Die Erforschung des Atombaus ist ein Beispiel, wie der wissenschaftliche Fortschritt durch neue Entdeckungen gelegentlich eine unerwartete und entscheidende Wendung erhalten kann.
Bei der Untersuchung der radioaktiven Strahlen konnte der britische Physiker Ernest Rutherford (1871-1937) im Jahre 1909 den mit »α- Strahlung« bezeichneten Anteil der radioaktiven Strahlung als positiv geladene Atome des Edelgases Helium nachweisen. Zwei Jahre später beobachtete Rutherford, dass α-Teilchen (= elektrisch geladene Heliumatome) eine Goldfolie fast ungehindert passieren können (Abb. 24.1). In einigen Fällen allerdings werden die Heliumteilchen vom Gold zurückgeworfen oder stark von der ursprünglichen Bahn abgelenkt. Rutherford schloß daraus, dass einige wenige α -Teilchen mit ebenfalls positiv geladenen Goldteilchen sehr hoher Dichte zusammengestoßen sein mußten und dabei stark abgelenkt wurden. Da der größte Teil der α -Teilchen ungehindert die Goldfolie durchdringen konnte, nahm Rutherford an, dass die Goldatome aus nahezu leeren Räumen bestehen mußten. Wären die Atome kompakte Kugeln, wie es Dalton beschrieben hat, müßten praktisch alle α -Teilchen ihre Flugrichtung ändern. Dies wird aber nicht beobachtet.
Kern-Hülle-Modell: Ein Atom besteht aus einem positiv geladenen Atomkern und einer negativ geladenen AtomhülleRutherford folgerte aus seinem »Streuversuch«, dass der größte Teil der Masse eines Atoms in einem sehr kleinen, positiv geladenen Kern konzentriert ist. Die positive Kernladung wird durch eine entsprechend negative Ladung in einer weit ausgedehnten Atomhülle ausgeglichen (Kern-Hülle-Modell).
Atomkern: Protonen und Neutronen, Träger der Atommasse. Protonen sind die Träger der positiven Ladung.Atomhülle: Elektronen, Träger der negativen Ladung.
Berechne die Atommasse für die nachfolgend genannten Atome aufgrund der Zahl ihrer Protonen und Neutronen: Kohlenstoffatom mit 6 Protonen und 7 Neutronen; Eisenatom mit 26 Protonen und 30 Neutronen; Ranatom mit 92 Protonen und 146 Neutronen. Welche Ordungszahlen besitzen die genannten Elemente?
Vergleich die in Aufgabe erhaltenen Werte mit den in Tabelle 30 angegebenen Atommassen. Worauf sind die Unterschiede zurückzuführen?Die Streuexperimente lieferten auch einen Hinweis auf die Dimensionen eines Atomkerns und des ganzen Atoms. Der Durchmesser eines Atoms liegt in der Größenordnung von 10 —10 m, der Durchmesser des Atomkerns beträgt 10 —15 m; die Volumina von Atom und Atomkern verhalten sich demnach wie 10 15 : 1.
Im Atomkern befinden sich zwei verschiedene Kernteilchen: positiv geladene Protonen und elektrisch neutrale Neutronen. In diesen Teilchen ist mehr als 99,9% der gesamten Masse eines Atoms konzentriert. Daraus ergibt sich für den Kern eine außerordentlich hohe Dichte für die Masse.
Beispiel:
1 cm³ des Schwermetalls Blei wiegt 11 g.
1 cm³ Wasserstoffgas wiegt 0,00009 g.
1 cm³ Atomkerne vom Element Wasserstoff wiegt 400.000.000 t !
Dem Proton schreibt man die Ladung + 1 zu. Die positive Kernladung wird durch eine entsprechend negative Ladung der Atomhülle ausgeglichen. Die Träger der negativen Ladung sind die Elektronen, deren Masse nur den 1836. Teil eines Protons beträgt. Ein Elektron trägt die Ladung -1. Während die negative Ladung in der Atomhülle weit ausgedehnt ist, ist die positive Ladung auf den winzigen Kern konzentriert. Der Atomkern besitzt deshalb eine außerordentlich hohe Ladungsdichte.
| Elementarteilchen | Symbol | Ladung | Masse (u) | |
| Atomkern | Proton | p | + 1 | 1,007 (≈ 1) |
| Atomkern | Neutron | n | 0 | 1,009 (≈ 1) |
| Atomhülle | Elektron | e - | - 1 | 0,00055 (fast 0) |
Obwohl Atome elektrische Ladungsträger besitzen, sind sie nach außen hin elektrisch neutral: Die Anzahl der Protonen stimmt überein mit der Anzahl der Elektronen. Für das chemische Verhalten ist vor allem die Zahl der Elektronen in der Atomhülle entscheidend. Jedes Element besitzt eine feste Zahl von Protonen im Kern (= Zahl von Elektronen in der Atomhülle). Diese Zahl wird Ordnungszahl oder Kernladungszahl genannt. Aufgrund dieser Tatsache kann der Elementbegriff exakt definiert werden:
Elemente sind Stoffe, deren Atome alle die gleiche Protonenzahl und damit die gleiche Ordnungszahl besitzen.
Die genannten Werte für die Atommassen liefert heute die sog. Massenspektrometrie (Abb. 24.3). Untersuchungen mit dieser Methode zeigten, dass die meisten Elemente aus Atomen mit verschiedener Masse zusammengesetzt sind. Da die Atome eines bestimmten Elements in der Protonenzahl übereinstimmen, muß diese Beobachtung darauf zurückgeführt werden, dass sich die Atome eines Elements in der Zahl der Neutronen unterscheiden könnten. Atome des gleichen Elements, die sich in der Neutronenanzahl und damit in der Masse unterscheiden, nennt man Isotope.
Ordnungszahl = Kernladungszahl entspricht Zahl der Protonen.Die in Tabelle 15 aufgeführten Atommassen eines Elements sind Mittelwerte der Atommassen der Isotope. Auf die Masse des C-Isotops mit 6 Protonen und 6 Neutronen im Atomkern sind heute alle übrigen Atommassen bezogen. 1/12 der Masse dieses Isotops wurde als atomare Masseneinheit (u) definiert (Kapitel 6).
Isotope eines Elements: Atome mit gleicher Protonenzahl, aber verschiedener Neutronenzahl
Mit dem Massenspektrometer werden nur Phosphoratome der Masse 31 u registriert, bei Chlor hingegen findet man 76% Atome der Masse 35 u und 24% Atome der Masse 37 u. Wie sind diese Beobachtungen zu deuten?
Wie ist zu erklären, dass die Atommassen der Elemente keine ganzzahligen Werte haben?