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Kernphysik

Für die Leser, die sich dafür interessieren, was genau die einzelnen Begriffe bedeuten, habe ich hier in aller Kürze erläutert wie die Materie aufgebaut ist und wie sie funktioniert. Die Beschreibungen sind einfach gehalten, denn die Zusammenhänge sind schon kompliziert genug.

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Aufbau der Materie

Die Materie setzt sich aus Protonen, Neutronen und Elektronen zusammen. Ein »ausgeglichenes« Atom hat im Kern ebenso viele Protonen wie Neutronen. Weichen diese Zahlen voneinander ab, dann ist es ein Isotop. Die meisten Isotope sind radioaktiv, d.h., sie zerfallen nach einer gewissen Zeit.
Die Protonen und Neutronen im Atomkern werden durch zweierlei Kräfte zusammen gehalten. Die Gravitation ist nur sehr schwach, doch sie wirkt auch außerhalb des Atoms und hat eine (theoretisch) unendliche Reichweite. Was den Atomkern eigentlich zusammen hält, ist der Ladungsunterschied zwischen den Protonen und den Neutronen. Auch zwischen Protonen und Elektronen gibt es einen Ladungsunterschied; der hält die Elektronen auf ihren Umlaufbahnen um den Atomkern, ganz ähnlich wie das mit Planeten und einem Stern ist.
Ein »neutrales« Atom hat ebenso viele Elektronen wie Protonen. Wenn diese beiden Zahlen voneinander abweichen, dann ist es ein Ion.
Ionen entstehen, wenn elektrische Kräfte, also Ladungsunterschiede auf Atome einwirken und ihnen Elektronen »entreißen« oder »aufdrängen«.
Die meisten Atome sind recht gesellige Typen, denn sie wollen sich mit anderen Atomen zu Molekülen verbinden.
Sie streben immer die so genannte Edelgaskonfiguration an. Das bedeutet, dass sich immer so viele (gleiche oder auch verschiedene) Atome zusammen tun, dass in den äußersten Elektronenschalen zusammen 8 Elektronen sind.
Aus einem Sauerstoffatom (6 Elektronen = 2 freie Plätze) und 2 Wasserstoffatomen (je 1 Elektron) entsteht ein WassermolekülZu einem satirischen Artikel über Dihydrogenmonoxid oder aus einem Kohlenstoffatom (4 Elektronen) und 2 Sauerstoffatomen (je 6 Elektronen) ein Molekül Kohlenstoffdioxid (CO₂), weil die 4 Elektronen des Kohlenstoffs in die je 2 freien Plätze der beiden Sauerstoffatome passen.

Atome

Atome (griech.): ατομοσ (atomos) = „unteilbar” sind die Grundbausteine der Materie. Ein Atom besteht prinzipiell aus dem Atomkern, der 99,946% der Masse des Atoms besitzt und der Atomhülle, die aus den Elektronen besteht und die räumliche Ausdehnung des Atoms bestimmt. Die Atomhülle ist etwa 100 000 mal größer als der Kern. Was dazwischen liegt, ist leerer Raum.
Es gibt 95 natürliche chemische Elemente, also Arten von Atomen. Daneben gibt es noch 23 so genannte Transurane, also Elemente, die einen größeren Atomkern haben als Uran. Diese Transurane sind radioaktiv. Die meisten von ihnen kommen in der Natur zwar vor, aber nur in Spuren.
Alle Atome, deren Kerne schwerer sind als Eisenkerne (Ordnungszahl 26) sind Überbleibsel der Supernova, aus der unser Sonnensystem entstanden ist. Für diese Supernova sollten wir dankbar sein, denn ohne sie würde es unser Sonnensystem und auch uns gar nicht geben.
Das einfachste Element ist Wasserstoff. Ein Wasserstoff-Atom besteht aus einem Proton, einem Neutron und einem Elektron. Die Protonen und Neutronen ballen sich im Atomkern zusammen, weil ihre elektrischen Ladungen unterschiedlich sind und zusätzlich noch die Schwerkraft sie zusammen zieht. Die Elektronen kreisen um den Atomkern etwa wie die Planeten die Sonne umkreisen.
Ein Atom besteht im Normalfall aus jeweils gleich vielen Protonen, Neutronen und Elektronen.
Es sind allein die Protonen, die bestimmen, um welches chemische Element es sich bei einem Atom handelt.
Wenn die Anzahl der Protonen nicht mit der Anzahl der Neutronen übereinstimmt, dann ist es ein Isotop. Wenn dagegen die Anzahl der Protonen nicht mit der Anzahl der Elektronen übereinstimmt, dann spricht man von einem Ion.

Die Geschichte des Atommodells [einblenden]

Der erste, der – laut Überlieferung – auf die Idee kam, dass die Materie aus Atomen besteht, war der Griechische Philosoph Leukippos, der im 5. Jahrhundert v. Chr. zusammen mit seinem Schüler Demokrit die Theorie des Atomismus entwickelte.
Sie gingen davon aus, dass man jeden beliebigen Stoff immer weiter zerkleinern könne, bis Teilchen übrig bleiben, die nicht weiter zerteilt werden können. Der Begriff »Atom« war geboren. Freilich konnten sie ihre Theorie damals nicht beweisen, doch der Grundstein war gelegt.
Es vergingen rund zweitausend Jahre, bis um das Jahr 1620 Galileo Galilei – dem Verbot der katholischen Kirche zum Trotz – postulierte, dass Körper zwar ihre Form wandeln können, aber immer aus dem gleichen Stoff bestehen.
Der endgültige Nachweis über die Existenz und den Aufbau der Atome konnte erst Anfang des 20. Jahrhunderts erbracht werden. Dies gilt als eine der bedeutendsten Entdeckungen in Physik und Chemie.
Niels Bohr verband die von Max Planck und Albert Einstein aufgestellten Theorien zur Quantenphysik mit den Gesetzen der klassischen Physik. Damit gelang es ihm 1913, das Bohrsche Atommodell zu erstellen.

Moleküle

Moleküle sind Stoffe, die sich aus mehreren Atomen zusammensetzen. Jedes chemische Element hat bestimmte Eigenschaften. Die chemischen Eigenschaften werden im Wesentlichen von den Elektronen in der äußeren Schale bestimmt. Hier ist die Acht die »magische Zahl«.
Wenn sich in der äußeren Schale 8 Elektronen befinden, dann spricht man von einer Edelgaskonfiguration. Das »Geheimnis« der Chemie ist, dass alle chemischen Verbindungen die Bildung dieser Edelgaskonfiguration anstreben.
Alle chemischen Verbindungen folgen diesem Grundsatz: Wenn 8 Elektronen in der äußersten Schale sind, erhält man ein stabiles Molekül.
Edelgase wie z.B. Neon, Argon oder Xenon haben bereits diese Konfiguration und deshalb können sie auch keine chemischen Verbindungen eingehen und liegen immer in atomarer und nicht in molekularer Form vor. Ein Sonderfall ist das Helium: Es hat nur zwei Elektronen. Aber die äußerste Elektronenschale ist mit 2 Elektronen voll besetzt und deshalb ist auch Helium ein Edelgas und chemisch inaktiv.

Ionen

Ein Ion ist grundsätzlich ein elektrisch geladenes Teilchen; entweder ein Atom oder ein Molekül.
Das Wort Ion stammt aus dem Griechischen und bedeutet so viel wie Gehendes oder Wanderndes. Die Wissenschaft bezeichnet damit Teilchen (also Atome oder Moleküle), die eine elektrische Ladung besitzen. Wenn einem Atom ein Elektron fehlt, dann ist es positiv geladen. Man spricht dann von einem Kation, denn in einem elektrischen Feld wandert es zur Kathode. Wenn ein Atom aber ein überzähliges Elektron besitzt, dann ist es negativ geladen und heißt Anion, weil es zur Anode wandert.

Protonen

Protonen sind jene Teilchen, die letztendlich bestimmen, um welches Element es sich handelt. Wenn im Atomkern z.B. zwei Protonen sind, dann haben wir es mit Helium zu tun, bei 6 Protonen ist es Sauerstoff und ein Atom mit 79 Protonen im Kern ist Gold. Damit der Atomkern komplett ist, braucht er noch die gleiche Anzahl an Neutronen. Ein Proton hat eine Masse von 1,672621777·10^-27 kg und ist damit etwa 1836,15 mal so schwer wie ein Elektron. Protonen sind elektrisch positiv geladen. Durch diese Ladung können die negativ geladenen Elektronen auf »Umlaufbahnen« um den Atomkern kreisen.

Neutronen

Neutronen sind Teilchen, die in ihren Eigenschaften weitgehend den Protonen entsprechen, jedoch mit dem Unterschied, dass Neutronen keine elektrische Ladung besitzen. Sie sind elektrisch neutral. Ein Neutron hat eine Masse von 1,674927351·10^-27 kg, also um 2,305574·10^-30 kg mehr als ein Proton. Das entspricht 2,530988 Elektronenmassen.
Sowohl Protonen als auch Neutronen gehören zu den Baryonen (gr. barys = schwer), weil sie eine (vergleichsweise) große Masse haben.

Elektronen

Elektronen sind gewissermaßen die Schlüsselteilchen, weil durch sie die chemischen Eigenschaften aller Elemente bestimmt werden. Wenn chemische Reaktionen stattfinden, dann sind daran immer die Elektronen maßgeblich beteiligt (siehe Edelgaskonfiguration).
Die Masse eines Elektrons (9,10938291·10^-31 kg) ist zwar im Vergleich zu Protonen oder Neutronen verschwindend gering, doch die elektrische Ladung eines Elektrons entspricht genau jener eines Protons – nur „andersrum”, also negativ gepolt. Sie beträgt -1,60217733·10^-19 Coulomb. Andersrum formuliert ist ein Coulomb eine Ladung von 6,24151·10¹⁸ (6,24 Trillionen) Elektronen.
Elektronen interagieren nicht nur mit ihresgleichen oder Protonen und Neutronen, sondern auch mit Magnetismus und mit Photonen, also elektromagnetischer Strahlung wie Licht. Und weil das so ist, ist z.B. Glas durchsichtig, während Metalle Strahlung reflektieren.

Elektronen und Licht [einblenden]

Im Kristallgitter von Glas sind die Elektronen so fest gebunden, dass sie durch ein auftreffedes Photon zwar ihr Energieniveau ändern (sie nehmen die Energie des Photons auf und begeben sich auf eine »höhere« Umlaufbahn), aber dadurch nicht ihre Position ändern oder gar den Atomverband verlassen können. Wenn das Elektron wieder in seinen ursprünglichen Energiezustand zurück fällt, dann gibt es seine Energie wieder in Form eines Photons ab, das sich aber in irgend eine Richtung bewegt. Das Licht wird gestreut.
Anders ist es, wenn das Photon nicht auf ein Elektron trifft. Dann durchdringt es den Körper ungehindert, weil die Atome im Kristallgitter weit genug auseinander stehen.
Bei Metallen ist der Fall umgekehrt: Die Elektronen sind sehr locker mit ihren Atomen verbunden und können sich im Metall frei bewegen. Nur deshalb können Metalle auch Strom so gut leiten. Trifft ein Photon auf ein freies Elektron, dann regt ein dadurch entstehendes, schwingendes elektrisches Feld die umliegenden Elektronen zur Schwingung an. Diese schwingenden Elektronen geben ihrerseits Photonen ab, die sich als gegenläufige Lichtwelle äußern. — Das Licht wird reflektiert.
Je mehr freie Elektronen in einem Stoff sind, desto besser leitet er Strom, und desto besser reflektiert er das Licht.

Elektronen zählen ebenso wie PositronenPositronen sind die Anti-Teilchen zu den Elektronen.
Sie haben die gleichen Eigenschaften wie Elektronen, doch ihre elektrische Ladung ist positiv.
Positronen entstehen bei diversen Zerfallspro­zessen bzw. bei der Interaktion von Gammastrahlung mit Materie. zu den so genannten Leptonen (gr. leptos = klein, fein), weil sie im Verhältnis zu den Protonen oder Neutronen wenig Masse besitzen.

Isotope

Isotope sind Atome, die sich von den »normalen« Atomen des gleichen Elements durch die Anzahl der Neutronen unterscheiden und deshalb ein anderes Atomgewicht haben. Sie entstehen in der Natur meist durch radioaktiven Zerfall, aber auch durch radioaktive Strahlung. Bei der Kernspaltung entstehen ebenfalls Isotope, weil dabei Neutronen austreten.
Die meisten Isotope sind, ebenso wie Transurane (siehe Atome), nicht stabil. Sie zerfallen zu leichteren Elementen und geben dabei radioakive Strahlung ab.

Radioaktiver Zerfall [einblenden]

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