Übung » HAM-Nat Chemie

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Elementarteilchen

 

1.     Einleitung

2.     Rutherford'scher Streuversuch

3.     Das Standardmodell

4.     Kontrollfragen

 

1. Einleitung

Bereits im 19. Jahrhundert verdichteten sich die Vermutungen, ein Atom sei nicht das kleinste unteilbare Teilchen, sondern bestehe vielmehr selbst aus noch kleineren Bestandteilen. So zeigte J. J. Thomson, dass bei Anlegen eines elektrischen Feldes in einer evakuierten Kathodenstrahlröhre Strahlung entsteht. Bei Untersuchungen dieses Phänomens kam er zu dem Ergebnis, dass es sich bei diesen Kathodenstrahlen um einen Fluss negativer Teilchen handeln müsse, die zur positiven Anode beschleunigt würden (dieses Prinzip macht man sich beispielsweise bei Fernsehbildern zu Nutze). Des Weiteren stellte er Überlegungen zum räumlichen Aufbau eines Atoms auf und machte den Vorschlag des sogenannten „Rosinenkuchenmodells“, bei dem das Atom aus einer einheitlichen positiven Materiekugel bestehe, in die die negativen Elektronen eingebettet sind.

Abb. 1: Schematische Darstellung des Rosinenkuchenmodells (Thomson) sowie des Rutherfordschen Streuversuchs

2. Rutherford'scher Streuversuch

1910 sollte sich aber das Modell als falsch erweisen, nachdem der Physiker Ernest Rutherford dieses durch den berühmten Streuversuch widerlegt hatte. Rutherford richtete eine Alpha-Strahlenquelle so aus, dass die α-Teilchen (=positiv geladen) in einem Strahl auf eine dünne Goldfolie von einigen Atomlagen prasselten. Diese Apparatur umhüllte er mit einem Leuchtschirm, um zu detektieren, wo überall α-Teilchen aufschlugen. Die Ergebnisse waren unerwartet, da neben dem Großteil der α-Teilchen, die die Folie ungehindert durchquerten, einige Teilchen existierten, die unter großen Winkeln gebeugt und sogar solche, die komplett reflektiert wurden. Diese Tatsache widersprach dem von Thomson postulierten Modell und so wurde die Idee eines kompakten positiven Atomkerns (= Nucleus) geboren, um den sich in einer fast leeren Atomhülle Elektronen bewegen. Nachfolgende Experimente haben zur Entdeckung der Neutronen (ungeladenene Teilchen) geführt, die sich ebenfalls im Kern aufhalten.

Das in der klassischen Physik per definitionem unteilbare Atom (gr. a-, tomos = unteilbar) besteht also doch aus noch kleineren distinkten Partikeln. Für die Mehrzahl der Fragestellungen des Chemikers und erst recht für den Mediziner genügt es erstmal, die folgenden Elementarteilchen zu differenzieren:

 

Bezeichnung
Elektrische Ladung
Masse [kg]

Proton

positiv (1+)

1,672·10-27

Elektron

negativ (1-)

9,109·10-31

Neutron

neutral

1,674·10-27

 

An Folgendes solltest du dich im MedAT auf jeden Fall erinnern:

  • Neutronen verhalten sich elektrisch neutral, das heißt sie haben keine Ladung.

  • Elektronen haben im Vergleich zu Protonen und Neutronen eine sehr niedrige Masse und leisten deshalb einen vernachlässigbar geringen Beitrag zur Gesamtmasse eines Atoms.

  • Jedes Atom besitzt gleich viele Elektronen wie Protonen und ist daher elektrisch neutral. Anders Ionen, die je nach ihrer Ladung eine höhere bzw. niedrigere Elektronen- als Protonenzahl besitzen.

In der nachfolgenden Abbildung ist der Aufbau eines Atoms mit seinen zuvor besprochenen wichtigsten Atombausteinen, den Protonen und Neutronen im Atomkern sowie den Elektronen in der Hülle angedeutet.

Abb. 2: Das Atom und seine Hauptbestandteile

3. Das Standardmodell

Mit Protonen, Elektronen und Neutronen hört die Teilchen-Spalterei aber nicht auf! Das Wissen um die fundamentalsten Bausteine der Existenz scheint reizvoll genug, um den Bau gigantischer Versuchsanordnungen zu ermöglichen. Zum Beispiel den Large Hadron Collider des CERN (Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire). Derartige Teilchenbeschleuniger erlaubten den experimentellen Nachweis und die Beschreibung der Elementarteilchen im engeren Sinne; der Quarks aus denen Protonen und Neutronen bestehen, der Leptonen, einer Teilchenfamilie, der auch die Elektronen angehören und der Bosonen, zu denen zum Beispiel das Photon gerechnet wird.

Diese Teilchen werden im sogenannten Standardmodell (Abb.3) zusammengefasst. Man versucht die Beobachtungen um diese Teilchen zudem mit den 4 fundamentalen Kräften der Physik (schwache und starke Kernkraft, elektromagnetische Kraft und die Gravitationskraft) in Bezug zu setzen.

Einige Elementarteilchen dienen dabei der Erklärung von Kräften. Durch die Entdeckung des Higgs Bosons ist es wahrscheinlich gelungen, das Teilchen zu finden, welches die Masse der Materie bestimmt. Sind wir mit diesen Teilchen jetzt wirklich bei den Grundbausteinen des Universums angelangt? Eine spannende Frage, aber ebenso wie die vollständige Liste aller Teilchen im Standardmodell höchstwahrscheinlich keine Prüfungsfrage beim MedAt.

Abb. 3: Das Standardmodell der Teilchenphysik


Kontrollfragen:


1

Ein fiktives Teilchen mit 4 Elektronen, 5 Neutronen und 5 Protonen ist bezüglich seiner Ladung:

  1. Einfach negativ geladen.
  2. Einfach positiv geladen.
  3. Neutral.
  4. Ungeladen.
  5. Zweifach positiv geladen.

Ein Teilchen ist elektrisch neutral, wenn es die gleiche Anzahl an Protonen wie Elektronen besitzt. Wenn die Anzahl der Protonen die der Elektronen übersteigt ist es positiv geladen. Da es in diesem Beispiel ein Elektron weniger besitzt, ist es einfach positiv geladen. Hätte das Teilchen zwei Elektronen weniger als Protonen, wäre es zweifach positiv geladen. EIn Teilchen kann auch negativ geladen sein, wenn mehr Elektronen als Protonen vorhanden sind.

2

Durch Angabe der Elektronenzahl eines Ions, dessen Ladung bekannt ist erhält man Informationen über:

  1. Die Protonenzahl.
  2. Die Neutronenzahl.
  3. Die Kernladungszahl.
  4. Den Massenanteil der Elektronen an der Gesamtmasse.
  5. Die Gesamtmasse des Ions.

Wenn es zum Beispiel ein einfach negatives Ion ist, ist die Anzahl der Protonen um eins niedriger als die Anzahl der Elektronen. Da die Anzahl der Elektronen gegeben ist, lässt sich so die Anzahl der Protonen ermitteln und somit auch die Kernladungszahl. Da die Neutronenzahl nicht bekannt ist, kann man nicht die Gesamtmasse des Ions erfassen, und damit auch nicht den Massenanteil der Elektronen an der Gesamtmasse.

3

Durch Angabe der Protonen und Neutronenzahl eines Atoms erhält man Informationen über:

  1. Die Elektronenzahl.
  2. Die Kernladungszahl.
  3. Die relative Häufigkeit des Atoms.
  4. Die Massenzahl.
  5. Die Anzahl aller Grundbausteine des Atoms (Elektronen, Protonen und Neutronen).

Da ein Atom ungeladen ist, kann man aus der Protonenzahl die Elektronenzahl schließen. Die Massenzahl ist die Anzahl an Protonen und Neutronen.

4

Welche der folgenden Begriffe sind charakteristisch für J.J. Thomsons Atommodell?

  1. Elektronenhülle
  2. Rosinenkuchenmodell
  3. Elektronen (negative Teilchen)
  4. Streuversuch
  5. Neutronen (neutrale Teilchen)

Nach dem Thomsonmodell besteht der "Kuchen" aus einer positiven Masse in der sich die Elektronen als "Rosinen" frei bewegen. Der Rutherfordsche Streuversuch widerlegte diese Vermutung, indem in diesem Versuch bewiesen wurde, dass die positive Ladung in einem Atomkern vereinigt ist und den Großteil der Atommasse ausmacht.

5

Welche der folgenden Begriffe stehen für Elementarteilchen eines Atoms  ?

  1. Anion
  2. Quark
  3. Elektronenhülle
  4. Lepton
  5. Atomkern

Elementarteilchen sind die Teilchen, die sich (nach dem derzeitigen Wissensstands) nicht weiter zerlegen lassen. Protonen und Neutronen lassen sich in up- und down-Quarks zerlegen. Auch die Leptone sind eine Klasse der Elementarteilchen.