Die Entdeckung des Atomkerns

Die Entdeckung des Atomkerns Übung

• Benenne die Teilchen, aus denen ein Atom besteht.

  Tipps

  Der Oberbegriff für Neutronen und Protonen ist „Nukleonen“.

  Protonen sind positiv geladen.

  Elektronen sind negativ geladen.

  Lösung

  Atome sind die Bausteine, aus denen alle Stoffe bestehen. Atome selbst setzen sich jedoch aus noch viel kleineren Teilchen zusammen, die in einer ganz bestimmten Ordnung vorliegen und sich mit chemischen Methoden nicht weiter zerlegen lassen: Protonen, Neutronen und Elektronen.

  Ein Atom besteht aus der fast masselosen Atomhülle und dem massereichen Atomkern:

  Protonen sind positiv geladene Teilchen und befinden sich ganz dicht gepackt im Atomkern, gemeinsam mit den Neutronen. Diese haben keine Ladung und sind daher neutral. Man kann die beiden Teilchen zu Nukleonen zusammenfassen.

  Elektronen sind negativ geladene Teilchen. Die Elektronen bewegen sich auf Kreisbahnen in der Atomhülle rund um den Atomkern.

• Fasse die Beobachtungen des Streuversuchs zur Entdeckung des Atomkerns zusammen.

  Tipps

  Schaue dir das Bild oben an, um zu erkennen, wo die meisten Blitze zu sehen sind.

  Hier siehst du die stark abgelenkten Alphateilchen.

  Atome bestehen größtenteils aus leerem Raum.

  Lösung

  Hans Geiger, Ernest Marsden und Ernest Rutherford experimentierten in Manchester zwischen 1908 und 1913 mit Alphateilchen. Diese hatte Rutherford erforscht und 1898 als Bestandteil der radioaktiven Strahlung identifiziert. Er wusste, dass sie positiv geladen sind und schwerer als die damals schon entdeckten negativen Elektronen.

  Bei ihren Experimenten verwendeten die Forscher unter anderem diesen Aufbau mit einer Goldfolie, die nur circa $1\,000$ Atomschichten dick war – das sind etwa $0,\!0004$ Millimeter.

  Auf dem kreisförmigen Schirm erschienen überall dort Blitze, wo ein Alphateilchen nach dem Durchgang durch die Goldfolie auftraf. Folgende Beobachtungen machten sie während des Streuversuchs:

  Die meisten Alphateilchen flogen geradeaus durch die Goldfolie.
  $\Rightarrow$ Das liegt daran, dass Atome größtenteils aus leerem Raum bestehen und die Alphateilchen größtenteils ungestört zwischen den Atomen hindurchfliegen, da die positiv geladenen Kerne der Goldatome im Vergleich zu den Alphateilchen sehr klein und zentral lokalisiert sind.

  Einige der Teilchen wurden leicht abgelenkt.
  $\Rightarrow$ Hier interagierten die positiv geladenen Alphateilchen mit den ebenfalls positiv geladenen Atomkernen. Die elektrostatische Abstoßung zwischen den positiv geladenen Teilchen führte zu einer Ablenkung der Alphateilchen, wenn sie sich den Kernen näherten.

  Sehr wenige Alphateilchen wurden stark abgelenkt, manche sogar fast zurückgeworfen.
  $\Rightarrow$ Diese extremen Ablenkungen können auf direkte Kollisionen der Alphateilchen mit den winzigen, aber massereichen Atomkernen zurückgeführt werden. Wenn die Alphateilchen nahe genug an den Kernen vorbeiflogen, dann erlebten sie eine starke elektrostatische Abstoßung, die zu einer starken Ablenkung oder sogar zu einer Rückstoßbewegung führte.

• Arbeite die Schlussfolgerungen des Streuversuchs heraus.

  Tipps

  Ein Größenvergleich:

  Stelle dir ein Fußballfeld vor: Wenn es die Atomhülle darstellt, dann wäre der Atomkern nur so groß wie ein Stecknadelkopf.

  Hier siehst du den Aufbau eines Atoms.

  Elektronen sind negativ geladen.

  Lösung

  Ein Atom besteht im Allgemeinen aus einem Atomkern und einer Atomhülle.

  
  

  Atomkern:

  • In ihm befindet sich aber fast die gesamte Masse des Atoms.
  • Trotzdem ist er sehr winzig und nimmt daher nur sehr wenig Raum ein.
  • Er besteht aus den positiv geladenen Protonen sowie den neutralen Neutronen. Diese Teilchen fasst man zu Nukleonen zusammen.
  • Der Atomkern ist positiv geladen.

  Atomhülle:

  • In ihr bewegen sich die negativ geladenen Elektronen.
  • Daher ist die Atomhülle insgesamt negativ geladen.
  • Sie ist beinah masselos und wiegt also im Vergleich zum Atomkern nahezu nichts.
  • Allerdings ist sie um ein Vielfaches größer als der Kern und nimmt fast den gesamten Raum des Atoms eins.

• Erläutere den Aufbau des Periodensystems genauer.

  Tipps

  Der Atomkern nimmt fast die gesamte Masse des Atoms ein.

  Wenn ein Atom ungeladen, also neutral ist, dann besitzt es gleich viele Elektronen wie Protonen.

  Im Atomkern befinden sich Protonen und Neutronen.

  Lösung

  Das Periodensystem der Elemente ist nicht einfach eine wahllose Tabelle mit zufällig ausgewählten Elementen, sondern nach einem bestimmten Prinzip aufgebaut:

  Die Elemente im Periodensystem sind nach der Ordnungszahl von links oben nach rechts unten geordnet.

  Bei einem neutralen Atom entspricht die Anzahl der Elektronen in der Hülle der Protonenzahl $\boldsymbol{Z}$. Man nennt diese auch Ordnungszahl oder Kernladungszahl.

  Da sich die Masse des Atoms vor allem aus der Masse der beteiligten Protonen und Neutronen zusammensetzt, heißt die Summe der Teilchen Massenzahl.

• Gib an, was den Großteil der Masse eines Atoms ausmacht.

  Tipps

  Der Atomkern macht fast die gesamte Masse eines Atoms aus.

  Im Atomkern befinden sich die Protonen und Neutronen.

  Lösung

  Ein Atom besteht aus der fast masselosen Atomhülle und dem massereichen Atomkern. Daher sind folgende Aussagen falsch beziehungsweise richtig:

  • Elektronen in der Atomhülle $\Rightarrow$ Diese Antwort ist falsch.
  • Neutronen im Atomkern $\Rightarrow$ Diese Antwort ist richtig.
  • positiv geladene Teilchen in der Atomhülle $\Rightarrow$ Diese Antwort ist falsch.
  • positiv geladener Atomkern $\Rightarrow$ Diese Antwort ist richtig.

  Das Atom besteht zum allergrößten Teil aus nichts und einem kleinen, schweren und positiv geladenen Ding in der Mitte: dem Atomkern.

• Beurteile ein neutrales Bleiatom anhand der Kachel im Periodensystem.

  Tipps

  Vier Merkmale sind zutreffend.

  Bei einem neutralen Atom entspricht die Anzahl der Elektronen in der Hülle der Protonenzahl.

  Die Massenzahl ist die Summe der Protonen und Neutronen.

  Lösung

  Anhand der Kachel im Periodensystem der Elemente können wir so einiges über ein Atom eines Elements erfahren:

  1. Bei einem neutralen Atom gibt die Ordnungszahl (oder Kernladungszahl) die Anzahl der Elektronen beziehungsweise Protonen an.
  $\Rightarrow$ Ein neutrales Bleiatom hat die Ordnungszahl 82. Das bedeutet, dass es sowohl 82 Protonen als auch 82 Elektronen vorweist.

  2. Da sich die Masse des Atoms vor allem aus der Masse der beteiligten Protonen und Neutronen zusammensetzt, heißt die Summe der Teilchen Massenzahl. Diese fasst die Anzahl der Nukleonen zusammen.
  $\Rightarrow$ Die Massenzahl im neutralen Bleiatom beträgt 207. Somit verfügt es über 207 Nukleonen.

  3. Außerdem können wir mit der Massenzahl die Anzahl der Neutronen herausfinden, indem wir Massenzahl $\boldsymbol{–}$ Ordnungszahl rechnen.
  $\Rightarrow$ Die Massenzahl beträgt 207. Da wir bereits wissen, dass das Bleiatom 82 Protonen besitzt, berechnen wir, dass es 125 Neutronen haben muss.