Komponenten des Atoms
Subatomare Teilchen
Obwohl das Wort atom ursprünglich ein Teilchen bezeichnet, das nicht in kleinere Teilchen geschnitten werden kann, in modernen wissenschaftlichen verwendung das „Atom“ besteht aus verschiedenen subatomaren Teilchen. Die Grundteilchen eines Atoms bestehen aus dem Elektron, dem Proton und bei anderen Atomen als Wasserstoff-1 aus dem Neutron.,
Das Elektron ist mit 9,11×10-31 kg bei weitem das am wenigsten massive dieser Teilchen mit einer negativen elektrischen Ladung und einer Größe, die derzeit unermesslich ist. Protonen haben eine positive Ladung und eine Masse, die das 1.836-fache des Elektrons bei 1, 67×10-27 kg beträgt, obwohl atomare Bindungsenergieänderungen dies verringern können. Neutronen haben keine elektrische Ladung und haben eine freie Masse von 1.839 mal die Masse der Elektronen. Neutronen und Protonen haben vergleichbare Abmessungen-in der Größenordnung von 2,5×10-15 m -, obwohl die „Oberfläche“ dieser Teilchen nicht sehr scharf definiert ist.,
Es wird angenommen, dass sowohl Protonen als auch Neutronen selbst aus noch mehr Elementarteilchen bestehen, sogenannten Quarks. Das Quark bildet einen der beiden Grundbestandteile der Materie, der andere ist der Lepton, von dem das Elektron ein Beispiel ist. Es gibt sechs verschiedene Arten von quarks, und jeder hat eine gebrochene elektrische Ladung von entweder +2/3 oder -1/3. Protonen bestehen aus zwei Up-Quarks und einem Down-Quark, während ein Neutron aus einem Up-Quark und zwei Down-Quarks besteht., Die Quarks werden durch die starke Kernkraft zusammengehalten, die durch Elementarteilchen, sogenannte Gluonen, vermittelt wird.
Kern
Alle gebundenen Protonen und Neutronen in einem atom bilden einen dichten, massiven Atomkern und werden zusammenfassend als Nukleonen. Obwohl die positive Ladung von Protonen dazu führt, dass sie sich gegenseitig abstoßen, sind sie zusammen mit den Neutronen durch ein Kurzstrecken-Anziehungspotential gebunden, das als starke Restkraft bezeichnet wird., Der Radius eines Kerns ist ungefähr gleich fm, wobei A die Gesamtzahl der Nukleonen ist. Dies ist viel kleiner als der Radius des Atoms, der in der Größenordnung von 105 fm liegt.
Atome desselben Elements haben die gleiche Anzahl von Protonen, die als Ordnungszahl bezeichnet werden. Innerhalb eines einzelnen Elements kann die Anzahl der Neutronen variieren und das Isotop dieses Elements bestimmen. Die Anzahl der Neutronen relativ zu den Protonen bestimmt die Stabilität des Kerns, wobei bestimmte Isotope aufgrund der schwachen Kraft radioaktiv zerfallen.,
Die Anzahl der Protonen und Neutronen im Atomkern kann modifiziert werden, obwohl dies aufgrund der starken Kraft sehr hohe Energien erfordern kann. Kernfusion tritt auf, wenn zusätzliche Protonen oder Neutronen mit dem Kern kollidieren. Die Kernspaltung ist der entgegengesetzte Prozess, wodurch der Kern eine gewisse Menge an Nukleonen emittiert-normalerweise durch radioaktiven Zerfall. Der Kern kann auch durch Bombardierung durch hochenergetische subatomare Teilchen oder Photonen modifiziert werden., Bei solchen Prozessen, die die Anzahl der Protonen in einem Kern verändern, wird das Atom zu einem Atom eines anderen chemischen Elements.
Die Fusion zweier Kerne mit niedrigeren Ordnungszahlen als Eisen und Nickel ist ein exothermer Prozess, der mehr Energie freisetzt, als erforderlich ist, um sie zusammenzubringen. Es ist dieser energiefreisetzende Prozess, der die Kernfusion in Sternen zu einer sich selbst erhaltenden Reaktion macht. Der Nettoenergieverlust aus der Fusionsreaktion bedeutet auch, dass die Masse der verschmolzenen Kerne niedriger ist als die kombinierte Masse der einzelnen Kerne., Die freigesetzte Energie (E) wird durch Albert Einsteins Massenenergieäquivalenzformel E= mc2 beschrieben, wobei m der Massenverlust und c die Lichtgeschwindigkeit ist.
Die Masse des Kerns ist kleiner als die Summe der Massen der einzelnen Teilchen. Der Unterschied zwischen diesen beiden Werten ist die Bindungsenergie des Kerns. Es ist die Energie, die abgegeben wird, wenn die einzelnen Teilchen zusammenkommen, um den Kern zu bilden. Die Bindungsenergie pro Nukleon nimmt mit zunehmender Ordnungszahl zu, bis Eisen oder Nickel erreicht ist., Bei schwereren Kernen beginnt die Bindungsenergie abzunehmen. Das bedeutet, dass Fusionsprozesse mit Kernen mit höheren Ordnungszahlen ein endothermer Prozess sind. Diese massereicheren Kerne können keine energieproduzierende Fusionsreaktion erfahren, die das hydrostatische Gleichgewicht eines Sterns aufrechterhalten kann. Schließlich wird bei ausreichend hohen Ordnungszahlen die Bindungsenergie negativ, was zu einem instabilen Kern führt.
Elektronenwolke
Die Elektronen bilden eine viel größere Elektronenwolke, die den Kern umgibt., Diese Elektronen sind durch die elektromagnetische Kraft an die Protonen im Kern gebunden. Die Anzahl der Elektronen, die mit einem Atom assoziiert sind, wird am leichtesten geändert, aufgrund der geringeren Energie der Bindung von Elektronen.
Atome sind elektrisch neutral, wenn Sie eine gleiche Anzahl von Protonen und Elektronen. Atome, die entweder ein Defizit oder einen Überschuss an Elektronen aufweisen, werden Ionen genannt. Elektronen, die am weitesten vom Kern entfernt sind, können auf andere nahe gelegene Atome übertragen oder zwischen Atomen geteilt werden., Durch diesen Mechanismus können sich Atome zu Molekülen und anderen Arten chemischer Verbindungen wie ionischen und kovalenten Netzwerkkristallen verbinden.
Jedes Elektron in einem Atom existiert in einem bestimmten Energiezustand innerhalb eines charakteristischen Bereichs um den Kern, der durch ein Atomorbital definiert ist. Diese mathematische Funktion beschreibt das wellenartige Verhalten des Elektrons in einem bestimmten Quantenzustand. 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 versetzen., Ebenso kann ein Elektron in einem höheren Energiezustand durch spontane Emission in einen niedrigeren Energiezustand fallen, während es die überschüssige Energie als Photon abstrahlt. Diese charakteristischen Energiewerte, die durch die Unterschiede in den Energien der Quantenzustände definiert werden, sind für Atomspektrallinien verantwortlich.
Die Form der Elektronenwolke.
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