Seit jeher versuchen die Menschen zu verstehen, woraus das Universum und alles in ihm besteht. Und während alte Magier und Philosophen in der Antike eine Welt vorstellten, die aus vier oder fünf Elementen bestand - Erde, Luft, Wasser, Feuer (und Metall oder Bewusstsein) -, begannen die Philosophen zu theoretisieren, dass alle Materie tatsächlich aus winzigen Elementen bestand. unsichtbare und unteilbare Atome.
Seit dieser Zeit haben Wissenschaftler einen Prozess der ständigen Entdeckung des Atoms durchgeführt, in der Hoffnung, seine wahre Natur und Zusammensetzung zu entdecken. Im 20. Jahrhundert wurde unser Verständnis so verfeinert, dass wir ein genaues Modell davon erstellen konnten. Und innerhalb des letzten Jahrzehnts ist unser Verständnis noch weiter fortgeschritten, bis wir die Existenz fast aller seiner theoretisierten Teile bestätigen.
Die Atomforschung konzentriert sich heute auf die Untersuchung der Struktur und Funktion von Materie auf subatomarer Ebene. Dies besteht nicht nur darin, alle subatomaren Teilchen zu identifizieren, von denen angenommen wird, dass sie ein Atom bilden, sondern auch die Kräfte zu untersuchen, die sie steuern. Dazu gehören starke Kernkräfte, schwache Kernkräfte, Elektromagnetismus und Schwerkraft. Hier ist eine Aufschlüsselung von allem, was wir bisher über das Atom gelernt haben ...
Struktur des Atoms:
Unser aktuelles Modell des Atoms kann in drei Bestandteile zerlegt werden - Protonen, Neutronen und Elektronen. Jedem dieser Teile ist eine Ladung zugeordnet, wobei Protonen eine positive Ladung tragen, Elektronen eine negative Ladung haben und Neutronen keine Nettoladung besitzen. Nach dem Standardmodell der Teilchenphysik bilden Protonen und Neutronen den Kern des Atoms, während Elektronen ihn in einer „Wolke“ umkreisen.
Die Elektronen in einem Atom werden durch die elektromagnetische Kraft von den Protonen im Kern angezogen. Elektronen können aus ihrer Umlaufbahn entweichen, jedoch nur als Reaktion auf eine externe Energiequelle. Je näher das Elektron am Kern liegt, desto größer ist die Anziehungskraft. Daher ist die äußere Kraft umso stärker, die erforderlich ist, um das Entweichen eines Elektrons zu bewirken.
Elektronen umkreisen den Kern in mehreren Umlaufbahnen, von denen jede einem bestimmten Energieniveau des Elektrons entspricht. Das Elektron kann seinen Zustand auf ein höheres Energieniveau ändern, indem es ein Photon mit ausreichender Energie absorbiert, um es in den neuen Quantenzustand zu bringen. Ebenso kann ein Elektron in einem Zustand höherer Energie in einen Zustand niedrigerer Energie fallen, während die überschüssige Energie als Photon abgestrahlt wird.
Atome sind elektrisch neutral, wenn sie die gleiche Anzahl von Protonen und Elektronen haben. Atome, die entweder ein Defizit oder einen Elektronenüberschuss aufweisen, werden als Ionen bezeichnet. Elektronen, die am weitesten vom Kern entfernt sind, können auf andere nahegelegene Atome übertragen oder zwischen Atomen geteilt werden. Durch diesen Mechanismus können Atome in Moleküle und andere Arten chemischer Verbindungen binden.
Alle drei dieser subatomaren Teilchen sind Fermionen, eine Teilchenklasse, die mit Materie assoziiert ist, die entweder elementar (Elektronen) oder zusammengesetzt (Protonen und Neutronen) ist. Dies bedeutet, dass Elektronen keine bekannte innere Struktur haben, während Protonen und Neutronen aus anderen subatomaren Teilchen bestehen. Quarks genannt. Es gibt zwei Arten von Quarks in Atomen, die eine gebrochene elektrische Ladung haben.
Protonen bestehen aus zwei Aufwärtsquarks (jeweils mit einer Ladung von +2/3) und einem Abwärtsquark (-1/3), während Neutronen aus einem Aufwärtsquark und zwei Abwärtsquarks bestehen. Diese Unterscheidung erklärt den Ladungsunterschied zwischen den beiden Teilchen, der sich zu einer Ladung von +1 bzw. 0 ergibt, während Elektronen eine Ladung von -1 haben.
Andere subatomare Teilchen sind Leptonen, die sich mit Fermionen zu Bausteinen der Materie verbinden. Das vorliegende Atommodell enthält sechs Leptonen: die Elektronen-, Myon- und Tau-Teilchen und die dazugehörigen Neutrinos. Die verschiedenen Sorten der Lepton-Partikel, die üblicherweise als "Aromen" bezeichnet werden, unterscheiden sich durch ihre Größe und Ladung, was sich auf das Ausmaß ihrer elektromagnetischen Wechselwirkungen auswirkt.
Dann gibt es Gauge Bosons, die als "Kraftträger" bekannt sind, da sie physikalische Kräfte vermitteln. Zum Beispiel sind Gluonen für die starke Kernkraft verantwortlich, die Quarks zusammenhält, während W- und Z-Bosonen (immer noch hypothetisch) für die schwache Kernkraft hinter dem Elektromagnetismus verantwortlich sein sollen. Photonen sind das Elementarteilchen, aus dem Licht besteht, während das Higgs-Boson dafür verantwortlich ist, den W- und Z-Bosonen ihre Masse zu geben.
Atommasse:
Der größte Teil der Masse eines Atoms stammt aus den Protonen und Neutronen, aus denen sein Kern besteht. Elektronen sind mit einer Masse von 9,11 x 10 die am wenigsten massiven Teilchen eines Atoms-31 kg und eine Größe, die zu klein ist, um mit aktuellen Techniken gemessen zu werden. Protonen haben eine Masse, die 1,836-mal so groß ist wie die des Elektrons bei 1,6726 × 10-27 kg, während Neutronen mit 1,6929 × 10 die massereichsten der drei sind-27 kg (1.839-fache Masse des Elektrons).
Die Gesamtzahl der Protonen und Neutronen im Atomkern („Nukleonen“ genannt) wird als Massenzahl bezeichnet. Zum Beispiel wird das Element Kohlenstoff-12 so genannt, weil es eine Massenzahl von 12 hat - abgeleitet von seinen 12 Nukleonen (sechs Protonen und sechs Neutronen). Elemente werden jedoch auch anhand ihrer Ordnungszahlen angeordnet, was der Anzahl der im Kern gefundenen Protonen entspricht. In diesem Fall hat Kohlenstoff eine Ordnungszahl von 6.
Die tatsächliche Masse eines ruhenden Atoms ist sehr schwer zu messen, da selbst die massereichsten Atome zu leicht sind, um in herkömmlichen Einheiten ausgedrückt zu werden. Daher verwenden Wissenschaftler häufig die einheitliche Atommasseneinheit (u) - auch Dalton (Da) genannt -, die als ein Zwölftel der Masse eines freien neutralen Kohlenstoff-12-Atoms definiert ist, was ungefähr 1,66 × 10 entspricht-27 kg.
Chemiker verwenden auch Mol, eine Einheit, die als ein Mol eines Elements definiert ist, das immer die gleiche Anzahl von Atomen aufweist (etwa 6,022 × 10)23). Diese Zahl wurde so gewählt, dass, wenn ein Element eine Atommasse von 1 u hat, ein Mol Atome dieses Elements eine Masse nahe einem Gramm hat. Aufgrund der Definition der einheitlichen Atommasseneinheit hat jedes Kohlenstoff-12-Atom eine Atommasse von genau 12 u, und daher wiegt ein Mol Kohlenstoff-12-Atome genau 0,012 kg.
Radioaktiver Zerfall:
Zwei beliebige Atome mit der gleichen Anzahl von Protonen gehören zum gleichen chemischen Element. Atome mit einer gleichen Anzahl von Protonen können jedoch eine unterschiedliche Anzahl von Neutronen haben, die als unterschiedliche Isotope desselben Elements definiert sind. Diese Isotope sind oft instabil, und alle mit einer Ordnungszahl von mehr als 82 sind als radioaktiv bekannt.
Wenn ein Element zerfällt, verliert sein Kern Energie durch Emission von Strahlung, die aus Alpha-Partikeln (Heliumatomen), Beta-Partikeln (Positronen), Gammastrahlen (hochfrequente elektromagnetische Energie) und Umwandlungselektronen bestehen kann. Die Geschwindigkeit, mit der ein instabiles Element zerfällt, wird als „Halbwertszeit“ bezeichnet. Dies ist die Zeit, die das Element benötigt, um auf die Hälfte seines Anfangswertes zu fallen.
Die Stabilität eines Isotops wird durch das Verhältnis von Protonen zu Neutronen beeinflusst. Von den 339 verschiedenen Arten von Elementen, die auf der Erde natürlich vorkommen, wurden 254 (etwa 75%) als "stabile Isotope" bezeichnet - d. H. Sie unterliegen keinem Zerfall. Weitere 34 radioaktive Elemente haben eine Halbwertszeit von mehr als 80 Millionen Jahren und existieren seit dem frühen Sonnensystem (daher werden sie als „Urelemente“ bezeichnet).
Schließlich ist bekannt, dass weitere 51 kurzlebige Elemente auf natürliche Weise als "Tochterelemente" (d. H. Kernnebenprodukte) des Zerfalls anderer Elemente (wie Radium aus Uran) auftreten. Darüber hinaus können kurzlebige radioaktive Elemente das Ergebnis natürlicher energetischer Prozesse auf der Erde sein, wie z. B. des Beschusses mit kosmischen Strahlen (z. B. Kohlenstoff-14, der in unserer Atmosphäre auftritt).
Studiengeschichte:
Die frühesten bekannten Beispiele der Atomtheorie stammen aus dem antiken Griechenland und Indien, wo Philosophen wie Demokrit postulierten, dass alle Materie aus winzigen, unteilbaren und unzerstörbaren Einheiten besteht. Der Begriff „Atom“ wurde im antiken Griechenland geprägt und führte zur Denkschule, die als „Atomismus“ bekannt ist. Diese Theorie war jedoch eher ein philosophisches als ein wissenschaftliches Konzept.
Erst im 19. Jahrhundert wurde die Theorie der Atome als wissenschaftliche Angelegenheit artikuliert, und die ersten evidenzbasierten Experimente wurden durchgeführt. Zum Beispiel verwendete der englische Wissenschaftler John Dalton Anfang des 19. Jahrhunderts das Konzept des Atoms, um zu erklären, warum chemische Elemente auf bestimmte beobachtbare und vorhersehbare Weise reagierten.
Dalton begann mit der Frage, warum Elemente in Verhältnissen kleiner ganzer Zahlen reagierten, und kam zu dem Schluss, dass diese Reaktionen in ganzzahligen Vielfachen diskreter Einheiten - mit anderen Worten Atomen - abliefen. In einer Reihe von Experimenten mit Gasen entwickelte Dalton die sogenannte Dalton-Atomtheorie, die nach wie vor einer der Eckpfeiler der modernen Physik und Chemie ist.
Die Theorie basiert auf fünf Prämissen: Elemente bestehen in ihrem reinsten Zustand aus Teilchen, die Atome genannt werden; Atome eines bestimmten Elements sind bis zum letzten Atom alle gleich; Atome verschiedener Elemente können durch ihre Atomgewichte unterschieden werden; Atome von Elementen vereinigen sich zu chemischen Verbindungen; Atome können bei chemischen Reaktionen weder erzeugt noch zerstört werden, nur die Gruppierung ändert sich jemals.
Im späten 19. Jahrhundert begannen Wissenschaftler zu theoretisieren, dass das Atom aus mehr als einer Grundeinheit bestand. Die meisten Wissenschaftler wagten jedoch, dass diese Einheit die Größe des kleinsten bekannten Atoms haben würde - Wasserstoff. Und dann, im Jahr 1897, durch eine Reihe von Experimenten mit Kathodenstrahlen, Physiker J.J. Thompson gab bekannt, dass er eine Einheit entdeckt hatte, die 1000-mal kleiner und 1800-mal leichter als ein Wasserstoffatom war.
Seine Experimente zeigten auch, dass sie mit Partikeln identisch waren, die durch den photoelektrischen Effekt und durch radioaktive Materialien freigesetzt wurden. Nachfolgende Experimente zeigten, dass dieses Teilchen elektrischen Strom durch Metalldrähte und negative elektrische Ladungen innerhalb von Atomen führte. Daher wurde das Teilchen - das ursprünglich als "Korpuskel" bezeichnet wurde - später in "Elektron" geändert, nachdem das Teilchen, das George Johnstone Stoney 1874 vorausgesagt hatte.
Thomson postulierte jedoch auch, dass Elektronen im gesamten Atom verteilt waren, was ein gleichmäßiges Meer positiver Ladung war. Dies wurde als „Pflaumenpuddingmodell“ bekannt, was sich später als falsch herausstellen sollte. Dies geschah 1909, als die Physiker Hans Gieger und Ernest Marsden (unter der Leitung von Ernest Rutherfod) ihr Experiment mit Metallfolie und Alpha-Partikeln durchführten.
In Übereinstimmung mit Daltons Atommodell glaubten sie, dass die Alpha-Partikel mit geringer Ablenkung direkt durch die Folie gelangen würden. Viele der Partikel wurden jedoch in Winkeln von mehr als 90 ° abgelenkt. Um dies zu erklären, schlug Rutherford vor, dass die positive Ladung des Atoms in einem winzigen Kern im Zentrum konzentriert ist.
Der Physiker Niels Bohr schlug 1913 ein Modell vor, bei dem Elektronen den Kern umkreisten, dies jedoch nur in einer endlichen Menge von Umlaufbahnen. Er schlug auch vor, dass Elektronen zwischen Umlaufbahnen springen könnten, jedoch nur bei diskreten Energieänderungen, die der Absorption oder Strahlung eines Photons entsprechen. Dies verfeinerte nicht nur Rutherfords vorgeschlagenes Modell, sondern führte auch zum Konzept eines quantisierten Atoms, bei dem sich Materie in diskreten Paketen verhält.
Die Entwicklung des Massenspektrometers, bei dem die Flugbahn eines Ionenstrahls mithilfe eines Magneten gebogen wird, ermöglichte eine genauere Messung der Atommasse. Der Chemiker Francis William Aston verwendete dieses Instrument, um zu zeigen, dass Isotope unterschiedliche Massen hatten. Diesem folgte wiederum der Physiker James Chadwick, der 1932 das Neutron vorschlug, um die Existenz von Isotopen zu erklären.
Im Laufe des frühen 20. Jahrhunderts wurde die Quantennatur von Atomen weiterentwickelt. Die deutschen Physiker Otto Stern und Walther Gerlach führten 1922 ein Experiment durch, bei dem ein Strahl aus Silberatomen durch ein Magnetfeld gerichtet wurde, das den Strahl zwischen der Richtung des Drehimpulses (oder Spin) der Atome aufteilen sollte.
Als Stern-Gerlach-Experiment bekannt, ergab sich, dass sich der Strahl in zwei Teile aufteilte, je nachdem, ob der Spin der Atome nach oben oder unten ausgerichtet war oder nicht. Der Physiker Erwin Schrödinger nutzte 1926 die Idee, dass sich Teilchen wie Wellen verhalten, um ein mathematisches Modell zu entwickeln, das Elektronen als dreidimensionale Wellenformen und nicht als bloße Teilchen beschreibt.
Die Verwendung von Wellenformen zur Beschreibung von Partikeln hat zur Folge, dass es mathematisch unmöglich ist, zu einem bestimmten Zeitpunkt genaue Werte sowohl für die Position als auch für den Impuls eines Partikels zu erhalten. Im selben Jahr formulierte Werner Heisenberg dieses Problem und nannte es das „Unsicherheitsprinzip“. Nach Heisenberg kann man für eine gegebene genaue Positionsmessung nur einen Bereich wahrscheinlicher Werte für den Impuls erhalten und umgekehrt.
In den 1930er Jahren entdeckten Physiker dank der Experimente von Otto Hahn, Lise Meitner und Otto Frisch die Kernspaltung. Hahns Experimente umfassten das Richten von Neutronen auf Uranatome in der Hoffnung, ein Transuranelement zu erzeugen. Stattdessen drehte der Prozess seine Probe von Uran-92 (Ur92) in zwei neue Elemente - Barium (B.56) und Krypton (Kr27).
Meitner und Frisch verifizierten das Experiment und führten es auf die Spaltung der Uranatome zurück, um zwei Elemente mit demselben Gesamtatomgewicht zu bilden. Dieser Prozess setzte auch eine beträchtliche Menge Energie frei, indem die Atombindungen aufgebrochen wurden. In den folgenden Jahren begannen die Forschungen zur möglichen Waffe dieses Prozesses (d. H. Atomwaffen) und führten 1945 zum Bau der ersten Atombomben in den USA.
In den 1950er Jahren ermöglichte die Entwicklung verbesserter Teilchenbeschleuniger und Teilchendetektoren den Wissenschaftlern, die Auswirkungen von Atomen zu untersuchen, die sich mit hohen Energien bewegen. Daraus wurde das Standardmodell der Teilchenphysik entwickelt, das bisher die Eigenschaften des Kerns, die Existenz theoretisierter subatomarer Teilchen und die Kräfte, die ihre Wechselwirkungen steuern, erfolgreich erklärt hat.
Moderne Experimente:
Seit der zweiten Hälfte des 20. Jahrhunderts wurden viele neue und aufregende Entdeckungen in Bezug auf Atomtheorie und Quantenmechanik gemacht. Beispielsweise führte die lange Suche nach dem Higgs-Boson 2012 zu einem Durchbruch, als Forscher der Europäischen Organisation für Kernforschung (CERN) in der Schweiz ihre Entdeckung bekannt gaben.
In den letzten Jahrzehnten haben Physiker viel Zeit und Energie für die Entwicklung einer einheitlichen Feldtheorie (auch bekannt als Grand Unifying Theory oder Theory of Everything) aufgewendet. Im Wesentlichen haben Wissenschaftler seit dem ersten Vorschlag des Standardmodells versucht zu verstehen, wie die vier Grundkräfte des Universums (Schwerkraft, starke und schwache Kernkräfte und Elektromagnetismus) zusammenwirken.
Während die Schwerkraft mit Einsteins Relativitätstheorien verstanden werden kann und Kernkräfte und Elektromagnetismus mit der Quantentheorie verstanden werden können, kann keine der beiden Theorien alle vier zusammenwirkenden Kräfte erklären. Versuche, dies zu lösen, haben im Laufe der Jahre zu einer Reihe von vorgeschlagenen Theorien geführt, die von der Stringtheorie bis zur Schleifenquantengravitation reichen. Bisher hat keine dieser Theorien zu einem Durchbruch geführt.
Unser Verständnis des Atoms hat einen langen Weg zurückgelegt, von klassischen Modellen, die es als inerten Feststoff betrachteten, der mechanisch mit anderen Atomen interagierte, bis zu modernen Theorien, bei denen Atome aus energetischen Teilchen bestehen, die sich unvorhersehbar verhalten. Während es mehrere tausend Jahre gedauert hat, hat sich unser Wissen über die Grundstruktur aller Materie erheblich erweitert.
Und doch bleiben viele Rätsel offen, die noch gelöst werden müssen. Mit der Zeit und den fortgesetzten Bemühungen können wir endlich die letzten Geheimnisse des Atoms aufdecken. Andererseits könnte es sehr gut sein, dass neue Entdeckungen, die wir machen, nur mehr Fragen aufwerfen - und sie könnten noch verwirrender sein als die vorherigen!
Wir haben viele Artikel über das Atom für das Space Magazine geschrieben. Hier ist ein Artikel über John Daltons Atommodell, Neils Bohrs Atommodell, Wer war Demokrit? Und wie viele Atome gibt es im Universum?
Wenn Sie weitere Informationen zum Atom wünschen, lesen Sie den Artikel der NASA zur Analyse winziger Proben. Hier finden Sie einen Link zum Artikel der NASA über Atome, Elemente und Isotope.
Wir haben auch eine ganze Episode von Astronomy Cast rund um das Atom aufgenommen. Hören Sie hier, Episode 164: Inside the Atom, Episode 263: Radioactive Decay und Episode 394: The Standard Model, Bosons.
