Atom - Atom


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Heliumatom
Helium-Atom Grundzustand.
Eine Darstellung des Heliumatoms, der Darstellung der Zellkern (pink) und der Elektronenwolke Verteilung (schwarz). Der Nukleus (oben rechts) in Helium-4 ist in Wirklichkeit sphärisch symmetrisch und ähnelt die Elektronenwolke, obwohl für kompliziertere Kerne dies nicht immer der Fall ist. Der schwarze Balken ist eine Angstrom ( 10 -10  m oder 100  pm ).
Einstufung
Kleinste anerkannten Teilung eines chemischen Elements
Eigenschaften
Massenbereich 1,67 × 10 -27 bis 4,52 × 10 -25  kg
Elektrische Ladung Null (neutral) oder Ionenladung
Durchmesser Palette 62 Uhr ( er ) bis 520 pm ( Cs ) ( Datenseite )
Komponenten Elektronen und ein kompakter Kern von Protonen und Neutronen

Ein Atom ist die kleinste konstituierende Einheit gewöhnlicher Materie , die die Eigenschaften eines hat chemischen Elements . Jedes feste , flüssige , Gas und Plasma besteht aus neutralen oder zusammengesetzt ionisierten Atomen. Atome sind sehr klein; typische Größen sind rund 100  Pikometer (zehn Milliardstel eines Meters, in der kurzen Skala ).

Atome sind klein genug , dass ihr Verhalten mit dem klassischen Physik zu prognostizieren versuchen - als ob sie Billard-Kugeln , zum Beispiel - aufgrund spürbar falsche Vorhersagen gibt Quanteneffekte . Durch die Entwicklung der Physik, haben Atommodelle eingebunden Quanten Prinzipien besser zu erklären und dieses Verhalten vorherzusagen.

Jedes Atom besteht aus einem Kern und einer oder mehreren Elektronen an den Kern gebunden ist . Der Nukleus ist aus einem oder mehreren Protonen und typischerweise eine ähnliche Anzahl von Neutronen . Protonen und Neutronen genannt Nukleonen . Mehr als 99,94% eines Atom Masse ist im Kern. Die Protonen haben eine positive elektrische Ladung , die Elektronen eine negative elektrische Ladung haben, und die Neutronen haben keine elektrische Ladung. Wenn die Zahl der Protonen und Elektronen gleich ist, ist , dass Atom elektrisch neutral. Wenn ein Atom mehr oder weniger Elektronen als Protonen hat, dann hat es eine insgesamt negative oder positive Ladung, bzw., und es ist ein aufgerufen Ion .

Die Elektronen der Atome werden den Protonen in einem Atomkern durch diese angezogen elektromagnetische Kraft . Die Protonen und Neutronen im Kern sind miteinander durch eine unterschiedliche Kraft angezogen, die Atomkraft , die in der Regel stärker als die elektromagnetische Kraft ist , die positiv geladenen Protonen von einander abstoßen. Unter bestimmten Umständen wird die abstoßende elektromagnetische Kraft stärker als die Kernkraft, und Nukleonen aus dem Nukleus ausgeworfen werden, hinter einem anderen Element verlässt: Kernzerfall resultierenden in Kernumwandlung .

Die Anzahl der Protonen in den Nukleus bildet , was zu chemischen Elements das Atom gehört: beispielsweise alle Kupferatome 29 Protonen enthalten. Die Anzahl der Neutronen definiert das Isotop des Elements. Die Anzahl von Elektronen beeinflusst die magnetischen Eigenschaften eines Atoms. Atome durch zu einem oder mehreren anderen Atomen befestigen chemische Bindungen zu bilden chemische Verbindungen , wie zum Beispiel Moleküle . Die Fähigkeit der Atome ist für die meisten der körperlichen Veränderungen in der Natur beobachtet und ist Gegenstand der Disziplin zuständig zu assoziieren und dissoziieren Chemie .

Die Geschichte der Atomtheorie

Atome in der Philosophie

Die Idee , die von diskreten Einheiten besteht aus Materie ist eine sehr alte Idee, in vielen alten Kulturen wie Griechenland und Indien erscheinen. Das Wort "Atom" ( griechisch : ἄτομος ; atomos ), was bedeutet , "uncuttable", durch die geprägt wurde altgriechischen Philosophen Leukippos und sein Schüler Demokrit ( c. 460 - c. 370 vor Christus). Demokrit beigebracht , dass Atomen in Zahl unendliche waren, uncreated und das ewige, und dass die Eigenschaften eines Objekts ergeben sich aus der Art von Atomen , die sie zusammensetzen . Demokrits Atomismus wurde verfeinert und ausgearbeitet durch den späteren Philosophen Epikur (341-270 vu Z.). Während der frühen Mittelalter wurde Atomismus meist in Westeuropa vergessen, aber bei einigen Gruppen der islamischen Philosophen überlebten. In Westeuropa durch Verweise auf sie in den neu entdeckte Schriften während des zwölften Jahrhunderts wurde Atomismus wieder bekannt Aristoteles .

Im vierzehnten Jahrhundert, die Wiederentdeckung der Hauptwerke beschreibt atomistische Lehre, einschließlich Lukrez ‚s De rerum natura und Diogenes Laërtius ‘ s Leben und Meinungen berühmter Philosophen , führte zu einem erhöhten wissenschaftlicher Aufmerksamkeit auf dem Thema. Dennoch weil Atomismus mit der Philosophie verbunden war Epicureanism , die orthodoxe christliche Lehre widerspricht, der Glaube an Stoff war nicht akzeptabel. Der Französisch - katholische Priester Pierre Gassendi (1592-1655) wiederbelebt Epikureischen Atomismus mit Modifikationen argumentieren, dass Atome von Gott und erstellt wurden, wenn auch äußerst zahlreich, nicht unerschöpflich sind. Gassendis veränderte Theorie von Atomen wurde in Frankreich durch den Arzt popularisiert François Bernier (1620-1688) und in England von dem Naturforscher Walter Charleton (1619-1707). Der Chemiker Robert Boyle (1627-1691) und der Physiker Isaac Newton (1642-1727) sowohl verteidigt Atomismus und bis zum Ende des siebzehnten Jahrhunderts hatte es von Teilen der wissenschaftlichen Gemeinschaft akzeptiert.

Erste evidenzbasierte Theorie

Verschiedene Atome und Moleküle wie in dargestellt John Dalton ist ein neues System der chemischen Philosophie (1808).

In den frühen 1800er Jahren, John Dalton verwendet , um das Konzept von Atomen zu erklären , warum Elemente stets in Verhältnissen kleiner ganzer Zahlen (die reagieren Gesetz der multiplen Proportionen ). Zum Beispiel gibt es zwei Arten von Zinn - Oxid : Die eine ist 88,1% Zinn und 11,9% Sauerstoff und die anderen 78,7% Zinn und 21,3% Sauerstoff ( Zinn (II) -oxid und Zinndioxid respectively). Das bedeutet , dass 100 g Dose kombiniert entweder mit 13,5 g oder 27 g Sauerstoff. 13.5 und 27 bilden ein Verhältnis von 1: 2, ein Verhältnis von kleinen Ganzzahlen. Dieses gemeinsame Muster in der Chemie zu Dalton vorgeschlagen , dass die Elemente eines Vielfach von diskreten Einheiten reagieren - in anderen Worten, Atomen. Im Fall von Zinn - Oxide, wird ein Zinnatom mit kombiniert eine oder zwei Sauerstoffatomen.

Dalton auch geglaubt , atomistische Theorie könnte erklären , warum Wasser unterschiedliche Gas in unterschiedlichen Anteilen absorbiert. Zum Beispiel fand er , dass Wasser absorbiert Kohlendioxid weit besser , als es absorbiert Stickstoff . Dalton Hypothese aufgestellt , dies auf die Unterschiede zwischen der Masse fällig war und Konfigurationen der jeweiligen Teilchen Gase und Kohlendioxid - Molekül (CO 2 ) ist schwerer und größer als Stickstoffmolekül (N 2 ).

Brownsche Bewegung

Im Jahr 1827, Botaniker Robert Brown verwendet , um ein Mikroskop bei Staubteilchen in Wasser schweben zu sehen und entdeckte , dass sie etwa erratisch bewegten, ein Phänomen , das als „bekannt wurde , Brownsche Bewegung “. Dies wurde vermutlich durch Wassermoleküle verursacht klopfen die Körner zu. Im Jahr 1905, Albert Einstein bewies die Realität dieser Moleküle und ihre Bewegungen durch die erste Herstellung der statistischen Physik Analyse der Brownschen Bewegung . Französisch Physiker Jean Perrin verwendet Einstein die Arbeit experimentell die Masse und Abmessungen von Atomen zu bestimmen, dadurch schlüssig Überprüfung Daltons Atomtheorie .

Entdeckung des Elektrons

Der Geiger-Marsden Experiment
Top: Erwartete Ergebnisse: Alphateilchen durch den Pudding Atommodell mit vernachlässigbarer Ablenkung pflaumen vorbei.
Unten: Beobachtete Ergebnisse: ein kleiner Anteil der Teilchen durch die konzentrierte positive Ladung des Kerns abgelenkt wurde.

Der Physiker JJ Thomson maßen die Masse von Kathodenstrahlen , zeigt sie von Partikeln hergestellt wurden, waren aber um 1800 mal heller als das leichteste Atom Wasserstoff . Aus diesem Grund waren sie nicht Atome, sondern ein neues Teilchen, die erste subatomare Teilchen zu entdecken, die er ursprünglich „genannt Körperchen “, wurde aber später den Namen Elektron , nachdem sie von postulierten Teilchen George Johnstone Stoney im Jahr 1874 auch er zeigte sie identisch waren Teilchen , die durch abgegebene photoelektrische und radioaktive Stoffe. Es wurde schnell erkannt , daß sie die Teilchen , die Durchführung von elektrischen Strömen in den Metalldrähten und die negative elektrische Ladung innerhalb Atomen tragen. Thomson wurde den 1906 gegeben Nobelpreis für Physik für diese Arbeit. Somit umgeworfen er die Überzeugung , dass die Atome unteilbar, entscheidend Teilchen der Materie sind. Thomson auch postulierte falsch , dass die geringe Masse, negativ geladene Elektronen in der gesamten Atom in einheitlichem Meer positiven Ladung verteilt wurden. Dies wurde bekannt als das Plumpudding - Modell .

Auffindung des Nukleus

1909, Hans Geiger und Ernest Marsden , unter der Leitung von Ernest Rutherford beschossen, eine Metallfolie mit Alphateilchen zu beobachten , wie sie zerstreut. Sie erwarteten , dass alle Alphateilchen Durchgangsform mit wenig Ablenkung weitergeben, weil Thomsons Modell sagte , dass die Ladungen im Atom sind so diffus , dass ihre elektrischen Felder nicht die Alphateilchen viel beeinflussen können. Jedoch Geiger und Marsden getupft Alphateilchen von Winkeln größer als 90 ° umgelenkt werden, die angeblich nach Thomson Modell unmöglich. Um dies zu erklären, schlug Rutherford , dass die positive Ladung des Atoms in einem winzigen Kern in der Mitte des Atoms konzentriert.

Entdeckung von Isotopen

Während mit den Produkten des Experimentierens radioaktiven Zerfalls , im Jahre 1913 Radiochemiker Frederick Soddy entdeckte , dass es an jeder Position auf dem mehr als eine Art von Atom zu sein schien periodischen Systems . Der Begriff Isotop wurde durch geprägte Margaret Todd als passenden Namen für unterschiedliche Atome, die auf dem gleichen Element angehören. JJ Thomson erstellt eine Technik für die Isotopentrennung durch seine Arbeit an ionisierten Gasen , die anschließend zur Entdeckung führten stabilen Isotope .

Bohr-Modell

Das Bohr-Modell des Atoms, mit einer elektron instantaneous „Quantensprünge“ von einer Umlaufbahn in einem anderen. Dieses Modell ist obsolet.

Im Jahr 1913 die Physiker Niels Bohr vorgeschlagen , ein Modell , in dem die Elektronen eines Atoms angenommen wurden die Nucleus umkreisen , sondern nur so in einer endlichen Menge von Umlaufbahn tun könnten, und zwischen diesen Umlaufbahnen nur in diskreten Änderungen der Energie entsprechend Absorptions springen könnten oder Strahlung eines Photons. Diese Quantisierung wurde verwendet , um zu erklären , warum die Elektronen Orbits stabil sind (vorausgesetzt , dass normalerweise, Belastungen bei der Beschleunigung, einschließlich kreisförmiger Bewegung, kinetische Energie verlieren , die als elektromagnetische Strahlung ausgesendet wird, siehe Synchrotronstrahlung ) und warum Elemente absorbieren und emittieren elektromagnetische Strahlung in diskreten Spektren .

Später im selben Jahr Henry Moseley stellte zusätzlichen experimentellen Beweis für Niels Bohrs Theorie . Diese Ergebnisse raffiniert Ernest Rutherford ‚s und Antonius Van den Broek ‘ s - Modell, das vorgeschlagen , dass das Atom in seinem enthält Nukleus eine Reihe von positiven Kernladungen , die zu seiner (atomic) Zahl in der periodischen Tabelle entspricht. Bis diesen Experimenten Ordnungszahl wurde keine physische und experimentelle Menge bekannt sein. Dass es auf die atomare Kernladung bleibt das akzeptiert Atommodell heute entspricht.

Chemical Bonding erklärt

Chemische Bindungen zwischen Atomen wurden nun erklärt, die von Gilbert Newton Lewis 1916, da die Wechselwirkungen zwischen ihren konstituierenden Elektronen. Da die chemischen Eigenschaften der Elemente bekannt waren zum größten Teil selbst wiederholen nach dem periodischen Gesetz , im Jahr 1919 der amerikanische Chemiker Irving Langmuir vorgeschlagen , dass diese in einem Atom , wenn die Elektronen erklärt werden können , wurden in irgendeiner Weise verbunden oder gebündelt. Gruppen von Elektronen wurden eine Reihe von besetzen dachte Elektronenhülle um den Kern.

Weitere Entwicklungen in der Quantenphysik

Das Stern-Gerlach - Experiment von 1922 zur Verfügung gestellt weiteren Beweises für die Quantennatur der atomaren Eigenschaften. Wenn ein Strahl von Silberatomen durch ein speziell geformtes Magnetfeld geführt worden war, wurde der Träger in einer Weise spalten mit der Richtung eines Atoms des Drehimpulses korrelierte oder Spin . Da diese Spinrichtung zunächst zufällig ist, würde der Strahl in einer beliebigen Richtung abzulenken erwartet hat. Stattdessen wurde der Strahl in zwei Richtungskomponenten aufteilen, um den atomaren entsprechender Spin orientierte nach oben oder unten in Bezug auf das Magnetfeld.

Im Jahr 1925 Werner Heisen veröffentlichte die erste konsequente mathematische Formulierung der Quantenmechanik ( Matrizenmechanik ). Ein Jahr zuvor, im Jahre 1924, Louis de Broglie vorgeschlagen hätte , dass alle Teilchen in einem Maße wie Wellen verhalten und im Jahre 1926, Erwin Schrödinger verwendet diese Idee ein mathematisches Modell des Atoms (Wellenmechanik) zu entwickeln , die die Elektronen als drei- beschrieben dimensionale Kurven eher als Punktteilchen.

Eine Folge von Wellenformen unter Verwendung von Teilchen zu beschreiben , ist , dass es mathematisch nicht möglich ist , sowohl für die exakten Werte zu erhalten Position und Impuls zu einem bestimmten Zeitpunkt eines Partikels; Dies wurde bekannt als das Unbestimmtheitsprinzip formuliert von Werner Heisenberg im Jahr 1927. In diesem Konzept für eine bestimmte Genauigkeit in eine Position Messung konnte man nur eine Reihe von wahrscheinlichen Werten für Schwung erhalten, und vice versa. Dieses Modell war in der Lage Beobachtungen des atomaren Verhalten zu erklären , dass die bisherigen Modelle konnten nicht, wie gewisse strukturelle und spektralen Muster von Atomen größer ist als Wasserstoff. Somit wurde das Planetenmodell des Atoms zugunsten einem verworfen , die beschrieben Atomorbital um den Kern Zonen , in denen ein bestimmtes Elektron am wahrscheinlichsten einzuhalten.

Entdeckung des Neutrons

Die Entwicklung des Massenspektrometers die Masse der Atome gestattet mit erhöhter Genauigkeit gemessen werden kann. Das Gerät verwendet einen Magneten , den die Flugbahn eines Strahls von Ionen zu biegen, und der Betrag der Ablenkung durch das Verhältnis eines Atoms der Masse zu ihrer Ladung bestimmt. Der Chemiker Francis William Aston verwendet , um dieses Instrument zu zeigen , dass Isotope unterschiedliche Masse hatte. Die Atommasse dieser Isotope durch ganzzahlige Beträge variieren, die so genannte ganze Reihe Regel . Die Erklärung für diese unterschiedlichen Isotopen abgewartet die Entdeckung des Neutrons , ein ungeladenes Teilchen mit einer Masse ähnlich dem Proton , durch den Physiker James Chadwick 1932. Isotopes wurden dann als Elemente mit der gleichen Anzahl von Protonen erklärt, aber eine unterschiedliche Anzahl von Neutronen im Kern.

Fission, Hochenergiephysik und der kondensierten Materie

Im Jahr 1938 der deutschen Chemiker Otto Hahn , ein Student von Rutherford, gerichtet Neutronen auf Uran - Atomen rechnen erhalten Transurane . Stattdessen zeigten seine chemischen Experimente Barium als ein Produkt. Ein Jahr später, Lise Meitner und ihr Neffe Otto Frisch Nachweis erbracht , dass Hahns Ergebnis die erste experimentelle war Kernspaltung . Im Jahr 1944 erhielt den Hahn Nobelpreis in der Chemie. Trotz Hahns Bemühungen wurden die Beiträge von Meitner und Frisch nicht anerkannt.

In den 1950er Jahren die Entwicklung von verbesserten Teilchenbeschleunigern und Teilchendetektoren gestatteten Wissenschaftler die Auswirkungen von Atomen bei hohen Energien zu studieren bewegen. Neutronen und Protonen erwiesen sich als Hadronen oder Zusammensetzungen von kleineren Teilchen , den Quarks . Das Standardmodell der Elementarteilchenphysik wurde entwickelt , dass so weit hat erfolgreich die Eigenschaften des Kerns in Bezug auf diese subatomaren Teilchen und die Kräfte erklärte , die ihre Interaktionen regeln.

Struktur

Subatomare Partikel

Obwohl das Wort Atom ursprünglich eine Korn bezeichnet , die nicht in kleinere Partikel geschnitten werden können, in der modernen wissenschaftlicher Nutzung ist das Atom verschiedenen zusammensetzt subatomaren Teilchen . Die konstituierenden Teilchen eines Atoms sind die Elektronen , die Protonen und Neutronen ; alle drei sind Fermionen . Jedoch sind die Wasserstoff-1 haben keine Neutronen Atome und das Hydron Ion hat keine Elektronen.

Das Elektron ist bei weitem der kleinste massiven dieser Teilchen bei 9,11 × 10 -31  kg , mit einer negativen elektrischen Ladung und eine Größe , die zu klein ist verfügbare Techniken zu mess verwenden. Es war das leichteste Korn mit einer positiven Ruhemasse gemessen wird , bis die Entdeckung von Neutrinomasse. Unter gewöhnlichen Bedingungen werden Elektronen zu dem positiv geladenen Kern von der Anziehungskraft aus anderen elektrischen Ladungen erstellt gebunden. Wenn ein Atom mehr oder weniger Elektronen als die Ordnungszahl hat, dann wird es jeweils negativ oder positiv als Ganzes berechnet; ein geladenes Atom ein aufgerufen Ion . Elektronen sind seit dem Ende des 19. Jahrhunderts bekannt, vor allem dank JJ Thomson ; siehe Geschichte der subatomaren Physik für weitere Einzelheiten.

Protone hat eine positive Ladung und eine Masse 1.836 - fache des Elektrons, bei 1,6726 × 10 -27  kg . Die Zahl der Protonen in einem Atom seine genannte Ordnungszahl . Ernest Rutherford (1919) beobachtet , dass Stickstoff unter alpha-particle bombardment auswirft , was schien Wasserstoffkerne zu sein. Bis 1920 hatte er angenommen , dass der Wasserstoffkern ein deutliches Korn innerhalb des Atoms ist und sie unter der Bezeichnung Proton .

Neutronen haben keine elektrische Ladung und haben eine freie Masse von 1.839 - fachen der Masse des Elektrons oder 1,6929 × 10 -27  kg , die schwerste der drei konstituierenden Teilchen, aber es kann durch die verringert werden Kernbindungsenergie . Protonen und Neutronen (gemeinsam als bekannt Nukleonenzahl ) weisen vergleichbaren Abmessungen gegenüber der Größenordnung von 2,5 × 10 -15  m -Obwohl die ‚Oberfläche‘ dieser Partikel nicht scharf definiert ist. Das Neutron wurde im Jahr 1932 von dem englischen Physiker entdeckt James Chadwick .

Im Standardmodell der Physik, Elektronen sind wirklich Elementarteilchen ohne innere Struktur. Beide Protonen und Neutronen sind jedoch zusammengesetzte Teilchen zusammensetzt Elementarteilchen genannt Quarks . Es gibt zwei Arten von Quark in - Atomen, die jeweils eine fraktionierte elektrische Ladung. Protonen sind aus zwei bis Quark (jeweils mit Charge + 2 / 3 ) und ein abwärts Quark (mit einer Ladung von - 1 / 3 ). Neutronen besteht aus einem up - Quark und zwei down - Quark. Diese Unterscheidung erklärt die Unterschiede in der Masse und Ladung zwischen den beiden Teilchen.

Der Quark wird durch die gehaltene starke Wechselwirkung (oder starke Kraft), die durch vermittelt wird Gluonen . Die Protonen und Neutronen, die wiederum in der Nucleus zueinander durch die gehaltenen Kernkraft , die ein Residuum der starken Kraft, die etwas unterschiedliche Entfernungs-Eigenschaften (siehe den Artikel auf der Kernkraft für mehr). Die gluon ist ein Mitglied der Familie von Eichbosonen , die elementaren Teilchen sind , die physischen Kräfte vermittelt.

Kern

Die Bindungsenergie für ein Nukleon benötigt , um den Kern zu entkommen, für verschiedene Isotope

Alle gebunden Protonen und Neutronen in einem Atom machen einen winzigen oben Atomkern und werden zusammenfassend als Nukleonen . Der Radius eines Kernes entspricht ungefähr 1,07  3A  fm , wobei A die Anzahl Nukleonenzahl ist. Dies ist wesentlich kleiner als der Radius des Atoms, das in der Größenordnung von 10 5  fm. Die Nukleonen sind miteinander verbunden durch ein kurzreichweitig attraktives Potenzial der angerufene Rest starke Kraft . Bei Entfernungen von weniger als 2,5 fm diese Kraft ist viel mächtiger als die elektrostatische Kraft , die Protonen positiv aufgeladen verursacht einander abzustoßen.

Atome des gleichen Elements haben die gleiche Anzahl von Protonen, die genannten Ordnungszahl . Innerhalb eines einzigen Elements, kann die Anzahl der Neutronen variieren, die Bestimmung der Isotopen dieses Elements. Die Gesamtzahl der Protonen und Neutronen bestimmen die Nuklid . Die Anzahl der Neutronen im Vergleich zu den Protonen bestimmt die Stabilität des Kernes, mit bestimmten Isotopen unterliegen radioaktiven Zerfall .

Das Proton, das Elektron und das Neutron als eingestuft Fermionen . Fermionen gehorcht das Pauli-Prinzip , das verbietet gleiche Fermionen, wie mehrere Protonen, aus dem gleichen Quantenzustand gleichzeitig besetzen. Somit muss jedes Proton im Kern ein Quantenzustand unterscheidet sich von allen anderen Protonen in Anspruch nehmen, und das gleiche gilt für alle Neutronen des Kernes und auf alle Elektronen der Elektronenwolke.

Ein Kern, die eine unterschiedliche Anzahl von Protonen als Neutronen besitzt, kann durch einen radioaktiven Zerfall in einen niedrigen Energiezustand fällt möglicherweise, dass die Anzahl der Protonen und Neutronen führt zu mehr eng passen. Als Ergebnis sind Atomen mit zusammenpassenden Anzahl von Protonen und Neutronen beständiger gegen Fäulnis. Doch mit steigender Ordnungszahl, die gegenseitige Abstoßung der Protonen erfordert einen zunehmenden Anteil von Neutronen, die Stabilität des Kerns zu erhalten, die leicht, diesen Trend zu gleichen Teilen aus Protonen zu Neutronen ändert.

Illustration eines Kernfusionsprozess, der eine Deuteriumkern bildet, bestehend aus einem Proton und einem Neutron aus zwei Protonen. Ein Positron (e + ) -an Antimaterie elektronen wird zusammen mit einem Elektron emittiert neutrino .

Die Anzahl der Protonen und Neutronen im Atomkern kann geändert werden, auch wenn dies sehr hohe Energien erfordern , kann wegen der starken Kraft. Kernfusions tritt auf, wenn mehrere atomaren Teilchen verbinden , um eine schwerere Nukleus zu bilden, wie durch die energische Kollision von zwei Kernen. Zum Beispiel, im Kern der Sonne Protonen erfordern Energie von 3-10 keV , um ihre gegenseitigen Abstossung-überwinden die Coulomb - Barriere -und Sicherung gemeinsam in einen einzelnen Kern. Kernspaltung ist der umgekehrte Vorgang, wodurch ein Kern in zwei kleinere Kerne-Regel spalten durch radioaktiven Zerfall. Der Kern kann auch durch energiereiche subatomare Teilchen oder Photonen durch Beschuß verändert werden. Wenn dies die Anzahl der Protonen im Kern ändert, ändert sich das Atom in einen anderen chemischen Elements.

Wenn die Masse des Kerns nach einer Fusionsreaktion geringer ist als die Summe der Massen des einzelnen Partikels ist, dann ist die Differenz zwischen diesen beiden Werten kann als eine Art von nutzbarer Energie ausgesendet wird (wie beispielsweise ein Gammastrahlen oder die kinetische Energie eine Betateilchen ), wie sie beschrieben Albert Einstein ‚s Masse-Energie - Äquivalenz Formel, E  =  mc 2 , wobei m die Masse Verlust und c ist die Lichtgeschwindigkeit . Dieses Defizit ist Teil der Bindungsenergie des neuen Kerns, und es ist der nicht wiederherstellbaren Verlust der Energie , die die verschmolzenen Partikel bleiben zusammen in einem Zustand bewirkt, der diese Energie zur Trennung erfordert.

Die Verschmelzung von zwei Kernen , die größeren Kern mit niedrigeren Ordnungszahlen als erzeugen Eisen und Nickel -a insgesamt Nukleon - Zahl von etwa 60 ist in der Regel ein exothermer Prozess , der mehr Energie freisetzt als sie erforderlich ist, zusammen zu bringen. Es ist diese Energie freisetzenden Prozess, der Kernfusion in macht Sterne eine sich selbst erhaltende Reaktion. Für schwerere Kerne, die Bindungsenergie pro Nukleon beginnt in den Nucleus zu verringern. Die heisst Prozesse Fusions Kerne erzeugen , die haben Ordnungszahl von mehr als etwa 26 und Atomgewichte von mehr als etwa 60, ist ein endothermer Vorgang . Diese massivere Kerne können keine Energie erzeugenden Fusionsreaktion zu unterziehen, die das aushalten kann das hydrostatische Gleichgewicht eines Sternes.

Elektronen Wolke

Eine Potentialtopf, darstellen, gemäß der klassischen Mechanik , die minimale Energie V ( x ) benötigt , um jede Position zu erreichen x . Klassisch, ein Teilchen mit der Energie E wird auf einen Bereich von Positionen zwischen beschränkten x 1 und x 2 .

Die Elektronen in einem Atom sind mit den Protonen im Kern durch die angezogene elektromagnetische Kraft . Diese Bindungswirkung für die Elektronen in einem elektrostatischen Potentialtopf mit dem kleineren Kern umgibt, das heisst , dass eine externe Energiequelle benötigt wird , für die Elektronen zu entkommen. Je näher ein Elektron an den Kern, desto größer ist die Anziehungskraft. Daher Elektronen in der Nähe der Mitte des Potentialtopf gebunden benötigen mehr Energie als jene , bei größeren Trennungen zu entkommen.

Elektronen, wie auch andere Teilchen, weisen Eigenschaften sowohl eines Partikels und einer Welle . Die Elektronenwolke ist ein Bereich innerhalb der Potentialsenke , wobei jedes Elektron eine Art dreidimensionaler bildet stehenden Welle -a Wellenform , die sich nicht relativ zu dem Kern bewegt. Dieses Verhalten wird durch eine definierte Atomorbital , eine mathematische Funktion, die die Wahrscheinlichkeit charakterisiert , daß ein Elektron an einem bestimmten Ort zu sein , wird angezeigt , wenn seine Position gemessen wird. Nur ein diskreter (oder quantisiertes ) Satz von diesen Orbitalen vorhanden um den Kern, wie auch andere mögliche Muster Wellen rasch eine stabileren Form Zerfall in. Orbitale können ein oder mehrere Ringknoten oder Strukturen haben und in Größe, Form und Orientierung von einander unterscheiden.

Wellenfunktionen der ersten fünf Atomorbitale. Die drei 2p - Orbitalen jeden Display einen einzigen Dreh Knoten , die eine Orientierung und ein Minimum in der Mitte hat.
Wie werden die Atome aus Elektronen-Orbitale und Link zum periodischen System konstruiert.

Jedes Atomorbital entspricht ein bestimmtes Energieniveau des Elektrons. Das Elektron kann seinen Zustand auf ein höheres Energieniveau ändern , indem ein absorbierendes Photon mit genügend Energie in den neuen Quantenzustand zu steigern. Ebenso durch spontane Emission , ein Elektron in einen höheren Energiezustand auf einen niedrigeren Energiezustand fallen , während die überschüssige Energie als Photonen ausstrahlt. Diese charakteristischen Energie - Werte, die durch die Unterschiede in den Energien der Quantenzustände, sind verantwortlich für die Atom Spektrallinien .

Die Menge an Energie benötigt , zu entfernen oder eine elektron der Add Elektronenbindungsenergie -ist weit weniger als die Bindungsenergie der Nukleonen . Zum Beispiel erfordert es nur 13,6 eV ein abzustreifen Grundzustands- Elektron aus einem Wasserstoffatom, im Vergleich auf 2,23  Mio. eV für eine Aufspaltung Deuterium Nukleus. Atome sind elektrisch neutral , wenn sie eine gleiche Anzahl von Protonen und Elektronen. Atome , die entweder einen Mangel oder einen Überschuss von Elektronen werden als Ionen . Elektronen , die am weitesten von der Nukleus sind , können auf andere in der Nähe Atom oder geteilt zwischen den Atomen übertragen werden. Durch diesen Mechanismus können Atomen verbinden in Moleküle und andere Arten von chemischen Verbindungen , wie ionische und kovalente Netzwerk Kristalle .

Eigenschaften

nukleare Eigenschaften

Durch Definition beliebige zwei Atomen mit einer identischen Anzahl von Protonen in ihren Kernen gehören zu dem gleichen chemischen Elemente . Atome mit gleicher Anzahl von Protonen , aber eine unterschiedliche Anzahl von Neutronen sind verschiedene Isotope des gleichen Elements. Zum Beispiel zugeben , alle Wasserstoffatome genau ein Proton, aber Isotope existieren keine Neutronen ( Wasserstoff-1 , die mit Abstand häufigste Form, auch genannt Protium), ein Neutron ( Deuterium ), zwei Neutronen ( Tritium ) und mehr als zwei Neutronen . Die bekannten Elemente bilden einen Satz von Ordnungszahlen, aus dem einzelnen Proton Elemente Wasserstoff bis zum 118-Proton Elemente oganesson . Alle bekannten Isotopen der Elemente mit den Ordnungszahlen größer als 82 sind radioaktive, obwohl die Radioaktivität des Elements 83 ( Bismut ) ist so gering wie praktisch vernachlässigbar.

Über 339 Nuklide entstehen natürlicherweise auf der Erde , von denen 254 (ca. 75%) nicht zu verfallen beobachtet worden, und werden als „bezeichnen stabiler Isotope “. Jedoch nur 90 dieser Nuklide sind stabil gegenüber allen Zerfall, auch in der Theorie . Ein weiterer 164 (die Gesamtzahl auf 254 zu bringen) nicht dem Verfall beobachtet worden, obwohl in der Theorie es energetisch möglich ist. Diese werden auch als „stable“ offiziell eingestuft. Eine zusätzliche 34 Radionuklide haben Halbwertzeiten mehr als 80 Millionen Jahren und sind langlebig genug gegenwärtig von der Geburt des sein Solar-System . Diese Sammlung von 288 Nuklide sind bekannt als Ur-Nuklide . Schließlich werden zusätzliche 51 kurzlebige Nuklide bekannt natürlich vorkommen, als Tochterprodukte von Ur Nuklid Zerfall (wie Radium aus Uran ), oder als Produkte von natürlichen energetischen Prozessen auf der Erde, wie kosmische Strahlen Bombardement (zum Beispiel Kohlenstoff-14).

80 der chemischen Elemente wenigstens ein stabiles Isotop vorliegt. In der Regel gibt es nur eine Handvoll stabiler Isotope für jedes dieser Elemente, die durchschnittlichen 3,2 stabile Isotope pro Element zu sein. Sechsundzwanzig Elemente haben nur eine einzige stabile Isotop, während die größte Zahl des stabilen Isotope für jedes Element beobachtete zehn ist, für das Element Zinn . Elemente 43 , 61 , und alle Elemente nummerieren 83 oder höher haben keine stabilen Isotope.

Die Stabilität des Isotope wird durch das Verhältnis von Protonen zu Neutronen und auch durch das Vorhandensein von bestimmten „magischen Zahlen“ von Neutronen oder Protonen beeinflusst , die und füllten Quanten Schalen geschlossen darstellen. Diese Quanten Schalen entsprechen einer Reihe von Energieniveaus innerhalb des Schalenmodells des Kernes; gefüllten Schalen, wie beispielsweise die gefüllten Hülle von 50 Protonen für Zinn, verleihen ungewöhnliche Stabilität auf dem Nuklid. Von den 254 bekannt stabile Nuklide, nur vier beides haben , eine ungerade Anzahl von Protonen und ungerade Anzahl von Neutronen: Wasserstoff-2 ( Deuterium ), Lithium-6 , Bor-10 und Stickstoff-14 . Auch nur vier natürlich vorkommenden, radioaktive ungerade-ungerade Nuklide hat eine Halbwertszeit über eine Milliarde Jahre: Kalium-40 , Vanadium-50 , Lanthan-138 und Tantal-180m . Die meisten ungerade-ungerade Kerne sind sehr instabil in Bezug auf Beta - Zerfall , da die Zerfallsprodukte sind gg-und daher stärker gebunden sind, aufgrund Kernpaarungseffekte .

Masse

Die große Mehrheit der Masse eines Atoms stammt von den Protonen und Neutronen, die sie bilden. Die Anzahl dieser Teilchen (als „Nukleonen“) in einem gegebenen Atom der angerufene Massenzahl . Es ist eine positive ganze Zahl und dimensions (statt Dimension der Masse haben), weil es einen Zähler zum Ausdruck bringt. Ein Beispiel für die Verwendung einer Masse - Nummer „Kohlenstoff-12“ , was 12 Nukleonenzahl aufweist (sechs Protonen und sechs Neutronen).

Die tatsächliche Masse eines Atoms im Ruhezustand wird häufig exprimiert , die unter Verwendung von vereinheitlichten Atommassen (u), die auch als Daltons (Da). Diese Einheit wird als ein Zwölftel der Masse einer freien neutralen Atoms von definierten Kohlenstoff-12 , die etwa 1,66 × 10 -27  kg . Hydrogen-1 (das leichteste Isotop des Wasserstoffs , die mit der geringsten Masse auch das Nuklid ist) hat ein Atomgewicht von 1,007825 u. Der Wert dieser Zahl wird die angerufene Atommasse . Ein gegebenes Atom mit einer Atommasse ungefähr gleiche (innerhalb von 1%) zu seiner Masse Zahl mal die Atommasse - Einheit (zum Beispiel der Masse eines Stickstoffs-14 ist ungefähr 14 u). Allerdings wird diese Zahl nicht exakt eine ganze Zahl ausgenommen im Fall von Kohlenstoff-12 (siehe unten). Das schwerste stabile Atom ist Blei-208, mit einer Masse von 207,976 6521  u .

Da selbst der massive Stoff weit zu hell ist mit direkt zu arbeiten, Chemikern , anstatt die Einheit benutzen Mole . Ein Mol Stoff jedes Element hat immer die gleiche Anzahl von Atomen (etwa 6,022 × 10 23 ). Diese Zahl wurde so gewählt , dass , wenn ein Element mit einer Atommasse von 1 u hat, ein Mol Atom dieses Elements mit einer Masse nahe an ein Gramm besitzt. Wegen der Definition der vereinheitlichten Atommassen , die jeweils Kohlenstoff-12 - Atom mit einer Atommasse von genau 12 u, und so ein Mol Kohlenstoff-12 - Atom wiegt genau 0,012 kg.

Form und Größe

Atomen fehlt eine wohldefinierte äußeren Begrenzung, so sind ihre Abmessungen in der Regel in Form eines beschriebenen Atomradius . Dies ist ein Maß für den Abstand, um welchen die Elektronenwolke aus dem Zellkern erstreckt. Dies setzt jedoch voraus , das Atom ein kugelförmiger Gestalt aufzuweisen, die nur für Atome in Vakuum oder freien Speicherplatz eingehalten wird. Atomradien können aus den Entfernungen zwischen den zwei Kernen abgeleitet werden , wenn die zwei Atome in einem gefügt sind chemische Bindung . Der Radius variiert mit der Position eines Atoms auf atomarer Tabelle, die Art der chemischen Bindung, die Zahl der benachbarten Atome ( Koordinationszahl ) und eine quantenmechanische Eigenschaft bekannt als Spinn . Auf dem periodische System der Elemente, tendiert Atom Größe zu erhöhen , wenn Spalten nach unten bewegen, aber verringern , wenn über die Reihen (links nach rechts) zu bewegen. Folglich ist das kleinste Atom Helium mit einem Radius von 32  pm , während eine der größten ist Cäsium bei 225 pm.

Wenn externe Kräfte unterworfen, wie elektrische Felder , weicht die Form eines Atoms kann von sphärischer Symmetrie . Die Deformierung ist abhängig von der Feldstärke und der Orbitaltyp äußeren Schalenelektronen, wie gezeigt , Gruppe-theoretischen Überlegungen. Asphärische Abweichungen könnten zum Beispiel in eruiert werden Kristalle , in denen große Kristall-elektrischen Feldern auftreten können bei niedrigsymmetrischen Gitterplätzen. Signifikante ellipsoidal Deformationen wurden für Schwefelionen und aufzutreten gezeigten Chalkogen lonen in Pyrit ; -Typ Verbindungen.

Atomaren Dimensionen gibt Tausende von Malen kleiner als die Wellenlängen des Lichts (400-700  nm ) , so dass sie nicht unter Verwendung eines sichtbar optisches Mikroskop . Jedoch können einzelne Atome unter Verwendung eines beobachtet werden Rastertunnelmikroskops . Um die Winzigkeit des Atoms sichtbar zu machen , die Meinung , dass ein typisches menschliches Haar ist etwa 1 Million Kohlenstoffatomen in der Breite. Ein einzelner Tropfen Wasser enthält etwa 2  sextillion ( 2 × 10 21 ) von Atomen Sauerstoff, und die doppelte Anzahl von Wasserstoffatomen. Ein einzelner Karat Diamant mit einer Masse von 2 × 10 -4  kg enthält etwa 10 sextillion (10 22 ) -Atomen von Kohlenstoff . Wenn ein Apfel an die Größe der Erde vergrößert wurden, dann werden die Atome in den Apfel würde etwa die Größe des ursprünglichen Apple sein.

Radioaktiver Zerfall

Dieses Diagramm zeigt die Halbwertszeit (T ½ ) unterschiedlichen Isotope mit Z Protonen und N Neutronen.

Jedes Element hat eine oder mehrere Isotope, die instabilen Kerne aufweisen, die den radioaktiven Zerfall ausgesetzt sind, wodurch die Kernteilchen oder elektromagnetische Strahlung zu emittieren. Die Radioaktivität kann auftreten, wenn der Radius eines Kerns groß ist im Vergleich mit dem Radius der starken Kraft, die über Entfernungen wirkt nur in der Größenordnung von 1 fm.

Die häufigsten Formen des radioaktiven Zerfalls sind:

  • Alpha - Zerfall : Dieser Vorgang veranlaßt wird , wenn der Kern ein Alphateilchen aussendet, die ein Helium - Kern ist , die aus zwei Protonen und zwei Neutronen. Das Ergebnis der Emission ist ein neues Element mit einer niedrigeren Ordnungszahl .
  • Beta - Zerfall (und Elektronen - Einfang ): Diese Prozesse werden durch die geregelte schwache Kraft und ergeben sich aus einer Umwandlung eines Neutrons in ein Proton oder ein Proton in ein Neutron. Die Neutronen zu Protonen - Übergang wird durch die Emission eines Elektrons und eines einher Antineutrino , während Proton Neutron Gangs (außer in Elektroneneinfang) , um die Emission eines führt Positron und einem Neutrino . Die Elektronen oder Positronen - Emissionen sind Beta - Teilchen bezeichnet. Beta - Zerfall entweder erhöht oder verringert die Ordnungszahl des Kernes nach der anderen. Elektroneneinfang ist häufiger als Positronen - Emissions, weil es weniger Energie benötigt. Bei dieser Art von Zerfall wird ein Elektron vom Kern absorbiert, sondern als ein Positron aus dem Zellkern ausgesendet. Ein Neutrino ist immer noch in diesem Vorgang ausgesendet, und ein Proton ändert sich in einer Neutronen-.
  • Gamma - Zerfall : Dieses Verfahren resultiert aus einer Veränderung des Energieniveau des Kernes zu einem niedrigen Zustand, in der Emission von elektromagnetischer Strahlung zur Folge hat . Der angeregte Zustand eines Kernes , die normalerweise in Gamma Emissionsmeßergebnisse tritt im Anschluss an die Abgabe eines Alpha- oder Beta - Teilchen. Somit meist Gamma Zerfall folgt Alpha- oder Beta - Zerfall.

Other seltenere Typen von radioaktivem Zerfall umfassen Ausstoß von Neutronen oder Protonen oder Cluster von Nukleonenzahl von einem Nukleus, oder mehr als ein Beta - Teilchen . Ein analoger von Gamma - Emission der angeregten Kerne Energie in anderer Weise verlieren kann, ist die interne Konvertierung -a Verfahren , das Hochgeschwindigkeits - Elektronen liefert , die nicht Beta - Strahlen sind, gefolgt von der Herstellung von Hochenergiephotonen , die nicht Gamma - Strahlen sind. Einige große Kerne explodieren in zwei oder mehr geladene Fragmente unterschiedlicher Massen plus mehrere Neutronen in einem Zerfall spontan angerufen Kernspaltung .

Jede radioaktive Isotop hat eine charakteristische Abklingzeit perioden die Halbwertzeit -Das durch die Menge an Zeit für die Hälfte eines Musters auf Zerfall benötigt wird bestimmt. Dies ist ein exponentieller Zerfallsprozess, der den Anteil der übrigen Isotop um 50% jede Halbwertszeit kontinuierlich abnimmt. Somit nach zwei Halbwertszeiten haben nur 25% des Isotops geleitet vorhanden ist, und so weiter.

Magnetisches Moment

Elementarteilchen besitzen eine intrinsische Quanten mechanischen Eigenschaften als bekannte Spin . Dies ist analog zu dem Drall eines Objekts , das um seine dreht Mitte der Masse , obwohl streng genommen diese Partikel punktförmige erachtet werden und können nicht gesagt werden , um zu rotieren. Spin wird in Einheiten des reduzierten mess Plancksche Konstante (h), mit Elektronen, Protonen und Neutronen alle mit Spin ½ h oder „Spin-½“. In einem Atom, Elektronen in Bewegung um die Nukleus besitzen Orbitaldrehimpuls neben ihren Spin, während der Kern selbst Drehimpuls aufgrund seiner Kernspin besitzt.

Das magnetische Feld durch einen Atom-its hergestellte magnetischen Moment -ist durch diese verschiedenen Formen des Dralls bestimmt, wie ein rotierendes Objekt aufgeladen klassisch ein Magnetfeld erzeugt. Jedoch kommt der dominante Beitrag von Elektronenspin. Aufgrund der Art der Elektronen , die zu gehorchen Pauli-Prinzip , bei dem keine zwei Elektronen in demselben gefunden werden können Quantenzustand , gebundenen Elektronen miteinander paaren, mit einem Mitglied eines jeden Paares in einem Spinnzustand und die andere in im Gegenteil, Spin - down - Zustand. Daher heben sich diese Spins gegenseitig aus, das gesamte magnetische Dipolmoment Null in einigen Atomen mit einer geraden Anzahl von Elektronen zu reduzieren.

In ferromagnetischen Elemente, wie Eisen, Kobalt und Nickel, führt eine ungerade Zahl von Elektronen zu einem ungepaarten Elektron und einem Netto - Gesamt magnetisches Moment. Die Orbitale von benachbarten Atomen überlappen , und einen niedrigeren Energiezustand ist erreicht, wenn die Spins der ungepaarten Elektronen zueinander ausgerichtet sind, ein spontaner Prozess als bekannte Austauschwechselwirkung . Wenn die magnetischen Momente der ferromagnetischen Atome aufgereiht sind, kann das Material einen meßbaren makroskopischen Feld erzeugen. Paramagnetische Materialien haben Stoff mit magnetischen Momenten , die in zufälligen Richtungen ausgerichtet sind, wenn kein Magnetfeld vorhanden ist, aber die magnetischen Momente der einzelnen Atome Linie in der Anwesenheit eines Feldes up.

Der Kern eines Atoms wird keinen Spin hat , wenn es auch Nummern der beide Neutronen und Protonen, aber für andere Fälle von ungeraden Nummern kann der Nukleus einen Spin hat. Normal Kern mit Spin in zufälligen Richtungen ausgerichtet ist, weil die thermischen Gleichgewicht . Jedoch ist für bestimmte Elemente (wie beispielsweise Xenon-129 ) , ist es möglich , polarisieren , einen signifikanten Anteil der Kernspinzuständen , so dass sie in der gleichen Richtung-Bedingung aufgerufen fluchten Hyperpolarisation . Dies hat wichtige Anwendungen in der Kernspintomographie .

Energie

Diese Elektronenenergieniveaus (nicht maßstabsgerecht) ausreichend sind , um für den Boden Zustände von Atomen von bis zu Cadmium (5S 2 4D 10 ) einschließend. Vergessen Sie nicht , dass auch die oberen Rand des Diagramms ist niedriger als ein ungebundenes Elektronenzustands.

Die potentielle Energie eines Elektron in einem Atom ist negativ , ihre Abhängigkeit von seiner Position , die erreicht Minimum (der Absolutwert ) innerhalb des Zellkernes, und verschwindet , wenn der Abstand vom Kern bis Unendlich geht , etwa in einem umgekehrten Verhältnis zum Abstand . In dem quantenmechanisches Modell kann ein gebundenes Elektron besetzt nur eine Reihe von Staaten auf dem Nucleus zentrierten, und jeder Zustand entspricht ein bestimmtes Energieniveau ; siehe zeitunabhängigen Schrödinger - Gleichung für die theoretische Erklärung. Ein Energieniveau kann durch die messbare Energiemenge benötigt , um unbind das Elektron aus dem Atom, und wird normalerweise in Einheiten von bestimmten Elektronenvolt (eV). Der niedrigste Energiezustand eines gebundenen Elektronen der Grundzustand, dh genannten stationären Zustand , während ein Elektronenübergangs auf ein höheres Niveau resultiert in einem angeregten Zustand. Die Energie der Elektronen erhöht , wenn n zunimmt , weil der (durchschnittlichen) Abstand zum Kern zunimmt. Abhängigkeit der Energie auf l nicht durch verursachten elektrostatischen Potential des Kernes, sondern durch die Wechselwirkung zwischen Elektronen.

Für ein Elektron zu zwischen zwei verschiedenen Zuständen übergeht , geerdeten z Zustand zum ersten angeregten Niveau ( Ionisierung ), müssen sie absorbieren oder emittieren Photonen mit einer Energie der Differenz der potentiellen Energie dieser Ebenen, entsprechend passenden Niels - Bohr - Modell, was kann werden genau durch den berechneten Schrödinger - Gleichung . Elektronen Sprung zwischen Orbitale in einer partikelartigen Weise. Zum Beispiel, wenn ein einzelnes Photon die Elektronen trifft, nur ein einzelnes Elektron ändert Zustände in Reaktion auf das Photon; siehe Electron Eigenschaften .

Die Energie eines emittierten Photon ist proportional zu seiner Frequenz , so dass diese spezifischen Energieniveaus erscheinen als unterschiedliche Banden in dem elektromagnetischen Spektrum . Jedes Element weist ein charakteristisches Spektrum , das auf der Kernladung abhängen kann, Teilschalen durch Elektronen gefüllt, die elektromagnetischen Wechselwirkungen zwischen den Elektronen und anderen Faktoren ab .

Ein Beispiel von Absorptionslinien in einem Spektrum

Wenn ein kontinuierliches Spektrum von Energie durch ein Gas oder Plasma geleitet wird, werden einige der Photonen , die von Atomen absorbiert, wodurch Elektronen , deren Energieniveau zu verändern. Diese angeregten Elektronen , die spontan in ihre Atom gebunden bleiben emittieren diese Energie als ein Photon in einer Zufallsrichtung bewegt, und so fallen zurück auf niedrigere Energieniveaus. Somit verhalten sich die Atome , wie ein Filter, der eine Reihe von dunklen bildet Absorptionsbanden in dem Energieausgang. (Ein Beobachter die Atomen von einem viewing , das nicht das kontinuierliche Spektrum im Hintergrund enthält, sieht stattdessen eine Reihe von Emissionslinien von den Photonen , die von den Atomen ausgesendet.) Spektroskopische Messungen der Stärke und die Breite der atomaren Spektrallinien erlauben der Zusammensetzung und die physikalischen Eigenschaften einer Substanz zu bestimmen.

Eine genaue Untersuchung der Spektrallinien zeigt , dass einige eine Anzeige feine Struktur Spaltung. Dies geschieht , weil der Spin-Bahn - Kopplung , die eine Interaktion zwischen dem Spin und die Bewegung des äußersten Elektrons ist. Wenn ein Atom in einem äußeren Magnetfeld ist, werden Spektrallinien aufgeteilt in drei oder mehr Teile; ein Phänomen , das als der Zeeman - Effekt . Dies wird durch die Wechselwirkung des Magnetfeldes mit dem magnetischen Moment des Atoms und seine Elektronen verursacht. Einige Atome können mehrere haben Elektronenkonfigurationen mit dem gleichen Energieniveau, die auf diese Weise als eine einzige Spektrallinie erscheinen. Die Wechselwirkung des Magnetfeldes mit dem Atom , verschiebt diese Elektronenkonfigurationen zu geringfügig unterschiedlichen Energieniveaus, in mehreren Spektrallinien führt. Das Vorhandensein eines externen elektrischen Feldes durch Modifikation der Elektronenenergieniveaus einen vergleichbaren Aufspaltung und Verschiebung der Spektrallinien bewirken kann, ein so genanntes Phänomen der Stark - Effekts .

Wenn ein gebundenes Elektron in einem angeregten Zustand ist, kann ein Interacting Photon mit der korrekten Energie verursachen stimulierte Emission eines Photon mit einer Anpassungsenergieniveau. Damit dies geschieht, muss das Elektron auf einen niedrigeren Energiezustand fallen, der eine Energiedifferenz Anpassen der Energie der wechselwirkenden Photons aufweist. Das emittierte Photon und das wechselwirkenden Photon dann parallel und mit entsprechenden Phasen losfahren. Das heißt, die Wellenmuster der beiden Photonen synchronisiert. Diese physikalische Eigenschaft wird verwendet , um Laser , die einen kohärenten Strahl von Lichtenergie in einem schmalen Frequenzband emittieren können.

Valence und Bindungsverhalten

Valenz ist die Kombination Leistung eines Elementes. Sie ist gleich Anzahl von Wasserstoffatomen , die in Atom bildenden Verbindungen kombiniert oder verschieben können. Die äußerste Elektronenhülle eines Atoms in seinem ungebundenen Zustand ist bekannt als die Valenzschale , und die Elektronen in dem Schale heißen Valenzelektronen . Die Anzahl der Valenzelektronen bestimmt die Bonding Verhalten mit anderen Atomen. Atome neigen dazu, chemisch reagieren miteinander in einer Weise , die (oder Leergut) ihren äußeren Valenzschalen ausfüllt. Zum Beispiel ist ein Transfer eines Elektrons zwischen Atomen eine brauchbare Näherung für die Bindungen , die zwischen den Atomen mit einem Elektron mehr als ein befüllt - Shell und die andere bilden , die Ein-Elektronen - Kurz einer Vollschale, wie in der Verbindung auftritt , Natriumchlorid und andere chemische ionische Salze. Viele Elemente angezeigt werden jedoch mehrere Valenzen oder Tendenzen in verschiedenen Verbindungen mit unterschiedlichen Anzahlen von Elektronen zu teilen. Somit chemische Bindung dauert zwischen diesen Elementen vielen Formen der Elektronen-sharing , die mehr als einfache Elektronentransfers sind. Beispiele hierfür sind das Element Kohlenstoff und organische Verbindungen .

Die chemischen Elemente werden oft in einer angezeigten periodischen Tabelle , die wiederkehrenden chemische Eigenschaften angezeigt wird angelegt, und Elemente mit der gleichen Anzahl von Valenzelektronen bilden eine Gruppe , die in der gleichen Spalte der Tabelle fluchtet. (Die horizontalen Reihen entsprechen der Füllung eines Quantenschale von Elektronen.) Die Elemente an der rechten Seite der Tabelle weisen ihre äußeren Schale vollständig mit Elektronen gefüllt, die in chemisch inerte Elemente Ergebnisse wie die bekannten Edelgase .

Zustände

Grafik veranschaulicht die Bildung eines Bose-Einstein - Kondensats

Mengen von Atomen in verschiedenen Zuständen der Materie gefunden , die auf den physikalischen Bedingungen abhängen, wie Temperatur und Druck . Durch Variieren der Bedingungen können Stoffe zwischen überFestStoffe , Flüssigkeiten , Gasen und Plasmen . Innerhalb eines Staates kann ein Material auch in unterschiedlichem existiert Allotropen . Ein Beispiel dafür ist , festen Kohlenstoff, die als existieren kann Graphit oder Diamant . Gasförmige Allotropen existiert auch, wie Disauerstoff und Ozon .

Bei Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt , kann Atomen bildet einen Bose-Einstein - Kondensats , an welchem Punkt quantenmechanische Effekte, die normalerweise nur auf atomare Ebene beobachtet wird , in einem makroskopischen Maßstab offensichtlich. Dieser unterkühlte Sammlung von Atomen verhält sich dann als ein einziges Superatom , die grundlegenden Prüfungen der quantenmechanische Verhalten zulassen.

Identifizierung

Raster - Tunnelmikroskops Bild die einzelnen Atome zeigt diese bilden Gold ( 100 ) -Oberfläche. Die Oberfläche Atomen abweichen von der Masse Kristallstruktur und in Spalten mehreren Atomen breit mit Pits dazwischen anordnen (siehe Oberfläche Rekonstruktion ).

Das Rastertunnelmikroskop ist eine Vorrichtung zur Oberflächen auf atomarer Ebene betrachtet. Es nutzt die Quantentunneln Phänomen, wobei die Teilchen durch eine Barriere passieren lässt , die normalerweise unüberwindliche sein würde. Elektronen tunneln durch das Vakuum zwischen zwei ebenen Metallelektroden, auf denen jeweils ein adsorbiertes Atom, eine Tunneling-Stromdichte bereitstellt , die gemessen werden können. Scannen eines Atoms (als Spitze genommen) , während es sich über die anderen (die Probe) ermöglicht Plotten von Spitzenverschiebung im Vergleich seitliche Trennung für einen konstanten Strom. Die Rechnung zeigt , in welchem Maße Scanning-Tunneling-Mikroskop Bilder eines einzelnen Atoms sichtbar sind. Es wird bestätigt , dass für geringe Vorspannung, die mikroskopischen Aufnahmen des Raum gemittelten Abmessungen der Elektronenorbitale in eng gepackten Energieniveaus am Fermi - Niveau lokale Zustandsdichte .

Ein Atom kann ionisiert durch Entfernen eines seiner Elektronen. Die elektrische Ladung bewirkt , daß die Flugbahn eines Atoms biegen , wenn es durch einen gelangt Magnetfeld . Der Radius , mit dem die Bewegungsbahn eines sich bewegenden Ions wird durch das Magnetfeld gedreht wird , durch die Masse des Atoms bestimmt. Die Massenspektrometers verwendet dieses Prinzip zur Messung des Masse-zu-Ladungs - Verhältnis von Ionen. Wenn eine Probe mehrere Isotope enthält, kann das Massenspektrometer durch Messen der Intensität der einzelnen Strahlen von Ionen des Anteils jedes Isotops in der Probe bestimmen. Techniken verdampfen Atome umfassen induktiv gekoppelte Plasma - Atomemissions - Spektroskopie und induktiv gekoppelte Plasma - Massenspektrometrie , die beide ein Plasma verwenden Proben für die Analyse zu verdampfen.

Ein gebiet selektives Verfahren beträgt Elektronenenergieverlust - Spektroskopie , die den Energieverlust eines misst Elektronenstrahls in einem Transmissions - Elektronenmikroskop , wenn es mit einem Teil einer Probe in Wechselwirkung tritt. Die Atom-Sonde Tomograph hat sub-Nanometer - Auflösung in 3-D und kann chemisch einzelne Atom identifizieren Massenspektrometrie unter Verwendung der Zeit-of-flight.

Spektren von angeregten Zustände können die Atommasse von fernen Analyse verwendet werden Sterne . Spezifisches Lichtwellenlängen in das beobachtete Licht von Sternen enthalten ist, kann abgetrennt und auf die quantisierten Transitionen in freien Gasatomen zusammenhängen. Diese Farben können unter Verwendung eines repliziert werden Gasentladungslampe das gleiche Element enthalten. Helium wurde in dieser Art und Weise in dem Spektrum der 23 Jahre Sonne entdeckt , bevor es auf der Erde gefunden wurde.

Herkunft und den aktuellen Status

Atome bilden ungefähr 4% der gesamten Energiedichte der beobachtbaren Universum , mit einer durchschnittlichen Dichte von etwa 0,25 Atom / m 3 . Innerhalb einer Galaxie wie die Milchstraße , weist Stoff eine viel höhere Konzentration, mit der Dichte der Materie im interstellaren Raum (ISM) im Bereich von 10 5 zu 10 9 Atom / m 3 . Die Sonne wird angenommen , dass im Innern der zu Lokalen Blase , eine Region von hoch ionisiertem Gas, so dass die Dichte in der Umgebung der Sonne ist nur etwa 10 3 Atome / m 3 . Sterne entstehen aus dichten Wolken im ISM und die evolutionären Prozesse der Sterne führen im stationären Anreicherung des ISM mit Elementen schwerer als Wasserstoff und Helium. Bis zu 95% der Atome der Milchstraße sind in Sternen konzentriert und die Gesamtmasse von Atomen bildet etwa 10% der Masse der Milchstraße. (Der Rest der Masse ist eine unbekannte dunkle Materie .)

Formation

Elektronen sind vermutlich seit frühen Phasen der im Universum existieren Big Bang . Atomkerne Formen in nucleosynthesis Reaktionen. In etwa drei Minuten Big Bang Nukleosynthese produziert den größten Teil des Helium , Lithium und Deuterium im Universum, und vielleicht einige der Beryllium und Bor .

Allgegenwart und Stabilität von Atomen beruht auf ihre Bindungsenergie , dh ein Atom eine geringere Energie als ein ungebundenes System des Kernes und Elektronen aufweist. Wo die Temperatur viel höher als ist Ionisierungspotential besteht die Materie in der Form von Plasma -a Gas von positiv geladenen Ionen (eventuell, bloßer Kern) und Elektronen. Wenn die Temperatur unter dem Ionisierungspotential fällt, werden Atomen statistisch günstig. Atome (komplett mit gebundenen Elektronen) wurde dominieren aufgeladen Teilchen 380.000 Jahre nach dem Urknall-eine Epoche genannt Rekombination , wenn das expandierende Universum genug gekühlt Elektronen zu erlauben, Kernen gebunden zu werden.

Da der Big Bang, die keine hergestellten Kohlenstoff oder schwerere Elemente , Atomkerne sind in zusammengefasst Sternen durch das Verfahren der Kernfusion erzeugen mehr des Elements Helium und (über den Drei-Alpha-Prozess ) die Abfolge der Elemente aus Kohlenstoff bis zu Eisen ; siehe Sternnucleosynthesis für weitere Einzelheiten.

Isotopen, wie Lithium-6, ebenso wie einige Beryllium und Bor in Raums durch generiert kosmischen Strahls Spallations . Dies geschieht , wenn ein hochenergetischer Proton einen Atomkern trifft, verursacht eine große Zahl von Nukleonen ausgeworfen werden.

Elemente , die schwerer als Eisen wurden in produziert Supernovä durch den r-Prozess und in AGB - Sternen durch den s-Prozess , was beides der Einfang von Neutronen durch Atomkerne umfassen. Elemente wie beispielsweise Blei überwiegend durch den radioaktiven Zerfall von schwereren Elementen ausgebildet.

Erde

Die meisten der Atome, die die Make - up Erde und seine Bewohner waren in ihrer aktuellen Fassung im Nebel , der aus einem kollabierten Molekülwolke das bilden Sonnensystem . Die restliche sind das Ergebnis des radioaktiven Zerfalls, und ihr relativer Anteil verwendet werden kann , die bestimmen Alter der Erde durch radiometrische Datierung . Der größte Teil des Heliums in der Kruste der Erde (etwa 99% des Helium aus Gasbohrungen, wie durch seine geringere Fülle gezeigt Helium-3 ) ist ein Produkt von Alpha - Zerfall .

Es gibt ein paar Spuren Atom auf der Erde, die am Anfang nicht vorhanden waren (dh nicht „Ur“), noch sind die Ergebnisse des radioaktiven Zerfalls. Kohlenstoff-14 wird durch kosmische Strahlung in der Atmosphäre kontinuierlich erzeugt. Einige Atome auf der Erde wurden entweder künstlich erzeugten absichtlich oder als Nebenprodukte von Kernreaktoren oder Explosionen. Von den Transurane -Diejenigen mit den Ordnungszahlen größer als 92-only Plutonium und Neptunium kommen natürlicherweise auf der Erde. Transuranischen Elemente radioaktives Lebensdauern kürzer ist als die aktuelle Zeit der Erde und daher identifizierbare Mengen dieser Elemente sind längst abgeklungen ist , mit Ausnahme von Spuren von Plutonium-244 möglicherweise durch kosmischen Staub abgeschieden. Natürliche Vorkommen von Plutonium und Neptunium werden durch produziert Neutroneneinfang in Uranerz.

Die Erde enthält etwa 1.33 × 10 50 Atomen. Obwohl eine kleine Anzahl von unabhängigen Atomen von Edelgasen vorhanden ist , wie zum Beispiel Argon , Neon und Helium , 99% der Luft wird in Form von Molekülen gebunden ist , einschließlich Kohlendioxid und zweiatomigen Sauerstoff und Stickstoff . An der Oberfläche der Erde, kombiniert eine überwältigende Mehrheit von Atomen verschiedene Verbindungen zu formen, inklusive Wasser , Salz , Silikaten und Oxiden . Atome können kombinieren , um auch Materialien zu erzeugen , die von einzelnen Molekülen bestehen nicht, inklusive Kristalle und flüssigen oder festen Metalle . Diese atomare Materie bildet vernetzte Regelungen, die bestimmte Art von kleinräumigen Ordnung fehlt Unterbrechung mit molekularer Materie verbunden.

Seltene und theoretische Formen

superschwerer Elemente

Während die Isotope mit den Ordnungszahlen höher als Führung (82) radioaktiven werden , sind bekannt, eine „ Insel der Stabilität hat“ wurde für einige Elemente mit den Ordnungszahlen oberhalb 103. Diese vorgeschlagenen superschweren Elemente einen Nukleus kann , die relativ stabil gegenüber radioaktiven Zerfalls ist. Der wahrscheinlichste Kandidat für ein stabiles superschwerer Atom, unbihexium , hat 126 Protonen und 184 Neutronen.

exotische Materie

Jedes Teilchen der Materie hat einen entsprechende Antimaterie Partikel mit der entgegengesetzten elektrischen Ladung. Somit kann die Positronen ist ein positiv geladenes Antielektron und die Antiprotonen ein negativ geladenes Äquivalent eines Protons . Wenn eine Substanz und entsprechende Antimaterie Partikel gerecht zu werden , vernichten sie sich. Wegen dieser zusammen mit einem Ungleichgewicht zwischen der Anzahl von Materie und Antimaterie Teilchen sind diese selten im Universum. Die ersten Ursachen dieses Ungleichgewicht sind noch nicht vollständig verstanden, obwohl Theorien Baryogenese eine Erklärung anbieten. Als Ergebnis werden keine Antimaterie - Atomen in der Natur entdeckt. 1996 jedoch das Antimaterie Gegenstück des Wasserstoffatoms ( Antiwasserstoff ) wurde bei dem synthetisierten CERN Labor in Genf .

Andere exotische Atomen wurden durch das Ersetzen eines der Protonen, Neutronen oder Elektronen mit anderen Teilchen geschaffen, die die gleiche Ladung haben. Zum Beispiel kann ein Elektron durch einen massiveren ersetzt werden Myon , ein Formungs myonischen Atom . Diese Arten von Atomen können die grundlegenden Vorhersagen der Physik zu testen.

Siehe auch

Anmerkungen

Verweise

Quellen

Weiterführende Literatur

Externe Links