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 folglich 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. In diesem Versuch untersuchte er die Streuwinkel unter denen α-Teilchen (= positive Teilchen) abgelenkt werden, wenn sie auf eine, wenige Atomlagen dicke Goldfolie treffen. Die erhaltenen Ergebnisse waren unerwartet, da neben dem Großteil der α-Teilchen, die die Folie ungehindert durchquerten, ein kleiner Prozentsatz dieser Teilchen existierte, die unter großen Winkeln gebeugt und sogar solche, die komplett reflektiert wurden. Diese Tatsache widersprach völlig 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 experimentelle Untersuchungen haben zu Entdeckungen geführt die besagen, dass sich neben den Protonen (positive Teilchen) auch noch Neutronen (neutrale Teilchen) im Atomkern befinden.

Mittlerweile ist Dank der Möglichkeiten der Quantenmechanik die Liste an elementaren Teilchen im Atomkern bedeutend gestiegen. So weiß man heute unter anderem bereits, dass die 2 Bausteine – Protonen und Neutronen– wiederum aus kleineren Bestandteilen, den Quarks, aufgebaut sind. Im Allgemeinen beschränkt man sich jedoch auf die 3 Hauptbestandteile (Proton, Neutron und Elektron), die uns ermöglichen das chemische Verhalten (Bindungsbildung, Molekülaufbau, etc.) der Atome zu beschreiben:

 

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

 

  • 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 bei.
  • 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

Diese jedoch bestehen wiederum aus kleineren Teilchen, wie man der Abbildung entnehmen kann. Tatsächlich gibt es eine Vielzahl von weiteren Bausteinen (Elementarteilchen) aus denen unsere Materie besteht. In Zeiten von Teilchenbeschleunigern, wie dem Large Hadron Collider des CERN (Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire) ist es Physikern gelungen, den Beweis für kleinste Materieteilchen, kleiner als Protonen, Neutronen und Elektronen, zu liefern. Diese Teilchen werden im sogenannten Standardmodell zusammengefasst, welches die 4 fundamentalen Kräfte (schwache und starke Kernkraft, elektromagnetische Kraft und die Gravitationskraft) vereint. Durch die gegenwärtige Entdeckung des Higgs Bosons ist es wahrscheinlich auch gelungen das Teilchen zu finden, welches die Masse der Materie bestimmt, und könnte das Standardmodell endlich vervollständigen. In der nachfolgenden Abbildung sind vollständigkeitshalber alle bekannten Elementarteilchen des Standardmodells angeführt, um eine Vorstellung der Komplexität und Vielfalt unserer Materie zu verleihen (nicht prüfungsrelevant).

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.