Das Atom unter der Lupe

Dieser Ballon ist mit einem Gas gefüllt, das ihn zum Schweben bringt – Helium. Aber was ist Helium? Aus was ist es gemacht? Heliumgas besteht aus winzigen Partikeln – Heliumatomen. Atome sind Bausteine, die die Welt ausmachen.

Sie bilden Gase, Flüssigkeiten und Feststoffe – alle Materie der Welt! Atome selbst bestehen auch aus verschiedenen Teilen! Atome werden oft als Modelle dargestellt, die winzigen Sonnensystemen ähneln, mit einem Kern in der Mitte und Elektronen, die um ihn herum kreisen. Schauen wir uns zuerst den Kern genauer an. Der Kern besteht aus zwei verschiedenen Arten von Teilchen – Protonen und Neutronen.

Protonen und Neutronen haben eine ähnliche Masse, aber Protonen haben eine positive elektrische Ladung, während Neutronen überhaupt keine Ladung haben. Die Anzahl der Protonen bestimmt, welches Element ein Atom ist. Zum Beispiel, alle Heliumatome haben zwei Protonen in ihrem Kern – so wissen wir, dass es sich um Heliumatome handelt. Atome mit gleicher Protonenzahl im Kern bilden das gleiche Element. Ein Kern kann zwischen einem und 118 Protonen enthalten.

Es gibt also 118 verschiedene Elemente. Die Anzahl der Neutronen im Atomkern eines Elements kann variieren. Nimm diese zwei Atome mit zwei Protonen. Beide sind Heliumatome, aber das eine hat zwei Neutronen, während das andere ein Neutron hat. Diese beiden Atome sind zwei verschiedene Varianten von Helium.

Varianten des gleichen Elements, die sich durch die Anzahl der Neutronen unterscheiden, werden als Isotope bezeichnet. Die meisten Elemente haben mehrere Isotope. Protonen und Neutronen sind also Teilchen die den Kern eines Atoms bilden. Sie sind die schwersten Teile des Atoms, und ihre kombinierte Masse ist fast die gesamte Masse des Atoms. Was ist mit den Elektronen?

In einem Atom, gibt es immer so viele Elektronen, die den Kern umgeben, wie sich Protonen im Kern befinden. Jedes Elektron hat eine negative elektrische Ladung. Die positiv geladenen Protonen und negativ geladenen Elektronen gleichen sich gegenseitig aus. Dadurch wird die Gesamtladung des Atoms neutral. Bei unserem Modell sieht es so aus, als wären die Elektronen nur ein bisschen kleiner als die Protonen und Neutronen.

Aber in der Realität, sind Elektronen viel kleiner als die Teilchen im Kern. Ihre Masse ist so gering, dass sie kaum in der Masse des Atoms rein zählt! Darüber hinaus, folgen Elektronen keinen ordentlichen Bahnen, wie unser Modell vermuten lässt. Stattdessen fliegen sie in alle Richtungen und bilden eine Elektronenwolke. Und zuletzt, sind Elektronen viel weiter vom Kern entfernt als es im Modell erscheint.

Stell dir den Zellkern als winzige Linse, die im Mittelpunkt eines Fußballstadions platziert ist, vor. Die Elektronen, die um ihn herum sausen wäre nicht einmal im Stadion! Der größte Teil des Atoms ist nur leerer Raum. Elektronen, insbesondere die in den äußersten Schichten, lassen verschiedene Atome miteinander reagieren. Auf diesem Weg, können sich einzelne Atome mit anderen verbinden, um Moleküle zu bilden.

Jetzt wissen wir also: alle Materie der Welt besteht aus winzigen Atomen. Atome selbst bestehen aus noch kleineren Teilchen: positiv geladenen Protonen, negativ geladenen Elektronen, und Neutronen, die keine Ladung haben. Protonen und Neutronen sind im Kern im Zentrum des Atoms gebündelt. Die Anzahl der Protonen im Kern bestimmt, um welches Element es sich bei dem Atom handelt. Und die Anzahl der Neutronen sagt uns, welche Variante eines Elements – welches Isotop – das Atom ist.

Elektronen kreisen um den Kern, und erlauben, dass sich Atome mit anderen Atomen verbinden und Moleküle bilden.