atom

Et heliumatom : Atomkernen (pink) ligger i midten af ​​en meget større sky af to elektroner (grå). I en fuldskala repræsentation ville en atomkerne med en diameter på 1 millimeter have en elektronsky på omkring 100 meter. Øverst til højre er kernen, der består af to protoner og to neutroner, også vist skematisk og forstørret. I virkeligheden er arrangementet af de fire partikler sfærisk symmetrisk .

Elementernes atomer i arrangementet af det periodiske system i skala repræsentation af deres kovalente radius

Atomer (fra oldgræsk ἄτομος átomos "udelelige") er byggestenene, hvorfra alle faste , flydende eller gasformige stoffer er fremstillet. Alle stoffers materielle egenskaber samt deres adfærd i kemiske reaktioner bestemmes af egenskaberne og det rumlige arrangement af deres atomer. Hvert atom tilhører et bestemt kemisk element og danner dets mindste enhed. 118 kendes i øjeblikket, hvoraf omkring 90 forekommer naturligt på jorden. Atomer af forskellige grundstoffer er forskellige i deres størrelse og masse og frem for alt i deres evne til at reagere kemisk med andre atomer og at kombinere til dannelse af molekyler eller faste legemer . Atomernes diametre ligger i området fra 6 · 10 ⁻¹¹  m ( helium ) til 5 · 10 ⁻¹⁰  m ( cæsium ), deres masser i et område fra 1,7 · 10 ⁻²⁷  kg ( hydrogen ) til lige under · 5 · 10 ⁻²⁵  kg (i øjeblikket de tungeste syntetisk fremstillede kerner).

Atomer er ikke udelelige, som antaget på det tidspunkt de blev navngivet, men viser en veldefineret struktur, der består af endnu mindre partikler. De består af en atomkerne og en atomskal . Atomkernen har en diameter på cirka et ti til hundrede tusindedele af den samlede atomdiameter, men indeholder over 99,9 procent af atommassen. Den består af positivt ladede protoner og et antal stort set lige tunge, elektrisk neutrale neutroner . Disse nukleoner er bundet til hinanden af den stærke interaktion . Skallen består af negativt ladede elektroner . Det bidrager med mindre end 0,06 procent til massen, men bestemmer atomets størrelse. Den positive kerne og den negative skal er bundet til hinanden af elektrostatisk tiltrækning. I atomets elektrisk neutrale grundform er antallet af elektroner i skallen lig med antallet af protoner i kernen. Dette tal bestemmer den nøjagtige struktur af skallen og dermed også atomets kemiske adfærd og betegnes derfor som det kemiske atomnummer . Alle atomer i det samme grundstof har samme kemiske atomnummer. Hvis yderligere elektroner er til stede eller mangler, er atomet negativt eller positivt ladet og kaldes en ion .

Ideen om materiens atomare struktur eksisterede allerede i antikken , men var kontroversiel indtil moderne tid . Det endelige bevis kunne først fremlægges i begyndelsen af ​​det 20. århundrede og anses for at være en af ​​de vigtigste opdagelser inden for fysik og kemi . Individuelle atomer kan ikke ses selv med de mest kraftfulde lysmikroskoper . Direkte observation af individuelle atomer har kun været mulig med feltionmikroskoper siden midten af ​​det 20. århundrede og i nogle år også med scanning af tunnelmikroskoper og elektroner i høj opløsning elektronmikroskoper . Den atomfysik at undersøgelser ud over strukturen af atomer og processerne i deres indre og deres interaktioner med andre atomer, har betydeligt til udviklingen af moderne fysik og navnlig kvantemekanik bidraget.

Udforskningshistorie

Ideen om stofets atomstruktur var allerede i antikken , men kun i form af filosofiske overvejelser. Deres eksistens var stadig omstridt i begyndelsen af ​​det 20. århundrede. På grund af deres ekstremt lille størrelse kan individuelle atomer ikke ses selv med de mest kraftfulde lysmikroskoper . Endelige bevis på deres eksistens betragtes som en af ​​de mest betydningsfulde opdagelser inden for fysik og kemi . Albert Einstein leverede et afgørende bidrag i 1905, da han kvantitativt forklarede den længe kendte browniske bevægelse af små korn, som var direkte synlig i mikroskopet, ved at det stammer fra tilfældigt akkumulerede kollisioner af atomer eller molekyler i miljøet. Kun i et par årtier har feltionmikroskoper og scanningstunnelmikroskoper og i et par år også elektronmikroskoper været i stand til at observere individuelle atomer direkte.

Filosofiske overvejelser

Begrebet atomisme , nemlig at stof består af grundlæggende enheder - "mindste partikler", der ikke kan nedbrydes i mindre stykker - har eksisteret i tusinder af år, ligesom modbegrebet om, at stof er et kontinuum, der kan deles forgodtbefindende. Men disse ideer var oprindeligt udelukkende baseret på filosofiske overvejelser og ikke på empirisk eksperimentel undersøgelse. Samtidig blev atomerne tilskrevet forskellige egenskaber, meget forskellige, afhængigt af alder, kultur og filosofisk skole.

En tidlig omtale af atombegrebet i filosofi kendes fra Indien. De Nyaya og Vaisheshika skoler udviklet komplicerede teorier om, hvordan atomer kombineres til mere komplekse strukturer (først i par, så tre par hver).

I græsk filosofi blev atombegrebet først brugt i det 5. århundrede f.Kr. Passerede ned ved Leukippus . Hans elev Democritus systematiserede det og introducerede udtrykket átomos ( ἄτομος ), hvilket betyder noget, der ikke kan skæres op, dvs. et objekt, der ikke kan deles yderligere. Denne betegnelse blev vedtaget i slutningen af ​​1700 -tallet for de dengang hypotetiske mindste enheder af de kemiske grundstoffer i den begyndende moderne kemi, for med kemiske metoder kan atomer faktisk ikke "skæres op".

I slutningen af det 18. århundrede, eksperimentelle naturvidenskabsfolk vedtaget den hypotese af atomet som deres egne, fordi denne hypotese, inden for rammerne af en partikel model af stof, tilbydes en elegant forklaring på nye opdagelser i kemi. På samme tid blev den modsatte opfattelse af, at materie er et kontinuum imidlertid fastholdt af filosoffer og også blandt naturforskere ind i det 20. århundrede.

Videnskabelig undersøgelse

I løbet af videnskabelig forskning er eksistensen af ​​atomer blevet bekræftet. Mange forskellige atommodeller er blevet udviklet til at beskrive deres struktur. Især var hydrogenatomet som det enkleste af alle atomer vigtigt. Nogle af modellerne bruges ikke længere i dag og har kun interesse i videnskabshistorien. Andre, afhængigt af anvendelsesområdet, kan stadig bruges i dag tilnærmelser. Som regel bruges den enkleste model, som stadig er tilstrækkelig i den givne kontekst til at afklare de spørgsmål, der opstår.

Mange af opdagelserne nedenfor (hvis efter 1900) blev tildelt Nobelprisen i fysik eller kemi .

Bekræftelse af atomhypotesen

Forskellige atomer og molekyler som afbildet i A New System of Chemical Philosophy (1808) af John Dalton .

Robert Boyle , i sit værk The Skeptical Chymist i 1661, var af den opfattelse, at materie var opbygget af forskellige kombinationer af forskellige legemer og ikke af de fire elementer i alkymien : vand, jord, ild, luft. Med dette forberedte han overvindelsen af ​​alkymi gennem element- og atombegreberne i moderne kemi.

Daniel Bernoulli viste i 1740, at det jævne tryk af gasser på beholdervæggene, især Boyles og Mariottes lov , kan forklares med utallige sammenstød mellem de mindste partikler. Dette gjorde hans forskning forløberen for kinetisk gasteori og statistisk mekanik .

Fra slutningen af ​​1700-tallet blev ideen om atomer brugt til at tilskrive de veldefinerede vinkler ved ædelstenens kanter og hjørner til de forskellige mulige lag af hårde sfærer .

Efter at Antoine Lavoisier opfandt det nuværende udtryk for det kemiske grundstof i 1789 og korrekt identificerede de første grundstoffer, brugte John Dalton atombegrebet i 1803 til at forklare, hvorfor elementer altid reagerer med hinanden i proportioner med små hele tal ( lov med flere proportioner ). Han antog, at hvert element består af atomer af samme type, som kan kombineres med hinanden i henhold til faste regler og dermed danne stoffer med forskellige materialegenskaber. Han antog også, at alle atomer i et grundstof havde samme masse og begrundede dermed udtrykket atomvægt .

Amedeo Avogadro var i stand til at opsummere observationerne om gassernes kemiske og fysiske adfærd i 1811 til den virkning, at to ideelle gasser altid består af det samme antal identiske partikler ("molekyler") med de samme værdier for volumen, tryk og temperaturen på gassen. I elementære gasser som hydrogen, ilt eller nitrogen består molekylerne altid af to atomer af elementet ( Avogadros lov ).

I 1866 var Johann Loschmidt i stand til at bestemme størrelsen af ​​luftmolekylerne ved at evaluere værdierne for den interne friktion i luft målt af George Stokes ved hjælp af en formel opnået af James C. Maxwell fra kinetisk gasteori . Dette gjorde det muligt for ham at bestemme vægten af ​​et luftmolekyle. Han modtog også Loschmidt -nummeret opkaldt efter ham som antallet af luftmolekyler pr. Kubikcentimeter (under normale forhold ).

Som et resultat af arbejdet i Avogadro og Stanislao Cannizzaro blev det antaget, at atomer ikke fremstår som individuelle partikler, men kun som komponenter i molekyler, der består af mindst to atomer. Men i 1876 lykkedes det Kundt og Emil Warburg at lave det første bevis på en monatomisk gas. De bestemte den adiabatiske eksponent for kviksølvdamp ved høj temperatur og opnåede en værdi, der ifølge kinetisk gassteori kun kan forekomme for partikler i form af reelle massepunkter . Fra 1895 blev der foretaget tilsvarende observationer af de nyopdagede ædelgasser .

Efter offentliggørelsen af ​​sin afhandling om bestemmelse af molekylære dimensioner foreslog Albert Einstein et eksperiment i samme år 1905 for kvantitativt at teste hypotesen om atoms eksistens på grundlag af den rystende bevægelse af små partikler i vand. Ifølge hans teori, på grund af uregelmæssigheden af ​​påvirkningerne fra vandmolekylerne, bør partiklerne udføre små bevægelser, der i det mindste er synlige under mikroskopet. I første omgang var Einstein ikke klar over, at han kvantitativt havde forklaret den browniske bevægelse af pollen, som havde været kendt siden 1827 , hvorfor Christian Wiener først havde antaget molekylære påvirkninger allerede i 1863 . Ifølge Einsteins formler afhænger styrken af ​​den skælvende bevægelse af massen af ​​de kolliderende molekyler, og på dette grundlag bestemte den franske fysiker Jean Perrin molekylmassen eksperimentelt og fandt resultater svarende til Loschmidts. Dette arbejde bidrog afgørende til den generelle anerkendelse af den såkaldte "atomhypotese" indtil da.

Atomernes opdeling og struktur

Joseph John Thomson opdagede i 1897, at katodestrålerne består af partikler af en bestemt ladning og masse, og at deres masse er mindre end en tusindedel af atommassen. Disse partikler blev kaldt elektroner og viste sig at være en del af al materie, hvilket modsagde atombegrebet som en udelelig enhed. Thomson mente, at elektronerne gav atomet sin masse, og at de blev fordelt i atomet i et masseløst, positivt ladet medium som “rosiner i en kage” ( Thomsons model af atomet ).

Den nyligt opdagede radioaktivitet blev i 1903 forbundet af Ernest Rutherford og Frederick Soddy med indbyrdes omdannelse af forskellige typer atomer. I 1908 kunne de bevise, at a-partiklerne, der danner alfa-strålingen, bliver til heliumatomer .

Sammen med sin forskningsgruppe skød Ernest Rutherford en guldfolie med α-partikler i 1909. Han fandt ud af, at de fleste partikler trængte ind i filmen næsten uhindret, men nogle få blev afbøjet med meget større vinkler, end det ville være muligt ifølge Thomsons model. Rutherford konkluderede heraf, at næsten hele atommassen er koncentreret i et meget mindre, elektrisk ladet volumen i midten af ​​atomet og dermed skabt Rutherford -modellen af atomet, som har været gyldig siden da, med den grundlæggende struktur af atomet fra atomkernen og atomskallen. De stærkt afbøjede a-partikler var dem, der tilfældigvis kom tættere på en kerne end omkring en hundrededel af atomradius. Atomkernens ladningstal viste sig at være det kemiske atomnummer for det pågældende element, og α-partikler viste sig at være atomets kerner i helium.

Enkelt massespektrometer (skematisk fremstilling)

Kemikeren Frederick Soddy fandt i 1911 ud af, at nogle af de naturlige radioaktive elementer skulle bestå af atomer med forskellige masser og forskellige niveauer af radioaktivitet. Udtrykket isotop for fysisk forskellige atomer af det samme kemiske grundstof blev foreslået af Margaret Todd i 1913 . Da isotoper af det samme element ikke kunne skelnes ved deres kemiske adfærd, udviklede fysikeren JJ Thomson et første massespektrometer til deres fysiske adskillelse. I 1913 kunne han bruge neon -eksemplet til at bevise, at der også er stabile elementer med flere isotoper.

I 1918 fandt Francis William Aston ud med et massespektrometer med betydeligt større nøjagtighed, at næsten alle elementer er blandinger af flere isotoper, idet masserne af de enkelte isotoper altid er (næsten) heltalsmultipler af hydrogenatomets masse. I 1919 demonstrerede Rutherford i den første observerede atomreaktion, at hydrogenatomernes kerner kan skubbes ud fra atomatomernes kerner ved at bombardere dem med α-partikler. Han gav dette navnet proton og udviklede en atommodel, hvor atomerne kun består af protoner og elektroner, hvor protoner og nogle af elektronerne danner den lille, tunge atomkerne, de resterende elektroner danner den store, lette atomskal. Ideen om elektroner i atomkernen viste sig imidlertid at være problematisk og blev endelig droppet i 1932, efter at James Chadwick demonstrerede, at neutronen var en neutral kerne med omtrent samme masse som protonen. Sådan blev dagens atommodel skabt: Atomkernen er sammensat af lige så mange protoner som atomnummeret angiver, og derudover så mange neutroner, at den relevante isotopmasse nås; atomskallen består af så mange elektroner, at hele atomet bliver neutralt.

Strukturen af ​​atomskallen

Illustration af Bohrs model af brintatomet (Z = 1) med en elektron, der springer mellem faste baner og udsender en foton med en bestemt frekvens f.

De observerede egenskaber (såsom størrelse, stabilitet, reaktionstilstande) for atomskallen kunne ikke finde nogen forklaring i forbindelse med klassisk fysik. Kun ved at indarbejde nye kvantiseringsregler ved hjælp af Plancks handlingskvantum var Niels Bohr i 1913 i stand til at forklare, hvordan spektrallinierne i de optiske spektre af rene elementer opstår, som er absolut karakteristiske for det respektive element ( spektralanalyse ifølge Robert Wilhelm Bunsen og Gustav Robert Kirchhoff 1859). I Franck-Hertz-eksperimentet kunne den kvantiserede energioptagelse og frigivelse af kviksølvatomer bekræftes eksperimentelt. Den Bohr modellen af atomet var kun gyldig for systemer med kun en elektron (da kun hydrogen og ioniseret helium), men det dannede grundlag for en række justeringer i løbet af det følgende årti. I skalmodellen førte de til en indledende forståelse af strukturen af ​​elektronskallerne for alle grundstoffer og dermed også til den fysiske forståelse af det kemiske periodiske system . Bohr -modellen af ​​atomet blev således grundlaget for det populære billede af atomet som et lille planetsystem.

Orbital model af atomet: Repræsentation af atomorbitalerne i den første (2 elektroner) og anden (8 elektroner) elektronskal

I 1925 udviklede Werner Heisenberg sammen med Max Born , Pascual Jordan , Wolfgang Pauli og andre. de matrixmekanikken . I 1926 erstattede Erwin Schrödinger kvantiseringsreglerne med sin bølgemekanik . Den beskriver elektronerne ikke som massepunkter på bestemte flade baner, men som en stående bølge af stof, der strækker sig i tre dimensioner . Begge former for en ny " kvantemekanik " kunne korrekt forklare brintatomets spektrum. Som et resultat af disse beskrivelser er det blandt andet tilladt at tildele en elektron præcise værdier for position og momentum . Denne kendsgerning blev formuleret af Heisenberg i 1927 i usikkerhedsprincippet . I henhold til dette kan der i stedet for bevægelsen på bestemte baner kun gives sandsynlighedsfordelinger for værdiområder for position og momentum, en idé, der er vanskelig at illustrere. De kvantiserede baner i Bohrs model svarer her til " atomorbitaler ". Blandt andet angiver de, hvordan sandsynligheden for, at elektronerne koncentreres nær atomkernen og dermed bestemmer atomets reelle størrelse.

Beskrivelsen af ​​atomernes egenskaber var meget bedre med disse første helt kvantemekaniske atommodeller end med de tidligere modeller. Især de spektrale linjer og strukturen af ​​atomskallen i rumlige og energiske termer kan også repræsenteres i tilfælde af atomer med flere elektroner, herunder de præcise muligheder for at danne tilstande bundet til atomskaller af andre atomer, dvs. stabile molekyler . Derfor blev Bohrs model af atomet afvist til fordel for atomets kvantemekaniske orbitalmodel .

Orbitalmodellen er stadig grundlaget og udgangspunktet for præcise kvantemekaniske beregninger af næsten alle atomers egenskaber. Orbitalmodellen for et atom med mere end en elektron kan fysisk beskrives som en tilnærmelse, nemlig som en enpartikel-tilnærmelse, som tildeler en bestemt orbital til hver enkelt elektron. En tilstand, der er dannet på denne måde, er kendt som atomets konfiguration og tilhører den enkleste form for flerpartikel-tilstande inden for kvantemekanik. Mere præcise modeller tager højde for, at skallen ifølge kvantemekanikkens regler også kan være i en tilstand, der stammer fra overlejring af forskellige konfigurationer, dvs. hvor forskellige elektronkonfigurationer er til stede samtidigt med forskellige sandsynlighedsamplituder (konfigurationsblanding). Dette muliggør de mest præcise beregninger af energiniveauer og interaktioner mellem atomerne. På grund af den matematiske indsats, der kræves til dette, bruges enklere atommodeller stadig, hvor det er muligt. Ud over skalmodellen skal nævnes Thomas-Fermi-modellen , hvor elektronskallen behandles som en ideel elektrongas (" Fermigas ") bundet i den potentielle brønd , hvis tæthed igen tilsammen med atomladningen, bestemmer formen af ​​det elektrostatiske potentiale godt.

Atomkernens struktur

For at opdage atomkernen og dens sammensætning fra protoner og neutroner, se afsnittet "Delbarhed og struktur af atomer" ovenfor. Det følgende er nøgleord til forskning af yderligere egenskaber ved kernerne.

Bindende energi

Nukleonernes bindingsenergi er årsagen til den høje energi af den radioaktive strålings kvanter. Det overskrider molekylernes kemiske bindingsenergi med fem til seks størrelsesordener. Fra 1935 og fremefter var en grov modelpræsentation for første gang vellykket, dråbesmodellen af CF von Weizsäcker og Hans Bethe . Dette forklarer den indledende stigning i den gennemsnitlige bindingsenergi for kerner fra omkring 10 nukleoner til omkring det stigende antal, hvor nukleonerne binder til deres respektive naboer på grund af de faktiske atomkræfter, og derefter faldet i den gennemsnitlige bindingsenergi på grund af stigende elektrostatisk frastødning, som påvirker alle protoner indbyrdes. ${\ displaystyle A = 60}$

Kernefusion og fission

Da maksimumet for den gennemsnitlige bindingsenergi ligger i mellemtunge kerner, betyder det energifrigivelse både når meget lette kerner smelter sammen og når meget tunge kerner splittes. Fusionen af ​​hydrogen til helium blev identificeret som stjernens energikilde i 1938. Fission efter neutronfangst blev første gang demonstreret i 1938 i urankerner (af isotopen U-235) af Otto Hahn og Fritz Strassmann . Derefter blev atomforskningen intensiveret betydeligt og førte til de første atombomber i 1945 , brintbomberne i 1952 og fra midten af ​​1950'erne til brug af atomenergi til energiforsyning.

Skalmodel og samlet model

Skalmodellen af ​​kernerne, der blev etableret af JHD Jensen og Maria Goeppert-Mayer i 1949, er meget mere detaljeret end dråbeformodellen . I lighed med skalmodellen af ​​atomer antager den en bestemt kredsløb for hvert nukleon i en fælles sfærisk symmetrisk potentiale. Dette kan forklare et væld af data om kernernes grundlæggende og ophidsede tilstande, f.eks. Deres nukleare spin , deres magnetiske dipol og elektriske quadrupol -moment samt deres forfald og reaktion. I begyndelsen af ​​1960'erne lykkedes det Aage Bohr , Ben Mottelson og James Rainwater at kombinere denne enkeltpartikelmodel med aspekterne ved kollektiv bevægelse, hvilket også gjorde det muligt at forstå afvigelserne fra den sfæriske form i visse områder af nukleontallene.

Oprindelsen af de nukleare kræfter

Atomstyrkerne med kort rækkevidde kan spores tilbage til det stærke samspil mellem kvarker i 1970'erne .

Struktur af protoner og neutroner

Fra 1950'erne og fremefter var det muligt at undersøge atomer, og især atomkerner, når de blev bombarderet med partikler med meget høj energi takket være udviklingen af ​​forbedrede partikelacceleratorer og partikeldetektorer . I slutningen af ​​1960'erne viste den " dybe uelastiske spredning " af elektroner på atomkerner, at neutroner og protoner ikke er udelelige enheder, men er sammensat af kvarker .

Nogle avancerede eksperimenter med atomer

I 1951 udviklede Erwin Müller det felt ion mikroskop og var således i stand til at skabe et billede af spidsen af en nål for første gang, der var så forstørret på en direkte måde, at individuelle atomer var synlige i det (selvom kun som slørede pletter) . Udviklet i 1953 Wolfgang Paul , den magnetiske ionfælde ( Paul trap ), gemt i de enkelte ioner og kan studeres med stadig større nøjagtighed.

I 1985 udviklede en arbejdsgruppe under ledelse af Steven Chu laserkøling , en proces, der bruger laserstråling til i høj grad at reducere temperaturen ved en akkumulering af atomer . Samme år lykkedes det en gruppe ledet af William D. Phillips at låse neutrale natriumatomer i en magneto-optisk fælde . Ved at kombinere disse processer med en metode, der bruger Doppler-effekten , var en arbejdsgruppe under ledelse af Claude Cohen-Tannoudji i stand til at afkøle små mængder atomer til temperaturer på et par mikrokelvin . Med denne metode kan atomer undersøges med den højeste nøjagtighed; det muliggjorde også den eksperimentelle realisering af Bose-Einstein-kondensationen .

I begyndelsen af 1980'erne Gerd Binnig og Heinrich Rohrer udviklet den scanning tunneling mikroskop , hvori en nålespids scanner en overflade ved hjælp af tunnelen virkning så fint, at individuelle atomer bliver synlige. Dette gjorde det også muligt at sætte atomer individuelt bestemte steder. I 1990'erne var Serge Haroche og David Wineland i stand til med succes at undersøge interaktionen mellem et enkelt atom og en enkelt foton i eksperimenter . I 2000'erne blev de enkelte atomers håndterbarhed blandt andet brugt til at producere en transistor fra kun et metalatom med organiske ligander .

Siden slutningen af ​​1980'erne er multipel excitation med en laserpuls blevet brugt til at generere Rydberg -atomer . I et Rydberg -atom exciteres en elektron i en så høj energitilstand, at den kredser om atomkernen, nogle gange også hele atomkernen, der består af atomkernen og de resterende elektroner, på stor afstand og dens adfærd nærmer sig dermed den af ​​en klassisk partikel. Rydbergatomer kan være over 100.000 gange større end ikke -spændte atomer. Da de er ekstremt følsomme over for eksterne felter, kan du bruge dem f.eks. B. undersøge interaktionen mellem et enkelt atom og en enkelt foton i detaljer. Hvis to eller flere elektroner er spændte i sådanne tilstande, taler man om planetariske atomer.

Klassifikation

Periodiske system

Nuklid -kort

Elementer, isotoper, nuklider

Differentiering og betegnelse af forskellige typer atomer er oprindeligt baseret på atomkernens struktur, mens skalens tilstand er angivet med yderligere symboler, hvis det er nødvendigt. Indikatorer er antallet af protoner ( atomnummer , atomnummer) Z , antallet af neutroner N af kernen, og den deraf dannede massetal A = Z + N . Afhængigt af deres antal protoner tilhører atomerne et af de 118 kendte kemiske grundstoffer , fra hydrogen med Z = 1 til Oganesson med Z = 118. Heraf blev 91 opdaget i naturlige forekomster, 27 først efter kunstig produktion gennem kernereaktioner . Elementernes rækkefølge er grafisk illustreret i det periodiske system , hvilket er vigtigt for kemi. Elementerne er arrangeret i stigende rækkefølge i form af et bord. Hver linje kaldes perioden i det periodiske system og slutter, når den respektive kredsløb er fuldt optaget af elektroner (ædelgas). I de næste linjer gentages grundstoffernes kemiske karakter på grund af den gradvise elektronbesættelse af de næste orbitaler. Grundstoffer med lignende kemiske egenskaber er i en kolonne under hinanden; de danner en gruppe i det periodiske system .

Atomer af et element, der adskiller sig i antallet af neutroner, tilhører forskellige isotoper af elementet. I alt består de 118 elementer af omkring 2800 isotoper, hvoraf 2500 blev kunstigt skabt. Med undtagelse af hydrogenisotoper deuterium og tritium , er isotoper opkaldt efter det kemiske element og massetallet. Symbolet for en bestemt isotop af elementet har form af , eller X- A (eksempler: , , Pb-208). Specifikationen af ​​protonnummeret Z er overflødigt, fordi det allerede er givet ved elementets atomnummer . ${\ displaystyle X}$${\ displaystyle _ {Z} ^ {A} \ mathrm {X}}$${\ displaystyle ^ {A} \ mathrm {X}}$${\ displaystyle _ {\, \, 6} ^ {12} \ mathrm {C}}$${\ displaystyle ^ {58} \ mathrm {Fe}}$${\ displaystyle X}$

Nuklid er det meget generelle navn på typer af atomer, uanset om de tilhører det samme element eller ej. Den nuclid kort eller isotop kort - vigtigt for nukleare fysik og dets applikationer - er en tabel, hvor hver type atom har sin egen plads. Til dette formål er antallet af protoner afbildet på den ene akse og antallet af neutroner på den anden. Ofte er stabiliteten og, i tilfælde af ustabile nuklider, også typen af ​​transformation eller størrelsen af ​​halveringstiden repræsenteret af visse farver og om nødvendigt også opdelingen af ​​rummet tildelt isotopen.

Stabile og ustabile (radioaktive) atomer

Atomkernen i et nuklid kan enten være i den energiske grundtilstand eller i en af ​​de forskellige ophidsede tilstande . Hvis disse omfatter relativt langlivet, såkaldte metastabile tilstande, er disse benævnt isomerer og talt som separate nuklider (symbol , etc.). Ifølge denne definition kendes fra 2003 i alt omkring 3200 nuklider.${\ displaystyle _ {Z} ^ {A} \ mathrm {X}}$${\ displaystyle _ {Z} ^ {A} \ mathrm {X} ^ {m}}$${\ displaystyle _ {Z} ^ {A} \ mathrm {X} ^ {*}}$

I atomfysik kaldes nuklider med forskellige antal protoner, men det samme antal masser, isobarer . Mindre ofte grupperes isotoniske nuklider med forskellige antal protoner, men det samme antal neutroner. ${\ displaystyle A}$

Kun omkring 250 isotoper med 80 grundstoffer har en stabil kerne. Alle andre atomer er ustabile og forvandles før eller siden til atomer af en stabil isotop. Da de generelt udsender ioniserende stråling , kaldes de også radioisotoper eller radionuklider . På jorden blev der foruden alle 250 stabile isotoper fundet 30 radioisotoper i naturlige forekomster, som er fordelt over 10 radioaktive elementer og forårsager naturlig radioaktivitet . Mange andre kortvarige isotoper findes inde i stjerner, især i supernova- fasen.

Sjældne og teoretiske former

Et Rydberg -atom er et atom, hvor en elektron exciteres i en så høj energitilstand, at den kredser om atomkernen, undertiden også hele atomkernen, der består af atomkernen og de resterende elektroner, i stor afstand og dermed dens adfærd ligner en klassisk partikel. Rydbergatomer kan være over 100.000 gange større end ikke -spændte atomer. Da de er ekstremt følsomme over for eksterne felter, kan du bruge dem f.eks. B. undersøge interaktionen med en enkelt foton i detaljer. Hvis to eller flere elektroner er spændte i sådanne tilstande, taler man om planetariske atomer .

I delvist overført betydning bruges eksotiske atomer også til at beskrive systemer, der har visse fysiske ligheder med almindelige atomer. I dem z. B. en af ​​protonerne, neutronerne eller elektronerne er blevet erstattet af en anden partikel af samme ladning. Hvis for eksempel en elektron erstattes af en tungere muon , dannes et muonisk atom. Som positronium refereres til et eksotisk atom, hvor en elektron i stedet for en proton til en positron, som er den positivt ladede antipartikel , er bundet af elektronen. Atomer, der udelukkende består af antipartikler mod normalt stof, er også mulige. For eksempel blev anti-brintatomer kunstigt fremstillet og påvist for første gang i 1995 i Genèves CERN . Blandt andet kan grundlæggende fysiske teorier om symmetrien mellem partikler og antipartikler testes på sådanne eksotiske atomer.

Desuden bruges navnet atom undertiden til topartikelsystemer, der ikke holdes sammen af ​​elektromagnetisk interaktion, men af ​​den stærke interaktion . Et sådant quarkonium er en kortvarig elementarpartikel af mesontypen , der består af en kvark og en antikvart. Et quarkoniumatom kan klassificeres i sine forskellige metastabile tilstande efter kvantetal som hydrogenatomet.

Fremkomst

Omkring et sekund efter Big Bang , de konstante omdannelser mellem elementarpartiklerne gik i stå på grund af den faldende temperatur og efterlod elektroner, protoner og neutroner. I de tre minutter, der fulgte, kombinerede primærnukleosyntese neutronerne med protoner for at danne de enkleste kerner: deuterium , helium , i mindre grad også lithium og muligvis endnu mindre mængder beryllium og bor . De resterende protoner (86 procent) blev beholdt. De første neutrale atomer med permanent bundne elektroner blev først dannet 380.000 år efter Big Bang i rekombinationsfasen , da universet var afkølet så meget gennem ekspansion, at atomerne ikke umiddelbart blev ioniseret igen.

Kernerne for alle tungere atomer blev og er skabt af forskellige processer med kernefusion . Den vigtigste af disse er stjernernes nukleosyntese , gennem hvilken helium først dannes i stjerner, derefter de tungere grundstoffer op til jern . Grundstoffer med et højere atomnummer end jern opstår i eksplosive processer såsom r-processen i supernovaer og s-processen i AGB-stjerner , der er tæt på slutningen af ​​deres levetid.

Små mængder af forskellige grundstoffer og isotoper dannes også ved at dele tunge kerner igen. Dette sker gennem radioaktive henfald (se henfaldsserier ), som bl.a. er ansvarlige for en del af forekomsten af ​​helium og bly og spallationer , som er vigtige for dannelsen af ​​lithium, beryllium og bor.

Forekomst og distribution

Grundfrekvenser i universet ( logaritmisk skala)

Atomer i det observerbare univers har en gennemsnitlig densitet på 0,25 atomer / m³. Ifølge big bang -modellen ( lambda CDM -modellen ) udgør de omkring 4,9 procent af den samlede energitæthed. De resterende 95,1 procent, hvis natur stadig stort set er uklar, består af omkring 27 procent mørkt stof og 68 procent mørk energi samt små bidrag fra neutrinoer og elektromagnetisk stråling. Inde i en galakse som f.eks. Mælkevejen er densitet af atomer i det interstellare medium (ISM) meget højere og ligger mellem 10 ⁴ og 10 ¹¹ atomer / m ³ . Solen er placeret i den stort set støvfrie lokale boble , så densiteten i nærheden af ​​solsystemet er kun omkring 10 ³ atomer / m ³ . I faste himmellegemer som jorden er atomtætheden ca. 10 ²⁹ atomer / m ³ .

Ved fordelingen af grundstofferne i universet dominerer brint med omkring tre fjerdedele af massen, efterfulgt af helium med omkring en fjerdedel. Alle tungere grundstoffer er meget sjældnere og udgør kun en lille brøkdel af atomerne i universet. Deres frekvenser bestemmes af de forskellige mekanismer for nukleosyntese .

I solsystemet findes brint og helium hovedsageligt på sol- og gasplaneterne . Derimod dominerer de tunge elementer på jorden. De mest almindelige elementer her er ilt , jern , silicium og magnesium . Den jordens kerne består hovedsagelig af jern, mens oxygen og silicium fremherskende i jordskorpen.

Atomens komponenter

De to hovedkomponenter i et atom er atomkernen og atomskallen. Skallen består af elektroner. Det bidrager med mindre end 0,06 procent til atommassen, men bestemmer dets størrelse og adfærd over for andre atomer, når de kommer tæt på hinanden. Kernen består af protoner og neutroner, er ti til hundrede tusinde gange mindre i diameter end skallen, men indeholder mere end 99,9 procent af atomets masse.

Atomkerne

konstruktion

Den bindende energi , der skal anvendes pr nukleon for fuldstændigt nedbryde kernen i nukleonerne, for kernerne naturligt forekommende på jorden.

Protoner og neutroner til stede i et atom , tilsammen også kendt som nukleoner , er bundet til hinanden og danner atomkernen. Nukleonerne tilhører hadronerne . Protonen er positivt ladet, neutronen er elektrisk neutral. Proton og neutron har en diameter på ca. 1,6 fm ( femtometer ) og ikke selv er elementarpartikler, men er opbygget fra punkt-lignende kvarker ifølge den standardmodel af elementære partikler fysik . Tre kvarker ad gangen bindes til dannelse af en nukleon på grund af den stærke interaktion , der medieres af gluoner . Den stærke interaktion er også ansvarlig for kohæsionen af ​​nukleonerne i atomkernen, især er tiltrækningen op til en afstand på omkring 2,5 fm betydeligt stærkere end protonernes indbyrdes elektriske frastødning. Men under omkring 1,6 fm bliver Hadrons stærke vekselvirkning stærkt frastødende. For at sige det klart, opfører nukleonerne i kernen sig lidt som hårde sfærer, der klæber til hinanden. Derfor stiger kernens volumen proportionalt med antallet af nukleoner (massetal) . Dens radius er omkring  fm. ${\ displaystyle A}$${\ displaystyle 1 {,} 3 {\ sqrt [{3}] {A}}}$

Den letteste atomkerne består kun af en proton. Flere protoner afviser hinanden ifølge elektrostatik , men sammen med et passende antal neutroner kan de danne et stabilt system. Men selv med små afvigelser fra det energisk mest gunstige numeriske forhold er kernen ustabil og transformerer spontant, da en neutron bliver til en proton eller omvendt, og den frigivne energi og ladning afgives som betastråling . Kerner med op til omkring 20 protoner er kun stabile i et forhold på næsten 1: 1 mellem antallet af neutroner og antallet af protoner. Derudover stiger forholdet i de stabile atomkerner fra 1: 1 til omkring 1,5: 1, fordi med større antal protoner skal antallet af neutroner vokse hurtigere end det for protoner på grund af deres elektrostatiske frastødning (for detaljer se dråbe model ) . Bindingsenergien i stabile kerner (bortset fra de letteste) er over 7 MeV pr. Nukleon (se figur) og overstiger dermed bindingsenergien for de ydre elektroner i atomskallen eller den kemiske bindingsenergi i stabile molekyler med cirka 10 ⁶ gange. Kerner med et bestemt antal nukleoner, kaldet magiske tal , for eksempel helium -4, oxygen -16 eller bly -208, er særligt stabile, hvilket kan forklares med atomkernens skalmodel .

Over et antal på 82 protoner (dvs. ud over bly) er alle kerner ustabile. De omdannes til lettere kerner ved at skubbe en He-4-kerne ( alfastråling ) ud. Dette gentager sig sammen med betastråling, indtil en stabil kerne er nået; flere henfaldsfaser danner en forfaldsserie . Der er heller ingen stabil kerne for protonnumre 43 ( technetium ) og 61 ( promethium ). Derfor kan der kun være i alt 80 forskellige stabile kemiske grundstoffer, alle andre er radioaktive. De forekommer kun naturligt på jorden, hvis de selv eller et af deres forældresubstanser har en tilstrækkelig lang halveringstid.

Dimensioner

Da det meste af atommassen kommer fra neutronerne og protonerne, og disse er nogenlunde den samme vægt, kaldes det samlede antal af disse partikler i et atom massenummer . Den nøjagtige masse af et atom er ofte angivet i atommassenheden u; deres numeriske værdi er så nogenlunde lig med massetallet. Mindre afvigelser opstår som følge af atomkernenes massefejl. De atomare resultater masseenhed fra definitionen for SI af mol på en sådan måde, at et atom af carbon isotop ¹² C (i grundtilstanden herunder dens skalelektroner) har en masse på præcis 12 u. Det betyder, at 1 u er lig med 1.6053904 · 10 ⁻²⁷  kg. Et atom af den letteste hydrogenisotop har en masse på 1,007825 u. Det tungeste stabile nuklid er blyisotopen ²⁰⁸ Pb med en masse på 207,9766521 u.

Da makroskopiske mængder stof indeholder så mange atomer, at angivelse af deres antal som et naturligt tal ville være uhåndterligt, fik mængden af ​​stof sin egen enhed, muldvarpen . Én mol er omkring 6.022 · 10 ²³ atomer (eller molekyler eller andre partikler; typen af ​​partikel skal altid nævnes). Massen på 1 mol atomer af atommasse X  u er derfor nøjagtigt X  g. Det er derfor almindeligt inden for kemi at give atommasser indirekte i g / mol i stedet for i u.

Dannelse og forfald

Den måde, hvorpå en ustabil atomkerne henfalder, er typisk for det respektive radionuklid. I tilfælde af nogle nuklider kan kernerne (som er fuldstændig identiske med hinanden) også henfalde på forskellige måder, så flere henfaldskanaler med bestemte proportioner er involveret. De vigtigste radioaktive henfald er

• Alfa henfald , hvor en helium atomkerne er dannet af to protoner og to neutroner i kernen på grund af den stærke interaktion , der skubbes ud,
• Betaforfald , hvor en neutron af kernen omdannes til en proton eller omvendt ved hjælp af den svage interaktion og en elektron og en antineutrino eller en positron og en neutrino genereres og udsendes,
• Gamma henfald , hvor en ophidset kerne genererer gammastråling gennem elektromagnetisk interaktion og når et lavere energiniveau med det samme antal protoner og neutroner.

Illustration af en kernefusion: to protoner (ovenfor) reagerer for at danne en deuteriumkerne, der består af en proton og en neutron. Omsætningen skaber en positron e ⁺ (den antipartikel af elektronen) og en elektron neutrino ${\ displaystyle {\ nu} _ {e}}$

Strålingens energier er karakteristiske for det respektive nuklid, ligesom halveringstiden , der angiver, hvor lang tid det tager, indtil halvdelen af ​​en prøve af nuklidet er henfaldet.

Tilføjelsen af ​​en neutron kan omdanne en kerne til den næste tungere isotop af det samme element. Når den bombarderes med neutroner eller andre atomkerner, kan en stor atomkerne opdeles i flere mindre kerner . Nogle tunge nuklider kan splitte spontant uden ydre påvirkning .

Større atomkerner kan dannes fra mindre kerner. Denne proces kaldes atomfusion . For en fusion skal atomkerner komme meget tæt på. Denne fremgangsmåde modvirkes af den elektrostatiske frastødning af begge kerner, den såkaldte Coulomb-væg . Af denne grund er atomfusion (undtagen i visse eksperimenter) kun mulig ved meget høje temperaturer på flere millioner grader og højt tryk som dem, der findes inde i stjerner. Kernefusion er en eksoterm reaktion med nuklider op til nikkel-62 , så det stort set kan foregå på en selvbærende måde. Det er stjernernes energikilde. I tilfælde af atomkerner ud over nikkel falder bindingsenergien pr. Nukleon; sammensmeltningen af ​​tungere atomkerner er derfor endoterm og derfor ikke en selvbærende proces. Kernefusion i stjerner går i stå, når de lette atomkerner er opbrugt.

Atomisk skal

Struktur og bindende energi

Den atomare shell består af elektroner, der er bundet til den positive atomkernen på grund af deres negative ladning. Det omtales ofte som elektronskallen. I tilfælde af en neutral atom med elektroner, den gennemsnitlige bindingsenergi pr elektron er ca. . Det stiger derfor betydeligt med stigende partikelantal, i modsætning til den gennemsnitlige bindingsenergi pr. Nucleon i kernen, som endda falder med massetallet . For at forklare det, hedder det, at kun bindende kræfter med kort rækkevidde virker mellem nukleoner, som næppe når ud over nabopartiklerne, mens skallen er bundet af den elektrostatiske tiltrækningskraft, der fanger alle elektroner fra den foldede ladede kerne. ${\ displaystyle Z}$${\ displaystyle 13 {,} 6 \; Z ^ {4/3}}$${\ displaystyle A = 62}$${\ displaystyle Z}$

Bortset fra massen, der er koncentreret til over 99,95 procent i atomkernen, er atomskallen ansvarlig for praktisk talt alle atomets ydre egenskaber. Udtrykket atommodel refererer derfor for det meste kun til skallen i snævrere forstand (se liste over atommodeller ). En simpel atommodel er skalmodellen , ifølge hvilken elektronerne er arrangeret i visse skaller omkring kernen, i hver der er plads til et bestemt antal elektroner. Disse skaller har imidlertid hverken en specifik radius eller en specifik tykkelse, men overlapper snarere og delvist trænger ind i hinanden. De er bedre adskilt på skalaen for elektronernes bindingsenergi.

Fortolkning af grundlæggende atomare egenskaber i forbindelse med skalmodellen

Atomskallen bestemmer styrken og afstandsafhængigheden af ​​kræfterne mellem to atomer. I afstandsintervallet med flere atomdiametre polariserer hele atomskallerne hinanden, så attraktive kræfter, van der Waals kræfter , opstår gennem elektrostatisk tiltrækning . Frem for alt får de gasserne til at kondensere til dannelse af væsker , dvs. en ændring i aggregattilstandene .

Den (omtrentlige) inkomprimerbarhed af væsker og faste stoffer er derimod baseret på, at alle atomer kraftigt frastøder hinanden, når de nærmer sig hinanden, så snart deres skaller mærkbart overlapper hinanden i rummet og derfor skal deformeres. Bortset fra to hydrogenatomer , der hver kun har en elektron i deres skal, spiller den elektrostatiske frastødning af de to atomkerner kun en mindre rolle.

I en mellemlang afstand mellem overvægten af ​​de svagt attraktive van der Waals -kræfter og den stærke frastødning sker der en særlig stærk tiltrækning, den kemiske binding, mellem to eller flere matchende atomskaller . I tilfælde af atomer af visse grundstoffer kan denne tiltrækning føre til et stabilt molekyle bestående af atomer i et præcist defineret antal og rumligt arrangement. Molekylerne er de mindste materialeenheder for de kemiske forbindelser, dvs. de homogene materialer i al deres mangfoldighed. Molekyler tiltrækker også hinanden gennem deres atomers skaller. Et fast legeme skabes, når mange molekyler binder til hinanden, og fordi det er energisk gunstigt, opretholder et fast arrangement. Hvis dette arrangement er regelmæssigt, dannes et krystalgitter . Som et resultat af denne binding er det faste legeme ikke kun stort set ukomprimerbart som en væske, men kan i modsætning hertil også udsættes for trækbelastninger og deformeres betydeligt mindre let. Hvis atomer af metalliske elementer forbinder hinanden, er deres antal ikke fastlagt, og enhver størrelse og form kan dannes. Især kemisk rene metaller viser normalt en høj grad af duktilitet . Forbindelser af forskellige metaller kaldes legeringer . Arten af binding af metalatomer forklarer, hvorfor elektroner kan bevæge sig næsten frit gennem krystalgitteret, hvilket er det, der forårsager metallernes store elektriske og termiske ledningsevne . Sammenfattende resulterer samspillet mellem atomskallerne i den mekaniske stabilitet og mange andre egenskaber ved de makroskopiske materialer.

På grund af den fuzzy kant af atomskallen er atomernes størrelse ikke klart fastslået. De værdier, der er angivet som atomradier , opnås fra bindingslængden , som er den energisk mest gunstige afstand mellem atomkernerne i en kemisk binding. Samlet set er der med stigende atomnummer en omtrent periodisk variation i atomstørrelsen, hvilket stemmer godt overens med den periodiske variation i den kemiske adfærd. I elementernes periodiske system er den generelle regel, at inden for en periode, dvs. en linje i systemet, er en bestemt skål fyldt. Atomernes størrelse falder fra venstre mod højre, fordi atomladningen stiger, og derfor tiltrækkes alle skaller stærkere. Hvis en bestemt skal er fyldt med de stærkt bundne elektroner, tilhører atomet de ædelgasser . Med den næste elektron begynder skallen at blive fyldt med den næste mindre bindingsenergi, som er forbundet med en større radius. Inden for en gruppe, dvs. en kolonne i det periodiske system, stiger størrelsen derfor fra top til bund. Følgelig er det mindste atom heliumatomet i slutningen af ​​den første periode med en radius på 32 pm, mens et af de største atomer er cæsiumatomet , det første atom i den 5. periode. Den har en radius på 225 pm.

Forklaring af atomegenskaberne i forbindelse med orbitalmodellen

De elektronskaller, som skalmodellen er baseret på, skyldes kvantisering af elektronenergierne i atomkernens kraftfelt i henhold til kvantemekanikkens regler . Forskellige atomorbitaler dannes omkring kernen ; disse er fuzzy sandsynlighedsfordelinger for mulige rumlige tilstande af elektronerne. På grund af Pauli -princippet kan hver orbital fyldes med maksimalt to elektroner, elektronparret . Orbitalerne, som teoretisk set ville have den samme energi, hvis elektronernes og den fine strukturs gensidige frastødning blev negligeret , danner en skal. Skallerne er nummereret fortløbende med hovedkvantumtalet eller efterfølgende betegnet med bogstaverne K, L, M, .... Mere præcise målinger viser, at ikke alle elektroner i en skal har den samme energi fra den anden skal og frem. Hvis det er nødvendigt, identificeres en bestemt underskal ved det sekundære kvantetal eller vinkelmomentkvantum .

Hvis orbitalerne, der starter med det laveste energiniveau, er fyldt med elektroner i en sådan grad, at det samlede antal elektroner er lig med antallet af protoner i kernen, er atomet neutralt og er i jordtilstand. Hvis en eller flere elektroner i et atom flyttes til orbitaler med højere energiniveauer, er atomet i en ophidset tilstand . Energierne i de ophidsede tilstande har veldefinerede værdier for hvert atom, som danner dets termskema . Et ophidset atom kan afgive sin overskydende energi ved kollisioner med andre atomer, gennem emission af en af ​​elektronerne ( snegleeffekt ) eller gennem emission af en foton , dvs. gennem generering af lys eller røntgenstråler. Ved meget høje temperaturer eller ved gasudladninger kan atomerne ved indvirkning elektroner tabe (se ionisering ), det skaber et plasma , sådan. B. i en varm flamme eller i en stjerne.

Absorptionslinjer i solens spektrum. Fra det indfaldende lys, som har et kontinuerligt spektrum, absorberes stråling ved bestemte bølgelængder, hvilket forårsager de sorte linjer.

Da energien i den udsendte strålings kvanta varierer afhængigt af atomet eller molekylet og de involverede tilstande, kan kilden generelt identificeres tydeligt ved spektroskopi af denne stråling. For eksempel viser de enkelte atomer deres elementspecifikke optiske liniespektrum . Natrium D-linjen er f.eks. Kendt som en dobbeltlinie i det gule spektralområde ved 588,99 nm og 589,59 nm, som også omtales som D-1 i figuren overfor. Deres belysning indikerer tilstedeværelsen af ​​ophidsede natriumatomer, det være sig i solen eller over komfurets flamme i nærvær af natrium eller dets salte. Da denne stråling også kan levere den samme energi til et atom gennem absorption, kan elementernes spektrale linjer observeres i både absorptions- og emissionsspektre. Disse spektrale linjer kan også bruges til at måle frekvenser meget præcist, for eksempel til atomure .

Selvom elektroner elektrostatisk afviser hinanden, kan op til to yderligere elektroner bindes i et neutralt atom, hvis der er orbitaler med yderligere frie steder ved den højeste elektronenergi (se elektronaffinitet ). Kemiske reaktioner , d. H. Forbindelsen mellem flere atomer til et molekyle eller et stort antal atomer til et fast stof forklares med, at en eller to elektroner fra en af ​​de ydre orbitaler i et atom ( valenselektroner ) bevæger sig helt over til et frit sted i en orbital for et nærliggende atom ( ionbinding ) eller der er en vis sandsynlighed for at du vil være der ( kovalent binding gennem et bindingspar elektroner ). Den elektronegativitet elementerne bestemmer på hvilket atom elektronerne er mere tilbøjelige til at være. Som regel dannes kemiske bindinger på en sådan måde, at atomerne modtager elektronkonfiguration af en ædelgas ( ædelgasregel ). Formen og besættelsen af ​​dets orbitaler er afgørende for atomets kemiske adfærd. Da disse udelukkende bestemmes af antallet af protoner, viser alle atomer med samme antal protoner, dvs. isotoper af et element, næsten den samme kemiske adfærd.

Hvis to atomer kommer tættere på hinanden ud over den kemiske binding, skal elektronerne i det ene atom bevæge sig til frie, men energisk ugunstige orbitaler i det andet atom på grund af Pauli -princippet, hvilket resulterer i et øget energibehov og dermed en frastødende kraft .

Interaktion mellem kerne og skal

Interaktionen mellem kerne og skal beskrives med stor nøjagtighed ved den enkle tilgang, hvor kernen repræsenterer en punktkilde til et elektrostatisk felt i henhold til Coulombs lov . Alle de nævnte atommodeller er baseret på dette. På grund af yderligere effekter, der behandles i udvidede modeller, er det kun ekstremt små korrektioner, der er opsummeret under navnet hyperfin struktur . Der er tre effekter at overveje her: for det første den endelige størrelse af hver kerne, for det andet en magnetisk dipolinteraktion, når både kernen og skallen har et vinkelmomentantal på mindst ½, og for det tredje en elektrisk quadrupol -interaktion, når begge vinkler momentum kvantetal er mindst 1.

Den endelige ekspansion af kernen - sammenlignet med en teoretisk punktladning - forårsager en svagere tiltrækning af disse elektroner, hvis sandsynlighed strækker sig ind i kernen. Kun s orbitaler ( orbital vinkelmoment nul) påvirkes . For atomer med medium atomnummer er korrektionen af ​​bindingsenergien af ​​størrelsesordenen 1 procent. De magnetiske dipol- eller elektriske firpolsmomenter i skallen og kernen forårsager en kobling med det resultat, at den totale energi i et frit atom deles ekstremt lidt afhængigt af kvantetallet af dets samlede vinkelmoment . I H -atomet er splittelsen omkring en milliontedel af elektronens bindingsenergi (se 21 cm linje ). I klare termer afhænger energien af ​​den vinkel, hvor akserne for de to magnetiske dipolmomenter eller elektriske firpolsmomenter i kernen og skallen er til hinanden.

Disse interaktioner er også mærkbare i en tilsvarende modificeret form i tilfælde af atomer i væsker og faste stoffer. På trods af den lille størrelse af virkningerne forårsaget af dem, har de spillet en stor rolle i atom- og atomforskning og er i særlige tilfælde også vigtige i moderne applikationer.

observation

Indirekte observation

Indirekte måder at genkende atomer på er baseret på at observere den stråling, de udsender. F.eks. Kan elementære sammensætning af fjerne stjerner bestemmes ud fra atomspektre. De forskellige elementer kan identificeres ved karakteristiske spektrale linjer, der går tilbage til emission eller absorption ved atomer af det tilsvarende element i stjernens atmosfære. Gasudladningslamper, der indeholder det samme element, viser disse linjer som emissionsledninger. På denne måde kan z. B. I 1868 blev helium opdaget i solens spektrum - mere end 10 år før det blev opdaget på jorden.

Et atom kan ioniseres ved at fjerne en af ​​dets elektroner. Den elektriske ladning sikrer, at en ionbane afbøjes af et magnetfelt. Lette ioner afbøjes stærkere end tunge ioner. Den massespektrometer anvender dette princip til at bestemme masse-til-ladningsforhold af ioner og dermed atommasse .

Den elektron energitab spektroskopi måler energitabet af en elektronstråle i interaktionen med en prøve i en transmissionselektronmikroskop .

Observation af enkeltatomer

Et billede af en rekonstrueret guldoverflade med atomopløsning skabt med et scannende tunnelmikroskop .

Et direkte billede, der gør det muligt at genkende individuelle atomer, blev først opnået i 1951 med feltionmikroskopet (eller feltemissionsmikroskop ). På en sfærisk skærm, i midten af ​​hvilken der er et ekstremt fint nålepunkt, vises et billede, der er blevet forstørret cirka en million gange. De øverste atomer, som danner spidsen, kan ses ved siden af ​​hinanden som individuelle lyspunkter. I dag kan dette også demonstreres i fysikklassen på skolen. Billedet oprettes i realtid og tillader z. B. hensynet til varmebevægelsen af ​​individuelle fremmede atomer på spidsen.

Den scanning tunneling mikroskop er også en anordning, der gør enkelte atomer på overfladen af et legeme synligt. Den bruger tunneleffekten , som tillader partikler at passere en energibarriere, som de ifølge klassisk fysik ikke kunne overvinde. I denne enhed tunneller elektroner gennem et mellemrum, der kun er nanometer bredt mellem en elektrisk ledende spids og den elektrisk ledende prøve. Når du bevæger dig sidelæns for at scanne prøven, justeres spidsens højde, så den samme strøm altid flyder. Spidsens bevægelse viser topografi og elektronisk struktur af prøveoverfladen. Da tunnelstrømmen afhænger meget af afstanden, er den laterale opløsning meget finere end spidsradius, nogle gange atomisk.

En tomografisk atomprobe skaber et tredimensionelt billede med en opløsning under et nanometer og kan tildele individuelle atomer til deres kemiske element.

Baseret på en atom-light-grænseflade udviklet omkring 2010, var det muligt i 2020 at tage billeder af individuelle atomer, der svæver mindre end en tusindedel af en millimeter over en lysledende glasfiber. Som et resultat heraf er det nu muligt under laboratorieforhold at undersøge effekter som absorption og emission af lys på en mere kontrolleret måde end tidligere. Dette kan hjælpe med udviklingen af ​​nye fiberoptiske netværk.

litteratur

• Hans-Werner Kirchhoff: Atomens begreber 1800-1934 . Aulis Verlag Deubner, 2001, ISBN 3-7614-2300-4 . 
• Richard Feynman , Robert B. Leighton, Matthew Sands: Forelæsninger om fysik. Bind I-III . Oldenbourg, 1991. 
• Wolfgang Demtröder : Atomer, molekyler og faste stoffer . 3. Udgave. Springer, 2005, ISBN 3-540-21473-9 . 
• Richard Feynman: Seks lette stykker . The Penguin Group, 1995, ISBN 0-14-027666-1 . 
• Oskar Höfling , Pedro Waloschek : Verden for de mindste partikler . Rowohlt, 1984, ISBN 3-498-02862-6 . 
• Jeremy I. Pfeffer, Shlomo Nir: Modern Physics: An Introduction Text . Imperial College Press, 2000, ISBN 1-86094-250-4 (engelsk). 
• Robert Siegfried: From Elements to Atoms: A History of Chemical Composition . I: Transactions of the Americal Philosophical Society . tape 92 , nej. 4 . American Philosophical Society, 2002, ISBN 0-87169-924-9 . 
• Werner Kutzelnigg : Introduktion til teoretisk kemi . Wiley Chemie, 2002, ISBN 3-527-30609-9 . 
• Dick Teresi: Lost Discoveries: The Ancient Roots of Modern Science-fra babylonierne til mayaerne . Simon & Schuster, 2003, ISBN 0-7432-4379-X , s. 213-214 . 

Weblinks

Wiktionary: Atom  - forklaringer på betydninger, ordoprindelse, synonymer, oversættelser

• HydrogenLab: Hvordan ser et atom ud?
• Oversigt over de forskellige atommodeller
• Historisk oversigt over atombegrebet fra et naturfilosofisk perspektiv af Brigitte Falkenburg i online-leksikonet for naturfilosofiske grundbegreber.

Individuelle beviser

1. ↑ Dick Teresi: Lost Opdagelser: De gamle rødder moderne videnskab - fra babylonierne til Maya . Simon & Schuster, 2003, ISBN 0-7432-4379-X , s. 213-214 . 
2. ^ Leonid I. Ponomarev: The Quantum Dice . 2. udgave. Inst. Of Physics Pub, 1993, ISBN 0-7503-0251-8 , s. 14-15 . 
3. ↑ ^{a b} Jörn Bleck-Neuhaus: Elementære partikler . Fra atomerne til standardmodellen til Higgs boson. 2., reviderede udgave. Springer, 2013, ISBN 978-3-642-32578-6 , ISSN  0937-7433 , doi : 10.1007 / 978-3-642-32579-3 . 
4. ^ Robert Siegfried: Fra grundstoffer til atomer: En historie om kemisk sammensætning . I: Transactions of the Americal Philosophical Society . tape 92 , nej. 4 . American Philosophical Society, 2002, ISBN 0-87169-924-9 , s. 42-55 . 
5. ^ Charles Kittel: Introduktion til Solid State Physics. 7. udgave 1988, Verlag R. Oldenbourg (München), s.16.
6. ↑ Lavoisiers kemiske elementer. I: Grundstoffer og atomer. Le Moyne College, Institut for Kemi, åbnede 2. marts 2014 .  
7. ^ Charles Adolphe Wurtz: Atomteorien . D. Appleton og firma, New York 1881, s. 1-2 . 
8. ^ J. Dalton: Et nyt system for kemisk filosofi, del 1 . S. Russell, London / Manchester 1808. 
9. ^ F. Dannemann: Naturvidenskaberne i deres udvikling og i deres kontekst. Bind 3, Verlag W. Engelmann 1922, s. 198.
10. ↑ Loschmidt: Om størrelsen på luftmolekyler. I: Møderapporter fra det kejserlige videnskabsakademi i Wien. Bind 52, 1866, afsnit II, s. 395-413.
11. ↑ Albert Einstein: En ny bestemmelse af molekylære dimensioner . Bern 1905 ( online [PDF; tilgået den 25. marts 2014]). 
12. ↑ Albert Einstein: Om bevægelse af partikler suspenderet i væsker i hvile, påkrævet af den molekylære kinetiske teori om varme . I: Annals of Physics . tape 322 , nr. 8 , 1905, s. 549-560 , doi : 10.1002 / andp.19053220806 ( PDF ( erindring af 18. marts 2006 i internetarkivet ) [åbnet den 4. februar 2007]). Om bevægelse af partikler suspenderet i væsker i hvile som krævet af den molekylære kinetiske teori om varme ( Memento af 18. marts 2006 i internetarkivet ) 
13. ^ Robert M. Mazo: Brownian Motion: Flucuations, Dynamics og Applications . I: Den internationale serie af monografier om fysik . tape 112 . Oxford University Press, 2002, ISBN 0-19-851567-7 , s. 1-7 . 
14. ^ YK Lee, Kelvin Hoon: Brownian Motion. (Ikke længere tilgængelig online.) Imperial College, London, 1995, arkiveret fra originalen på December 18, 2007 ; tilgået den 2. marts 2014 .  
15. ^ Christian Wiener: Forklaring af den atomistiske karakter af drypvæskelegemets tilstand og bekræftelse heraf gennem de såkaldte molekylære bevægelser . I: Poggendorffs annaler . tape 118 , 1863, s. 79-94 . 
16. ^ G. Patterson: Jean Perrin og atomdoktrinens triumf . I: Endeavour . tape 31 , nej. 2 , 2007, s. 50-53 , doi : 10.1016 / j.endeavor.2007.05.003 . 
17. ^ Nobelfonden: JJ Thomson. Nobelprize.org, 1906, tilgås den 2. marts 2014 .  
18. ^ E. Rutherford: Spredningen af ​​α og β partikler ved stof og atomets struktur . I: Filosofisk magasin . tape 21 , 1911, s. 669-688 ( scanninger [adgang 2. marts 2014]). 
19. ^ Frederick Soddy, Nobelprisen i kemi 1921. Nobelfonden, tilgås den 2. marts 2014 .  
20. ^ Nagel, Miriam C.: Frederick Soddy: Fra alkymi til isotoper . I: Journal of Chemical Education . tape 59 , nej. 9 , 1982, s. 739-740 , doi : 10.1021 / ed059p739 . 
21. ^ Joseph John Thomson: Bagerforelæsning: Stråler med positiv elektricitet . I: Proceedings of the Royal Society of London. Serie A, der indeholder papirer af matematisk og fysisk karakter . tape 89 , nej. 607 , 1913, s. 1–20 ( royalsocietypublishing.org [PDF; adgang 2. marts 2014]). 
22. ^ Francis W. Aston: Grundlaget for atmosfærisk neon . I: Filosofisk magasin . tape 39 , nej. 6 , 1920, s. 449-455 . 
23. ^ James Chadwick: Nobelforedrag: Neutronen og dens egenskaber. Nobelfonden, 12. december 1935, tilgås den 2. marts 2014 .  
24. ^ Niels Bohr, Nobelprisen i fysik 1922, nobelforedrag. Nobelfonden, 11. december 1922, fik adgang til 2. marts 2014 .  
25. ↑ Kevin Brown: Hydrogenatomet. MathPages, 2007, adgang til 2. marts 2014 .  
26. ^ David M. Harrison: Udviklingen af ​​kvantemekanik. University of Toronto, marts 2000, adgang 2. marts 2014 .  
27. ^ Lise Meitner, Otto Robert Frisch: Nedbrydning af uran af neutroner: en ny type atomreaktion . I: Naturen . tape 143 , 1939, s. 239 . 
28. ^ Manfred Schroeder: Lise Meitner - Til 125 -årsdagen for din fødselsdag . ( Online [adgang 2. marts 2014]). Online ( erindring fra 19. juli 2011 i internetarkivet ) 
29. ^ Sven Kullander: Acceleratorer og nobelpristagere. Nobelfonden, 28. august 2001, fik adgang til 2. marts 2014 .  
30. ↑ Medarbejdere: Nobelprisen i fysik 1990. Nobelfonden, 17. oktober 1990, fik adgang den 2. marts 2014 .  
31. ↑ P. Domokos, J. Janszky, P. Adam: Enkeltatom -interferensmetode til generering af Fock-tilstande . I: Fysisk gennemgang . tape 50 , 1994, s. 3340-3344 , doi : 10.1103 / PhysRevA.50.3340 . 
32. ^ Nobelprisen i fysik 1997. Nobelfonden, 15. oktober 1997, åbnede 2. marts 2014 .  
33. ↑ ^{a b} Marilyn Jacox, J. William Gadzuk: Scanning Tunneling Microscope. National Institute of Standards and Technology, november 1997, tilgås den 2. marts 2014 .  
34. ^ ^{A b} Nobelprisen i fysik 1986. Nobelfonden, tilgås den 11. januar 2008 (engelsk, især Nobelprisforedraget af G. Binnig og H. Rohrer).  
35. ↑ Jiwoong Park, et al. : Coulomb-blokade og Kondo-effekten i enkeltatomstransistorer . I: Naturen . tape 417 , nr. 6890 , 2002, s. 722-725 , doi : 10.1038 / nature00791 . 
36. ↑ G. Audi, O. Bersillon, J. Blachot, AH Wapstra: NUBASE -evalueringen af ​​nukleare og forfaldne egenskaber . I: Kernefysik . A 729, 2003, s. 3–128 , doi : 10.1016 / j.nuclphysa.2003.11.001 (engelsk, in2p3.fr [PDF; åbnet den 2. marts 2014]). 
37. ↑ Indgang på isotoper. I: Römpp Online . Georg Thieme Verlag, tilgået den 2. februar 2014.
38. ↑ Roger Barrett, Daphne Jackson , Habatwa Mweene: The Strange World of the Exotic Atom . I: Ny videnskabsmand . Ingen. 1728 , 1990, s. 77–115 ( online [adgang 2. marts 2014]). 
39. ^ Paul Indelicato: Eksotiske atomer . I: Physica Scripta . T112, 2004, s. 20-26 , doi : 10.1238 / Physica.Topical.112a00020 . 
40. ↑ Barrett H. Ripin: Nylige eksperimenter på eksotiske atomer . American Physical Society, juli 1998 ( online [adgang 2. marts 2014]). 
41. ↑ G. Baur et al.: Produktion af antihydrogen. I: Physics Letters B . 368, nr. 3, 1996, s. 251-258, doi: 10.1016 / 0370-2693 (96) 00005-6 ; Forudskriv online .
42. ^ Craig J. Copi, David N. Schramm, Michael S Turner: Big-Bang-nukleosyntese og universets Baryon-densitet . I: Videnskab . tape 267 , 1995, s. 192-199 , doi : 10.1126 / science.7809624 , PMID 7809624 . 
43. ^ Brian Abbott: Mikroovn (WMAP) All-Sky Survey. (Ikke længere tilgængelig online.) Hayden Planetarium, 30. maj 2007, arkiveret fra originalen den 5. september 2008 ; tilgået den 2. marts 2014 .  
44. ↑ DC Knauth, SR Federman, David L. Lambert, P. Crane: Nyligt syntetiseret lithium i det interstellare medium . I: Naturen . tape 405 , 2000, s. 656-658 , doi : 10.1038 / 35015028 . 
45. ^ Michael Banks: Planck afslører et 'næsten perfekt' univers. 21. marts 2013, adgang til 20. januar 2014 .  
46. ↑ Masataka Fukugita, James Peebles: Den kosmiske energi Inventory . 18. august 2004, arxiv : astro-ph / 0406095 (engelsk). 
47. ^ Michael Richmond: Det interstellare medium: Gas. Hentet 12. marts 2014 .  
48. ↑ Arthur F. Davidsen: Far-Ultraviolet Astronomy on the Astro-1 Space Shuttle Mission . I: Videnskab . tape 259 , nej. 5093 , 1993, s. 327-334 , doi : 10.1126 / science.259.5093.327 , PMID 17832344 . 
49. ^ AGW Cameron: overflod af elementerne i solsystemet . I: Space Science Anmeldelser . tape 15 , 1970, s. 121-146 . 
50. ↑ Jeremy I. Pfeffer: Modern Physics: An Introduction Text . Imperial College Press, 2000, ISBN 1-86094-250-4 , s. 330-336 . 
51. ^ ^{A b} ER Cohen et al. : Mængder, enheder og symboler i fysisk kemi . 3. Udgave. IUPAC & RSC Publishing, 2008, ISBN 978-0-85404-433-7 , s. 88, 92 (engelsk, online [PDF; åbnet 28. april 2014]). Online ( Memento fra 11. februar 2014 i internetarkivet ) 
52. ^ G. Audi, AH Wapstra, C. Thibault: Ame 2003 evaluering af atommassen (II) . I: Kernefysik . A729, 2003, s. 337-676 (engelsk, online [adgang 2. marts 2014]). 
53. ↑ Wolfgang Demtröder: Experimentalphysik Vol. 4: Nuclear, particle and astrophysics . 3. Udgave. Springer, 2010, ISBN 978-3-642-01597-7 , ISSN  0937-7433 , s. 366-367 , doi : 10.1007 / 978-3-642-01598-4 . 
54. ^ Julian Schwinger: Thomas-Fermi-model: Den førende korrektion . I: Fys. Rev. . tape 22 , 1980, s. 1827-1832 , doi : 10.1103 / PhysRevA.22.1827 . 
55. ^ Mark Winter: Kovalent radius. Hentet 12. marts 2014 .  
56. ↑ Yu. Ralchenko, AE Kramida, J. Læser: NIST Atomic Spectra Database. National Institute of Standards and Technology, Gaithersburg, MD, 2008, åbnede 2. marts 2014 (version 5).  
57. ^ Jim Lochner, Meredith Gibb, Phil Newman: Hvad fortæller Spectra os? NASA / Goddard Space Flight Center, 30. april 2007, åbnede 2. marts 2014 .  
58. ↑ Mark Winter: Helium. WebElements, 2007, tilgås den 2. marts 2014 .  
59. ^ Erwin W. Müller, John A. Panitz, S. Brooks McLane: Atom-Probe Field Ion Microscope . I: Gennemgang af videnskabelige instrumenter . tape 39 , nej. 1 , 1968, ISSN  0034-6748 , s. 83-86 , doi : 10.1063 / 1.1683116 . 
60. ↑ Atomer under et fotoshoot. (PDF) I: Pressemeddelelse. Humboldt-Universität zu Berlin, 3. august 2020, adgang til 3. august 2020 . 

	Denne artikel er tilgængelig som en lydfil:
	Gem | Information  | 44:48 min (27,3 MB) Tekst til den talte version (2011-03-21)
	Flere oplysninger om talt Wikipedia