulses oder Spins vorkommen.[24]

Aufbauend auf dem von Louis de Broglie 1924 postulierten Welle-Teilchen-Dualismus entwickelte Erwin Schrödinger 1926 ein Atommodell, das die Elektronen als dreidimensionale Wellen und nicht als Teilchen beschrieb. Eine Folge der Beschreibung durch Wellen ist, dass es unmöglich ist, genaue Werte sowohl für Ort als auch Impuls eines Elektrons zu erhalten. Dieser Sachverhalt wurde als Unschärferelation 1926 von Werner Heisenberg im Kontext eines verwandten Modells beschrieben. Nach der Unschärferelation können nur Wahrscheinlichkeitsverteilungen für Wertebereiche von Ort und Impuls angegeben werden. Obwohl sich dieses Modell schwer bildlich darstellen ließ, gelang es damit sehr viel besser als mit den Vorläufermodellen, die Eigenschaften insbesondere größerer Atome als Wasserstoff, wie z. B. ihre Spektrallinien und ihre Elektronenstruktur, zu beschreiben. Daher wurde das bohrsche Atommodell zugunsten des sogenannten Orbitalmodells des Atoms verworfen, das beschreibt, in welchen Gebieten die Elektronen sich am wahrscheinlichsten aufhalten.[25][26]

Schematische Darstellung eines einfachen Massenspektrometers.

Die Entwicklung des Massenspektrometers ermöglichte es, Atommassen genau zu messen. Das Gerät verwendet einen Magneten, um einen Ionenstrahl auf eine gekrümmte Bahn zu lenken. Die Ablenkung eines einzelnen Ions wird dabei durch das Verhältnis seiner Masse zu seiner Ladung bestimmt. Francis William Aston zeigte mit einem solchen Instrument, dass Isotope des gleichen Elements verschiedene Atommassen haben und dass diese sich um ganzzahlige Vielfache der Masse des Wasserstoffatoms unterscheiden.[27] Die Erklärung für die Existenz verschiedener Isotope gelang mit der Entdeckung des Neutrons, eines neutralen Teilchens mit einer Masse ähnlich der des Protons, durch James Chadwick im Jahr 1932. Isotope wurden als Atomsorten mit gleich vielen Protonen, aber verschieden vielen Neutronen im Atomkern erklärt.[28]

Der deutsche Chemiker Otto Hahn, ein Schüler Rutherfords, untersuchte im Jahr 1938 Atomkerne. Dazu beschoß er Uran-Atome mit Neutronen in der Erwartung, dadurch Transurane zu erzeugen. Chemisch wurde jedoch überraschenderweise Barium nachgewiesen. In einem Brief unterrichtete er seine Mitarbeiterin Lise Meitner, die aufgrund ihrer jüdischen Religion vor den Nazis nach Schweden geflohen war, über die experimentellen Befunde und merkte dabei an, dass das Uran ja „nicht in Barium zerplatzt sein kann“. Lise Meitner und ihr Neffe Otto Frisch konzipierten eine neue Versuchsanordnung: nach der Bestrahlung von Uran mit Neutronen suchten sie mittels einer Ionisationskammer als erste explizit nach leichten Spaltprodukten, waren dabei erfolgreich und konnten nun Hahns Ergebnis als Kernspaltung interpretieren[29] (siehe auch: Entdeckung der Kernspaltung).[30] Hahn erhielt den Nobelpreis für Chemie des Jahres 1944 wobei der Beitrag von Meitner und Frisch, trotz dahingehender Bemühungen Hahns, nicht berücksichtigt wurde.

In den 1950er Jahren ermöglichte die Entwicklung verbesserter Teilchenbeschleuniger und Teilchendetektoren die Untersuchung von Atomen bei sehr hohen Energien.[31] Die „Tiefinelastische Streuung“ von Elektronen sehr hoher Energie an Atomkernen zeigte, dass Neutronen und Protonen Hadronen sind, die aus Quarks zusammengesetzt sind.[32]

1985 entwickelte eine Arbeitgruppe um Steven Chu an den Bell Labs ein Verfahren, die Temperatur von Atomen mittels Laserstrahlung stark zu verringern. Im selben Jahr gelang es einer Gruppe um William D. Phillips, Natriumatome in einer Magnetfalle einzuschließen. Durch Kombination dieser Verfahren mit einer Methode, die den Dopplereffekt benutzt, gelang es einer Arbeitsgruppe um Claude Cohen-Tannoudji, geringe Mengen von Atomen auf einige Mikrokelvin zu kühlen. Dieses Verfahren ermöglicht es, die Atome mit hoher Genauigkeit zu untersuchen,[33] und ermöglichte auch die experimentelle Realisierung der Bose-Einstein-Kondensation.[34] In den 2000er Jahren wurde die Handhabbarkeit einzelner Atome durch neue Technologien unter anderem genutzt um einen Transistor aus nur einem Metallatom mit organischen Liganden herzustellen.[35]

Entstehungsgeschichte

Atome bilden etwa 4 % der Energiedichte des beobachtbaren Universums, mit einer mittleren Dichte von 0,25 Atome/m3.[36] Innerhalb einer Galaxie wie der Milchstraße ist die Konzentration von Atomen viel höher, nämlich zwischen 105 und 109 Atome/m3 im interstellaren Medium (ISM).[37] Die Sonne befindet sich in der weitgehend staubfreien lokalen Blase, daher ist die Dichte in der Umgebung des Sonnensystems nur etwa 103 Atome/m3.[38] Sterne bilden dichte Wolken im ISM und die Entwicklungsprozesse von Sternen sorgen für eine ständige Anreichung des ISM mit schwereren Elementen als Wasserstoff und Helium. Bis zu 95 % der Atome in der Milchstraße sind in Sternen konzentriert und die Gesamtmasse der Atome macht etwa 10 % der Masse der Milchstraße aus,[39] wobei der Rest der Masse von unbekannter dunkler Materie herrührt.[40]

Nukleosynthese

→ Hauptartikel: Nukleosynthese

Stabile Protonen und Elektronen existierten eine Sekunde nach dem Urknall. In den folgenden drei Minuten wurde der Großteil des Heliums, Lithiums und Deuteriums und vielleicht kleinere Mengen Beryllium und Bor des Universums durch primordiale Nukleosynthese gebildet.[41][42][43] Die ersten vollständigen Atome mit gebundenen Elektronen wurden erst 380.000 Jahre nach dem Urknall gebildet, als das Universum durch Expansion ausreichend abgekühlt war um Rekombination von Atomkernen und Elektronen zu ermöglichen.[44] Seitdem wurden schwerere Atomkerne, bis Eisen, in Sternen durch Kernfusion aus leichteren Atomkernen zusammengesetzt.[45]

Isotope wie Lithium-6 werden durch Spallation erzeugt.[46] Dabei trifft ein hochenergetisches Proton einen Atomkern was die Erzeugung vieler Nukleonen und das Zesplittern des Kerns zur Folge hat. Elemente mit schwereren Atomkernen als Eisen wurden bei Supernovae durch den r-Prozess und in AGB-Sternen durch den s-Prozess gebildet, während derer ein Atomkern viele Neutronen einfängt.[47] Elemente wie Blei wurden vor allem durch radioaktiven Zerfall schwererer Elemente gebildet.[48]

Atome auf der Erde

Die meisten Atome auf der Erde waren in ihrer aktuellen Form bereits im Nebel enthalten, durch dessen Kollaps aus einer Molekülwolke das Sonnensystem entstand. Die restlichen Atome sind das Ergebnis radioaktiver Zerfälle und ihre Mengenverhältnisse können genutzt werden, um das Alter der Erde durch radiometrische Datierung zu bestimmen.[49][50] Der Großteil des Heliums in der Erdkruste stammt aus Alpha-Zerfällen, wird durch den geringen Anteil von Helium-3 offenbar wird.[51]

Einige wenige Atome auf der Erde stammen weder aus der Anfangszeit der Erde noch aus radioaktiven Zerfällen. Kohlenstoff-14 wird fortwährend durch kosmische Strahlung in der oberen Erdatmosphäre gebildet.[52] Einige Atome wurden entweder gezielt oder als Nebenprodukte in Kernkraftwerken und bei Atombombenexplosionen gebildet.[53][54] Von den Transuranen – Elemente mit Ordnungszahl über 92 – kommen nur Plutonium und Neptunium natürlich auf der Erde vor.[55][56] Transurane haben Lebensdauern, die kürzer sind als das Alter der Erde,[57] daher sind diese Elemente längst radioaktiv zerfallen, mit Ausnahme von Spuren von Plutonium-244, die möglicherweise aus kosmischem Staub stammen.[49] Die natürlichen Vorkommen von Plutonium und Neptunium entstehen durch Neutroneneinfang in Uranerzen.[58]

Die Erde enthält etwa 1,33 × 1050 Atome.[59] In der Atmosphäre gibt es kleine Mengen von einzelnen Atomen von Edelgasen wie Argon und Neon. Die restlichen 99 % der Atmosphäre bestehen aus Molekülen wie den zweitaomigen Stickstoff- und Sauerstoffmolekülen und Kohlenstoffdioxid. An der Erdoberfläche verbinden sich die Atome zu verschiedenen Molekülen wie Wasser, Silikate und komplexen organischen Molekülen. Atome können auch Strukturen bilden, die nicht aus Molekülen bestehen, wie einfache Salze oder flüssige oder feste Metalle. [60][61] Diese atomare Materie und Salze bilden im Gegensatz zu den meisten Molekülen geordnete Kristallstrukturen.[62]

Aufbau

Subatomare Teilchen

Obwohl der Begriff Atom ursprünglich ein nicht weiter zerteilbares Teilchen bezeichnet, sind die Objekte, die als heute als Atome bezeichnet werden, aus verschiedenen subatomaren Teilchen zusammengesetzt. Diese Bestandteile sind Elektronen, Protonen und Neutronen.

Das Elektron ist mit einer Masse von nur 9,11 × 10−31 kg das leichteste dieser Teilchen, es ist negativ geladen und so klein, dass mit derzeitigen Messmethoden keine Ausdehnung festgestellt werden kann.[63] Das Proton ist positiv geladen. Seine Masse beträgt 1,6726 × 10−27 kg, ist also 1836 mal größer als die des Elektrons. Neutronen sind elektrisch neutral und haben eine Masse von 1,6929 × 10−27 kg, also die 1839-fache Elektronenmasse. Neutronen und Protonen haben einen Durchmesser von etwa 2,5 × 10−15 m (sie haben allerdings keine scharf begrenzte Oberfläche).[64]

Nach dem Standardmodell der Elementarteilchenphysik sind Protonen und Neutronen aus Elementarteilchen, den Quarks, aufgebaut. Die Quarks sind eine von zwei Kategorien elementarer Fermionen; die andere Fermionen-Kategorie sind die Leptonen, zu denen das Elektron gehört. Es gibt sechs verschiedene Quarktypen, wovon je drei eine elektrische Ladung von +2/3 und −1/3 der Elementarladung tragen. Protonen sind aus zwei Up-Quarks (Ladung +2/3e) und einem Down-Quark (Ladung −1/3e) aufgebaut und Neutronen bestehen aus einem Up-Quark und zwei Down-Quarks. Dieser Unterschied der Bestandteile verursacht die unterschiedliche Masse und Ladung der beiden Teilchen. Die Quarks werden durch die starke Wechselwirkung zusammengehalten, die durch Gluonen vermittelt wird. Das Gluon gehört zu den Eichbosonen, das sind Elementarteilchen, die Kräfte vermitteln.[65][66]

Atomkern

→ Hauptartikel: Atomkern

Die Bindungsenergie, die aufgebracht werden muss um ein Nukleon aus dem Atomkern zu lösen, für verschiedene Isotope.

Die aneinander gebundenen Protonen und Neutronen, auch mit dem Überbegriff Nukleonen bezeichnet, in einem Atom bilden den Atomkern. Der Radius des Kerns beträgt etwa \begin{smallmatrix}1{,}07 \sqrt[3]{A}\end{smallmatrix}  fm, wobei A Massenzahl, die Anzahl der Nukleonen im Kern, ist.[67] Das ist sehr viel kleiner als der Radius des Atoms, der ungefähr im Bereich von 105 fm liegt. Die Nukleonen werden durch eine Kraft mit kurzer Reichweite zusammengehalten, die bei Abständen unter 2,5 fm deutlich stärker ist als die elektrostatische Abstoßung der Protonen.[68]

Atome desselben Elements haben dieselbe Protonenanzahl, die Ordnungszahl genannt wird. Die Neutronenanzahl kann bei Atomen desselben Elements verschieden sein und bestimmt das jeweilige Isotop des Elements. Die allgemeine Bezeichnung für eine durch ihre Ordnungszahl und Massenzahl bestimmte Atomsorte ist Nuklid. Das Verhältnis der Neutronenanzahl zur Protonenanzahl bestimmt die Stabilität des Atomkerns; instabile Kerne zerfallen radioaktiv.[69]

Neutron und Proton sind zwei Arten von Fermionen. Für Fermionen gilt das Pauli-Prinzip, eine quantenmechanische Erfahrungsregel, nach der gleichartige Fermionen in ein und demselben gebundenen System nicht im selben Zustand sein können. Dies erklärt, warum die Protonen eines Atomkerns alle verschiedene Zustände mit verschiedenen Energien besetzen, ebenso auch die Neutronen.[70]

Für Elemente mit niedriger Ordnungszahl sind Kerne mit annähernd gleich vielen Neutronen wie Protonen am stabilsten. Das bedeutet, dass für diese Elemente bei einer großen Differenz der Anzahlen von Protonen und Neutronen in einem Kern dieser radioaktiv zerfällt wobei sich die Anzahlen von Protonen und Neutronen annähern. Bei größeren Ordnungszahlen sorgt die elektrostatische Abstoßung der Protonen dafür, dass Kerne mit mehr Neutronen als Protonen stabiler sind. Das Verhältnis von Neutronen zu Protonen in den Kernen der stabilen Isotope steigt für Elemente mit größeren Ordnungszahlen auf etwa 1,5.[70]

Illustration einer Kernfusion, bei dem zwei Protonen zu einem Deuteriumkern aus einem Proton und einem Neutron reagieren. Ein Positron (e+) – das Antiteilchen des Elektrons – und ein Elektron-Neutrino entstehen bei der Reaktion.

Die Anzahl von Protonen und Neutronen im Atomkern kann verändern werden, allerdings werden dazu meist große Energien benötigt um die hohen Kräfte zu überwinden. Bei einer Kernfusion verschmelzen zwei Atomkerne bei einer hochenergetischen Kollision zu einem schwereren Atomkern. Im Kern der Sonne benötigen Protonen beispielsweise eine Energie von 3–10 keV um die elektrostatische Abstoßung – den Coulombwall – zu überwinden und sich zu einem Atomkern zu verbinden.[71] Kernspaltung ist der umgekehrte Prozess, bei dem ein Atomkern – üblicherweise durch radioaktiven Zerfall – in zwei kleinere Kerne zerfällt. Der Atomkern kann auch durch Beschuss mit subatomaren Teilchen oder Photonen hoher Energie verändert werden. Wird dabei die Anzahl der Protonen verändert, ändert sich auch das chemische Element des Atoms.[72][73]

Wenn die Masse eines durch Fusion entstandenen Atomkerns kleiner ist, als die Summe der Kernmassen vor der Fusion, wird der Massenunterschied als Energie abgegeben, gemäß der Äquivalenz von Masse und Energie, E = mc2, mit m dem Massenverlust und c der Lichtgeschwindigkeit im Vakuum. Der Massenunterschied entspricht der Bindungsenergie des Atomkerns.[74]

Die Fusion zweier Atomkerne, die gemeinsam weniger Nukleonen haben als ein Atomkern des Eisens ist ein exothermer Prozess, der mehr Energie freisetzt als zum Auslösen benötigt wird.[75] Diese Tatsache sorgt dafür, dass die Kernfusion in Sternen ein selbsterhaltender Prozess ist, bis die produzierten Atomkerne zu groß werden. Bei Atomkernen die größer sind als der des Eisens, nimmt die Bindungsenergie ab. Daher ist die Fusion schwererer Atomkern endotherm. Sie ist daher kein selbsterhaltender Prozess, was dazu führt, dass die Kernfusion in Sternen zum Erliegen kommt, wenn die leichten Atomkerne aufgebraucht sind.[70]

Atomhülle

→ Hauptartikel: Atomhülle

Ein Potentialtopf, der die minimale Energie V(x) angibt, die benötigt wird um jede Position x zu erreichen. Ein Teilchen mit Energie E ist auf des Gebiet zwischen x1 und x2 beschränkt.

Die Elektronen in einem Atom werden mittels der elektromagnetischen Kraft von den Protonen im Atomkern angezogen. Diese Kraft bindet die Elektronen in einem elektrostatischen Potentialtopf um den Atomkern, so dass sie sich nicht ohne Energiezufuhr von außen vom Atomkern lösen könne. Je näher ein Elektron am Kern ist, desto größer ist die anziehende Kraft und desto mehr Energie ist nötig, um es vom Atomkern zu trennen.

Elektronen werden, wie alle Teilchen, in der Quantenmechanik durch eine Wellenfunktion beschrieben, die die Wahrscheinlichkeit angibt, das Elektron in einem bestimmten Gebiet zu finden. Im Atom nehmen die Wellenfunktionen bestimmte Formen an, die stehenden Wellen ähnlich sind, das heißt die Wellenfunktion bewegt sich nicht gegenüber dem Kern. Die dadurch beschriebenen Wahrscheinlichkeitsverteilungen werden als Atomorbitale bezeichnet.[76] Nur eine diskrete, „quantisierte“ Menge solcher Orbitale existiert um den Atomkern, wobei andere mögliche Verteilungen schnell in diese stabilen Formen übergehen.[77] Orbitale können eine oder mehr Ring- oder Knotenstrukturen haben und unterscheiden sich in Größe, Form und Ausrichtung.[78]

Wellenfunktionen der ersten fünf Atomorbitale. Die drei 2p-Orbitale haben je einen Knotenpunkt, an dem die Aufenthaltswahrscheinlichkeit in Minimum annimmt, und verschiedene Ausrichtungen.

Jedes Atomorbital entspricht einem bestimmten Energieniveau des Elektrons. Das Elektron kann in ein höheres Energieniveau wechseln, indem es ein Photon absorbiert, das genau die richtige Energie liefert. Umgekehrt kann ein Elektron durch spontane Emission eines Photons in ein Niveau niedrigerer Energie wechseln, wobei das Photon dann genau die Differenzenergie hat. Diese charakteristischen Energiedifferenzen verursachen die Linienspektren der Atome.[77]

Die Energiemenge, die benötigt wird um ein Elektron von von einem Atom zu entfernen, also seine Bindungsenergie, ist viel kleiner, als die Bindungsenergie der Nukleonen im Atomkern. So ist beispielsweise nur eine Energie von 13.6 eV nötig um das Elektron eines Wasserstoffatoms vom Kern zu lösen,[79] wohingegen 2.23 Mev, also 500.000-mal soviel, nötig sind um einen Deuteriumkern zu spalten.[80] Atome mit gleich vielen Elektronen wie Protonen sind elektrisch neutral. Atome mit einem Überschuss oder Mangel an Elektronen heißen Ionen. Die Elktronen mit der größten Entfernung zum Kern können an andere Atome abgegeben werden und so eine Ionische Bindung erzeugen, oder von zwei Atomen gemeinsam eingebunden werden und so eine Atombindung erzeugen.[81]

Eigenschaften

Eigenschaften des Atomkerns

Atome mit gleich vielen Protonen werden als chemische Elemente zusammengefasst und die Anzahl der Protonen wird als Ordnungszahl bezeichnet. Atome desselben Elements mit verschiedenen Anzahlen an Neutronen bilden Isotope dieses Elements. Beispielsweise haben alle Wasserstoffatome ein Proton aber es gibt Isotope ohne Neutron (bei weitem das häufigste Atom, manchmal Protium genannt), mit einem Neutron (Deuterium), zwei Neutronen (Tritium) oder noch mehr Neutronen.[82] Das Element mit der höchsten Ordnungszahl das derzeit (2009) bekannt ist, ist Ununoctium.[83] Alle bekannten Isotope von Elementen mit Ordnungszahlen über 82 sind radioaktiv.[84][85]

Etwa 339 Nuklide treten auf der Erde natürlich auf, wovon 269 (etwa 79 %) nach heutigem Wissen (2009) stabil sind.[86] 80 chemische Elemente haben zumindest ein stabiles Isotop. Für jedes Element gibt es nur wenige stabile Isotope, im Durchschnitt 3,1 pro Element mit mindestens einem stabilen Isotop. 27 Elemente haben nur ein stabiles Isotop und die größte Anzahl stabiler Isotope eines Elements ist 10 (für Zinn).[87]

Die Stabilität von Isotopen wird durch das Zahlenverhältnis von Protonen und Neutronen bestimmt, wobei bestimmte „magische Zahlen“ von Protonen und Neutronen, die gefüllte Energieniveaus im Kern beschreiben, eine wichtige Rolle spielen. Diese Energieniveaus sind Teil des sogenannten Schalenmodells des Atomkerns. Gefüllte Schalen, wie die 50 Protonen des Zinns, bewirken eine hohe Stabilität eines Nuklids. Von den 250 bekannten stabilen Nukliden haben nur vier sowohl ungerade Anzahlen von Protonen als auch Neutronen: 2H (Deuterium), 6Li, 10B, 14N. Die meisten ungerade-ungerade-Atomkerne sind sehr instabil und zerfallen per Beta-Zerfall, weil die Zerfallsprodukte gerade-gerade-Kerne sind, die durch Paarbildungseffekte gleichartiger Nukleonen stärker gebunden und daher stabiler sind.[87]

Masse

→ Hauptartikel: Atommasse

Da der Großteil der Atommasse von den Neutronen und Protonen stammt, wird die Gesamtzahl diese Teilchen in einem Atom als Massenzahl bezeichnet. Die Masse eines Atoms wird oft mittels der atomaren Masseneinheit angegeben, die in der Chemie auch als Dalton bezeichnet wird. Diese Einheit entspricht einem Zwölftel der Masse eines Kohlenstoff-12-Atoms und ist etwa 1,66 × 10−27 kg.[88] Ein Atom des leichtesten Wasserstoffisotops hat eine Masse von 1,007825 u.[89] Die Masse eines Atoms entspricht etwas dem Produkt aus der Massenzahl und der atomaren Masseneinheit.[90] Das schwerste stabile Atom ist Blei-208,[84] mit einer Masse von 207,9766521 u.[91]

Da die Atommassen viel kleiner als makroskopische Massen sind, arbeiten Chemiker mit der Einheit Mol zur Angabe von Stoffmengen. Ein Mol eines Elements sind etwa 6,022 × 1023 Atome. Diese Zahl wurde so gewählt, dass ein Mol eines Elementes mit der Atommasse 1 u eine Masse von 0,001 kg oder 1 g hat. Kohlenstoff-12 hat beispielsweise eine Atommasse von 12 u, also hat ein Mol Kohlenstoff eine Masse von 0.012 kg.[88] Daher ist es in der Chemie üblich, Atommassen auch indirekt in g/Mol anzugeben.

Größe

→ Hauptartikel: Atomradius

Atome haben keine klar definierte äußere Grenze, daher wird ihre Größe üblicherweise durch den Abstand der Atomkerne zweier chemisch gebundener Atom angegeben. Der Radius eines Atoms hängt von der Position des Elements im Periodensystem, der Art der chemischen Bindung, der Anzahl der benachbarten Atome und einer quantenmechanischen Eigenschaft, dem Spin ab.[92] Im Periodensystem nehmen die Atomradien im allgemeinen von oben nach unten zu, während sie von links nach rechts abnehmen.[93] Dementsprechend ist das kleinste Atom das Heliumatom mit einem Radius von 32 pm, während eines der größten bekannten Atome das Cäsiumatom mit einem Radius von 225 pm ist.[94] Diese Dimensionen sind über tausendmal kleiner als die Wellenlänge von sichtbarem Licht (400–700 nm) daher können Atome nicht mit einem Lichtmikroskop beobachtet werden. Allerdings können einzelne Atome mit einem Rastertunnelmikroskop oder einem Rasterkraftmikroskop beobachtet werden.

Zur Veranschaulichung, wie klein Atome sind, kann man sie mit anschaulichen Gegenständen vergleichen. Ein menschlisches Haar ist typischerweise so breit wie eine Million Kohlenstoffatome.[95] Ein Wassertropfen enthält etwa 2 Trilliarden (2 × 1021) Sauerstoffatome und doppelt so viele Wasserstoffatome.[96] Wenn ein Apfel auf die Größe der Erde vergrößert würde, wären die Atome des Apfels etwa so groß wie der Apfel vorher.[97]

Radioaktiver Zerfall

→ Hauptartikel: Radioaktiver Zerfall

Dieses Diagramm zeigt die Halbwertszeit (T½) in Sekunden für Isotope mit Z Protonen und N Neutronen.

Jedes Element hat ein oder mehrere Isotope, deren instabile Atomkerne radioaktiv zerfallen, so dass der Kern Teilchen oder elektromagnetische Strahlung abgibt. Radioaktivität kann auftreten, wenn der Radius des Atomkerns viel größer ist, als die Reichweite der starken Kraft von 1 fm.[98]

Die häufigsten Formen des radioaktiven Zerfalls sind[99][100]

Seltenere Formen des radioaktiven Zerfalls sind die Abgabe eines Neutrons oder eines Protons, der Clusterzerfall, bei dem größere Nukleonencluster, wie Kohlenstoff-Atomkerne, abgegeben werden, der Doppelbetazerfall, bei dem zwei Elektronen oder Positronen abgegeben werden, oder Gamma-Zerfälle bei denen durch innere Konversion hochenergetische Elektronen abgegeben werden.

Jedes radioaktive Isotop hat eine charakteristische Zerfallszeit – die Halbwertszeit – die angibt, wie lange es dauert bis die Hälfte einer Probe zerfallen ist. Radioaktiver Zerfall ist ein exponentiellen Zerfall, so dass die Menge des zerfallenden Isotops sich innerhalb einer Halbwertszeit jeweils halbiert, so dass beispielsweise nach der doppelten Halbwertszeit noch 25 % des Isotops vorhanden sind.[98]

Magnetisches Moment

Elementarteilchen haben eine quantenmechanische Eigenschaft, die als Spin bezeichnet wird. Dieser ist vergleichbar mit dem Drehmoment eines Objektes, das um seinen Schwerpunkt rotiert, allerdings werden die Teilchen punktartig angenommen, so dass keine Rotation im eigentlichen Sinne möglich ist. Der Spin wird in Einheiten des reduzierten planckschen Wirkungsquantums (ħ) angegeben, wobei Elektronen, Protonen und Neutronen alle einen Spin von ½ ħ haben. In einem Atom haben einige Elektronen zusätzlich zum Spin einen (Bahn-)Drehimpuls und der Atomkern hat einen bestimmten Spin.[101]

Das Magnetfeld, das von einem Atom erzeugt wird – sein Magnetisches Moment – wird durch diese verschiedenen Formen des Drehimpulses bestimmt, genauso wie die Rotation eines ausgedehnten geladenen Objekts klassisch ein Magnetfeld erzeugt. Der größte Beitrag rührt dabei vom Spin. Da Elektronen dem Pauli-Prinzip gehorchen, das besagt dass nie zwei Elektronen im selben Zustand sein können, bilden die Elektronen im Atom Paare mit entgegengesetzter Spinrichtung. Die Spins dieser Paare heben sich also auf, so dass das magnetische Diplomoment für manche Atom mit einer geraden Anzahl von Elektronen null ist.[102]

In ferromagnetischen Elementen wie Eisen gibt es ungepaarte Elektronen, so dass ein magnetisches Moment erzeugt wird. In einem Stück Eisen überlappen die Orbitale benachbarter Atom und die Gesamtenergie wird minimal, wenn die Spins der ungepaarten Elektronen alle in dieselbe Richtung zeigen (Austauschwechselwirkung). Durch die Ausrichtung der Spins erzeugen ferromagnetische Stoffe ein messbares, makroskopisches Magnetfeld. Paramegnetische Materialien haben zwar ungepaarte Elektronen, die jedoch keiner Austauschwechselwirkung unterliegen und sich nur gleich ausrichten, wenn ein äußeres Magnetfeld angelegt wird.[102][103]

Die Atomkerne können auch einen Spin haben, wobei diese Kernspins meist im thermodynamischen Gleichgewicht in zufällige Richtungen zeigen. Allerdings ist es bei einigen Nukliden, wie Xenon-129 möglich eine große Anzahl der Kernspins zu polarisieren, so dass sie in dieselbe Richtung zeigen – ein Zustand der Hyperpolarisation heißt. Dies hat bedeutende Anwendungen in der Magnetresonanztomographie.[104][105]

Energieniveaus

→ Hauptartikel: Energieniveau

Wenn ein Elektron an ein Atom gebunden ist, hat es potentielle Energie, die umgekehrt proportional zu seinem Abstand vom Kern ist. Diese gibt die Menge an Energie an, die nötig ist um das Elektron vom Atom zu trennen und wird üblicherweise in Elektronenvolt (eV) angegeben. Im quantenmechanischen Atommodell kann ein Elektron nur bestimmte Zustände einnehmen, die je einem bestimmten Energieniveau entsprechen. Der Zustand niedrigster Energie heißt Grundzustand und die höheren Energieniveaus heißen angeregte Zustände.[106]

Um von einem Zustand in einen anderen überzugehen, muss ein Elektron ein Photon absorbieren oder emittieren, dessen Energie der Differenz der potentiellen Energien dieser Energieniveaus entspricht. Die Energie eines Photons ist proportional zu seiner Frequenz, daher haben die abgegebenen Photonen genau bestimmte Wellenlängen, die im sichtbaren Bereich bestimmten Farben entsprechen.[107] Jedes Element hat ein charakteristisches Spektrum, das von der Kernladung, der Anzahl der elektronengefüllten Schalen, den Wechselwirkungen zwischen Elektronen und anderen Faktoren abhängt.[108]

Ein Beispiel von Absorptionslinien in einem Spektrum.

Wenn Licht mit einem kontinuierlichen Energiespektrum durch ein Gas oder Plasma geleitet wird, werden einige der Photonen von Atomen absorbiert und sorgen dafür dass Elektronen das Energieniveau wechseln. Diese angeregten Elektronen werden die aufgenommene Energie wieder abgeben und dadurch auf das niedrigere Energieniveau zurückfallen. Dabei werden Photonen in zufällige Richtungen emittiert, die also zum größten Teil das Medium nicht in Richtung des Hauptstrahls verlassen. Die Atome wirken also wie ein Filter, das im Energiespektrum der ausgehenden Strahlung dunkle Absorptionslinien erzeugt. Ein Beobachter, der die Atome von der Seite beobachtet wird nur die emittierten Photonen sehen und also ein Spektrum von Emissionslinien beobachten. Spektroskopische Messungen der Intensität und Breite der Spektrallinien ermöglicht die Bestimmung von Zusammensetzung und physikalischen Eigenschaften einer Substanz.[109]

Einige der Spektrallinien zeigen bei genauer Untersuchung eine Feinstrukturaufspaltung. Diese Aufspaltung ist durch die Spin-Bahn-Kopplung begründet, eine Wechselwirkung zwischen Spin und Bahndrehimpuls der äußersten Elektronen.[110] Einige Atome haben mehrere Elektronenkonfigurationen mit derselben Energie, die daher als eine einzige Spektrallinie erscheinen. In einem Magnetfeld werden solche Spektrallinien in drei oder mehr Komponenten aufgespalten; ein Phänomen das nach seinem Entdecker Zeeman-Effekt heißt. Dies wird durch die Wechselwirkung zwischen Magnetfeld und magnetischem Moment der Atome und ihrer Elektronen verursacht, durch die die verschiedenen Elektronenkonfigurationen, die vorher demselben Energieniveau entsprachen, verschiedene Energien erhalten.[111] Ein äußeres elektrisches Feld kann ähnliche Aufspaltung und Verschiebung von Spektrallinien durch Veränderung der Energieniveaus bewirken; ein Phänomen, das nach seinem Entdecker Stark-Effekt heißt.[112]

Wenn ein Elektron sich in einem angeregten Zustand befindet, kann ein Photon der passenden Energie die stimulierte Emission eines Photons gleicher Energie verursachen. Dabei fällt das Elektron in einen Zustand niedrigerer Energie, wobei die Energie der beiden Photonen der Energiedifferenz der Zustände entsprechen muss. Beide Photonen bewegen sich dann in derselben Richtung mit übereinstimmender Phase; das Licht heißt dann kohärent. Dieser physikalische Prozess kommt beim Laser zum Einsatz, der einen kohärenten Lichtstrahl mit einem sehr schmalen Energiespektrum aussendet.[113]

Wertigkeit und Bindungsverhalten

→ Hauptartikel: Wertigkeit (Chemie) und Chemische Bindung

Die äußerste Elektronenschale eines ungebunden Atoms heißt Valenzschale, die Elektronen darin heißen Valenzelektronen. Die Anzahl dieser Valenzelektronen bestimmt das Bindungsverhalten mit anderen Atomen. Atome reagieren meist derart miteinander, dass ihre Valenzschalen gefüllt oder geleert werden.[114] Die Bindung zwischen einem Atom mit nur einem Valenzelektron und einem Atom, dessen Valenzschale bis auf ein Elektron gefüllt ist, wie bei Natriumchlorid und anderen Salzen kann gut durch die Übertragung eines einzigen Elektrons beschrieben werden. Allerdings zeigen viele Elemente verschiedene Wertigkeiten, teilen also je nach Verbindung eine unterschiedliche Anzahl an Elektronen. Chemische Bindungen zwischen solchen Elementen können daher nicht durch einfache Elektronenübertragung beschrieben werden. Viele Beispiele für solche komplexe Bindungsstrukturen finden sich in der organischen Chemie.[115]

Die chemischen Elemente werden oft als Periodensystem dargestellt, das so aufgebaut ist, dass es sich wiederholende chemische Eigenschaften aufzeigt, wobei Elemente mit derselben Anzahl von Valenzelektronen jeweils in einer Spalte angeordnet sind. Die Zeilen entsprechen der Füllung der Elektronenschalen. Die äußerste Elektronenschale der Elemente in der äußersten rechten Spalte sind vollständig gefüllt, daher bilden diese Edelgase fast keine chemischen Verbindungen.[116][117]

Aggregatzustände

Illustration zur Bildung eines Bose-Einstein-Kondensats.

→ Hauptartikel: Aggregatzustand

Größere Mengen von Atomen treten in verschiedenen sogenannten Aggregatzuständen auf, die von den physikalischen Bedingungen wie Temperatur und Druck abhängen. Durch Veränderung dieser Bedingungen können Materialen zwischen Feststoff, Flüssigkeit, Gas und Plasma wechseln.[118] Es gibt für einige Stoffe verschiedene Formen mit demselben Aggregatzustand, beispielsweise kann fester Kohlenstoff als Graphit und als Diamant auftreten.[119]

Bei Temperaturen nahe dem Temperaturnullpunkt, können manche Atome ein Bose-Einstein-Kondensat bilden, in dem quantenmechanische Effekte, die sonst nur auf atomarer Ebene beobachtbar sind, auf makroskopischer Ebene feststellbar sind.[120][121] Diese extrem kalte Ansammlung von Atomen verhält sich dann wie ein einziges quantenmechanisches Objekt.[122]

Beobachtung

Bild eines Rastertunnelmikroskop von einzelnen Atomen auf einer Goldoberfläche (100). Durch Oberflächenrekonstruktion weicht die Anordnung der Atome an der Obefläche von der darunterliegenden Kristallstruktur ab.

Das Rastertunnelmikroskop ist ein Gerät zur Oberflächenuntersuchung, das einzelne Atome sichtbar macht. Es verwendet den Tunneleffekt, der es Teilchen erlaubt, eine Energiebarriere zu passieren, die sie klassisch nicht überwinden könnten. Bei diesem Gerät tunneln Elektronen zwischen einem Atom an einer elektrisch leitenden Spitze und einem Atom in der elektrisch leitenden Probe. Dabei wird die Höhe der Spitze über der Probe bei Seitwärtsbewegung so nachgeregelt, dass immer derselbe Strom fließt. Die Bewegung der Spitze bildet dann die Elektronenstruktur der Oberfläche ab. Die Auflösung ist dabei so gut, dass Strukturen in der Größe eines einzelnen Atoms unterscheidbar sind, so dass deren gegenüber der Umgebung erhöhte Elektronendichte in der Abbildung erkennbar ist.[123][124]

Ein Atom kann ionisiert werden, indem eines seiner Elektronen entfernt wird. Die elektrische Ladung sorgt dafür, dass die Flugbahn eines Ions von einem Magnetfeld abgelenkt wird. Dabei werden leichtere Atome stärker abgelenkt als Schwerere. Das Massenspektrometer nutzt dieses Prinzip um das Masse-zu-Ladung-Verhältnis von Ionen zu bestimmen. Ein Massenspektrometer kann einen Strahle aus Ionen verschiedener Isotope in ihre Bestandteile zerlegen und damit den Anteil jedes Isotops im Strahl aus der Intensität der Teilstrahlen bestimmen. Für die Massenspektrometrie mit induktiv gekoppeltem Plasma wird ein Plasma benutzt um eine Probe zu verdampfen und zu ionisieren.[125]

Die Elektronenenergieverlustspektroskopie misst den Energieverlust eines Elektronenstrahls bei der Wechselwirkung mit einer Probe in einem Transmissionselektronenmikroskop. Eine tomographische Atomsonde erstellt ein dreidimensionales Bild mit einer Auflösung unterhalb eines Nanometers und kann die chemischen Elemente einzelner Atome feststellen.[126]

Atomspektren können benutzt werden um die Elementzusammensetzung entfernter Sterne zu bestimmen. Die verschiedenen Elemente lassen sich durch charakteristische Absorptionslinien im Spektrum identifizieren, die auf Absorption durch Atome des entsprechenden Elements in der Sternatmosphäre zurückgehen. Gasentladungslampen die dasselbe Element enthalten zeigen diese Linien als Emissionslinien.[127] Auf die Weise wurde Helium im Spektrum der Sonne nachgewiesen – 23 Jahre bevor es auf der Erde entdeckt wurde.[128]

Seltene und theoretische Formen

Es ist bekannt, dass alle Isotope mit Ordnungszahlen größer als Blei (82) radioaktiv sind, allerdings wurde eine „Insel der Stabilität“ für einige Isotope bei Ordnungszahlen größer als 103 postuliert. Diese superschweren Elemente könnten Kerne haben, die verglichen mit Nukliden benachbarter Protonen- und Neutronenzahl relativ langsam radioaktiv zerfallen.[129] Der wahrscheinlichste Kandidat für ein relativ stabiles superschweres Nuklid, Unbihexium, hat 126 Protonen und 184 Neutronen.[130]

Zu jedem Materieteilchen gibt es ein entsprechendes Antiteilchen mit entgegengesetzter elektrischer Ladung. Das Positron ist ein positiv geladenes Antielektron und das Antiproton ist das negativ geladene Äquivalent zum Proton. Wenn ein Teilchen und das entsprechende Antiteilchen aufeinandertreffen, annihilieren sie sich gegenseitig. Daher und wegen eines Überschusses an Materie gegenüber Antimaterie, dessen Ursache – die Baryogenese – nicht abschließend geklärt ist, sind die Antiteilchen selten im Universum. Im Ergebnis wurden keine Antimaterie-Atome in der Natur gefunden.[131][132] Allerdings wurden erstmals 1996 am CERN in Genf Antiwasserstoffatome künstlich hergestellt und nachgewiesen.[133][134]

Andere exotische Atome wurden hergestellt, in denen eines der Protonen, Neutronen oder Elektronen durch andere Teilchen derselben Ladung ersetzt wurden. Beispielsweise kann eine Elektron durch ein schwereres Myon ersetzt werden, wobei ein myonisches Atom entsteht. Solche exotischen Atome können benutzt werden um fundamentale physikalische Theorien zu überprüfen.[135][136][137]

Fußnoten

  1. ↑ Atome aller Isotope außer dem leichtesten Wasserstoffisotop haben mehr Nukleonen als Elektronen. Im Fall des leichtesten Wasserstoffisotops mit einem Proton und einem Elektron trägt das Proton \tfrac{1836}{1837}\ \approx\ 0{,}9995, oder 99,95 % der Gesamtmasse des Atoms.

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Literatur

Weblinks

Commons Commons: Atoms – Bilder, Videos und Audiodateien
Wiktionary Wiktionary: Atom – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen und Grammatik
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