Was ist ein Atom? Aufbau, Beispiele und Atommodelle

Woraus besteht ein Atom?

Aus drei Teilchenarten. Zwei sitzen im Kern, eine bewegt sich darum herum.

Die auffälligste Zahl in dieser Tabelle ist die Elektronenmasse: ein Proton ist rund 1.836-mal schwerer als ein Elektron. Deshalb rechnet man die Atommasse in der Praxis allein aus dem Kern — die Hülle trägt weniger als ein Promille bei.

Ebenso einfach ist die Ladungsbilanz. In einem neutralen Atom ist die Protonenzahl gleich der Elektronenzahl, plus und minus heben sich auf, nach außen wirkt das Atom ungeladen. Nimmt es Elektronen auf oder gibt es welche ab, wird aus dem Atom ein Ion.

Der Atomkern

Den Kern entdeckte 1911 der neuseeländische Physiker Ernest Rutherford. Fast die gesamte Masse steckt darin, das Volumen ist jedoch winzig: Kerndurchmesser liegen zwischen etwa 1,7 Femtometern (Wasserstoff) und 15 Femtometern (Uran) — also zehntausend- bis hunderttausendmal kleiner als das Atom.

Das klassische Bild macht es anschaulich: Vergrößert man ein Atom auf die Größe eines Fußballstadions, ist der Kern eine Kichererbse am Anstoßpunkt. Dazwischen ist nichts als Raum, in dem sich die Elektronen aufhalten. Jeder feste Gegenstand ist dem Volumen nach also fast vollständig leer; dass die Hand nicht durch den Tisch geht, liegt an der Abstoßung der Elektronenhüllen, nicht an “voller” Materie.

Warum fliegt der Kern nicht auseinander, wenn sich gleich geladene Protonen abstoßen? Wegen der starken Kernkraft. Auf kürzester Distanz übertrifft sie die elektrische Abstoßung deutlich, ihre Reichweite endet aber etwa mit dem Kerndurchmesser. Je größer der Kern, desto stärker gewinnt die Abstoßung an Boden — genau deshalb sind schwere Elemente instabil und radioaktiv.

Protonen

Protonen sind die positiv geladenen Kernteilchen und tragen die Identität des Atoms. Ihre Anzahl ist die Ordnungszahl (Z) und ändert sich nie: Jedes Atom mit 6 Protonen ist Kohlenstoff, jedes mit 79 Protonen ist Gold. Ein Proton mehr, und es ist ein anderes Element.

Genau darauf beruht das Periodensystem, in dem die Elemente nach steigender Protonenzahl geordnet sind. Der englische Physiker Henry Moseley wies das 1913 mit Röntgenmessungen nach; seither ordnet man nach Ordnungszahl statt nach Atomgewicht.

Neutronen

Neutronen sind die ungeladenen Kernteilchen. Rutherford sagte sie 1920 voraus, sein Schüler James Chadwick wies sie 1932 nach, indem er Beryllium mit Alphateilchen beschoss.

Neutronen ändern nicht, welches Element vorliegt, wohl aber Masse und Stabilität. Varianten desselben Elements mit unterschiedlicher Neutronenzahl heißen Isotope. Verlässt das Verhältnis von Neutronen zu Protonen den stabilen Bereich, beginnt der Kern zu zerfallen. Eine bekannte Ausnahme von der Regel, dass Kerne Neutronen enthalten, ist gewöhnlicher Wasserstoff: sein Kern besteht aus einem einzigen Proton.

Elektronen

Elektronen sind negativ geladen und extrem leicht. J. J. Thomson entdeckte sie 1897 mit Kathodenstrahlröhren — der erste Beweis dafür, dass ein Atom überhaupt zerlegbar ist.

Ihre Anordnung hat nichts mit dem Sonnensystembild aus alten Schulbüchern zu tun. Nach der Quantenmechanik lassen sich Ort und Impuls eines Elektrons nicht gleichzeitig exakt bestimmen; bekannt ist nur die Aufenthaltswahrscheinlichkeit in einem bestimmten Bereich. Diese Wahrscheinlichkeitsräume heißen Orbitale, ihre Gesamtheit Elektronenwolke. Wie die äußersten Elektronen darin angeordnet sind, entscheidet über die gesamte Chemie eines Atoms — welche Bindungen es eingeht und ob ein Stoff leitet oder isoliert.

Ordnungszahl, Massenzahl und Neutronenzahl

Drei Zahlen beschreiben ein Atom vollständig:

• Ordnungszahl (Z) = Zahl der Protonen. Legt das Element fest.
• Massenzahl (A) = Protonen + Neutronen, also alle Kernteilchen.
• Neutronenzahl (N) = A − Z.

Geschrieben wird das als ^AX_Z oder im Alltag als “Kohlenstoff-14”. Die 14 ist die Massenzahl; da Kohlenstoff die Ordnungszahl 6 hat, ergeben sich 14 − 6 = 8 Neutronen.

Rechenbeispiel. Natrium-23 hat Z = 11 und A = 23, also N = 23 − 11 = 12. Ist das Atom neutral, hat es außerdem 11 Elektronen. Gibt es ein Elektron ab und wird zu Na⁺, bleiben 11 Protonen, es sind noch 10 Elektronen — und die Massenzahl bleibt unverändert, weil ein Elektron dafür viel zu leicht ist.

Wie sind die Elektronen angeordnet?

Elektronen verteilen sich nicht beliebig, sondern füllen Energieniveaus (Schalen) der Reihe nach. Die Höchstzahl pro Schale folgt der 2n²-Regel:

• 1. Schale: 2 Elektronen
• 2. Schale: 8 Elektronen
• 3. Schale: 18 Elektronen
• 4. Schale: 32 Elektronen

Die Elektronen der äußersten Schale heißen Valenzelektronen, und praktisch die gesamte Chemie handelt von ihnen. Atome verhalten sich so, dass diese Außenschale auf acht Elektronen aufgefüllt wird (auf zwei bei der ersten Schale) — die Oktettregel.

Natrium hat ein einziges Außenelektron und gibt es lieber ab. Chlor hat sieben und nimmt lieber eines auf. Treffen beide aufeinander, entsteht Kochsalz. Edelgase wie Neon haben bereits eine volle Außenschale und reagieren deshalb mit nichts.

Beispiele für Atome

Die häufigsten Beispiele, jeweils mit dem verbreitetsten Isotop:

Das einfachste und häufigste Atom im Universum ist Wasserstoff: ein Proton, ein Elektron, kein Neutron. Massebezogen besteht das Universum zu rund 74 % aus Wasserstoff und zu 24 % aus Helium; für alle übrigen Elemente zusammen bleiben etwa 2 %. Helium ist kosmisch zweithäufigste Substanz, auf der Erde jedoch knapp — es ist so leicht, dass es der Atmosphäre entweicht.

Größenordnungen

In einem Glas Wasser stecken etwa 10²⁵ Atome. Ein erwachsener Mensch besteht aus grob 7 × 10²⁷ Atomen. In einem Bleistiftpunkt sitzen Milliarden Kohlenstoffatome. Damit man mit solchen Zahlen rechnen kann, benutzt die Chemie das Mol: 1 Mol = 6,022 × 10²³ Teilchen (Avogadro-Konstante).

Atom, Molekül, Element, Verbindung

Diese vier Begriffe auseinanderzuhalten beantwortet die halbe Frage nach “Beispielen für Atome”:

• Atom: ein einzelnes Teilchen. Beispiel: ein Sauerstoffatom (O).
• Molekül: zwei oder mehr verbundene Atome. Beispiel: der Sauerstoff der Luft ist O₂.
• Element: ein Reinstoff aus nur einer Atomsorte. Beispiel: Gold, Kupfer, Eisen.
• Verbindung: verschiedene Elemente in festem Verhältnis. Beispiel: Wasser (H₂O), Kochsalz (NaCl).

Wasser ist demnach kein Atom, sondern ein Molekül aus zwei Wasserstoffatomen und einem Sauerstoffatom. Auch Luft ist kein Atom, sondern ein Gemisch aus Stickstoff- und Sauerstoffmolekülen.

Atomarten: Isotope, Isotone, Isobare, Ionen

Mit “Atomarten” sind meist diese vier Einteilungen gemeint, alle über dieselben drei Zahlen (Z, N, A) definiert:

• Isotope
  Gleiche Protonenzahl, verschiedene Neutronenzahl. Dasselbe Element, nahezu identische Chemie, andere Masse. Beispiel: Kohlenstoff-12, -13 und -14.
• Isotone
  Gleiche Neutronenzahl, verschiedene Protonenzahl. Verschiedene Elemente. Beispiel: Kohlenstoff-13 und Stickstoff-14, beide mit 7 Neutronen.
• Isobare
  Gleiche Massenzahl, verschiedene Protonenzahl. Ebenfalls verschiedene Elemente. Beispiel: Argon-40 und Calcium-40.
• Ionen
  Elektronenzahl stimmt nicht mehr mit der Protonenzahl überein. Wer Elektronen abgibt, wird positiv (Kation, Na⁺), wer welche aufnimmt, negativ (Anion, Cl⁻).

Isotope leisten im Alltag mehr, als ihr Ruf vermuten lässt. Kohlenstoff-14 hat eine Halbwertszeit von 5.730 Jahren und ist die Grundlage der Radiokarbondatierung. In der Medizin dienen radioaktive Isotope als Tracer in der Bildgebung. Kernkraftwerke wiederum brauchen Uran-235, das im Natururan nur zu 0,7 % vorkommt — dieses Verhältnis anzuheben nennt man Anreicherung.

Instabile Atome und Radioaktivität

Nicht jeder Kern hält ewig. Liegt das Verhältnis von Neutronen zu Protonen außerhalb des stabilen Bereichs, gibt der Kern früher oder später ein Teilchen oder Energie ab und wandelt sich um. Das ist der radioaktive Zerfall, und er tritt in drei Formen auf: Alpha (ein Heliumkern wird ausgestoßen), Beta (ein Neutron wird zum Proton und sendet ein Elektron aus) und Gamma (reine Energiestrahlung).

Gemessen wird die Geschwindigkeit über die Halbwertszeit, also die Zeit, in der die Hälfte der Atome einer Probe zerfällt. Die Spanne ist enorm: 5.730 Jahre bei Kohlenstoff-14, 4,47 Milliarden Jahre bei Uran-238, Millionstelsekunden bei manchen künstlichen Elementen.

Das Spalten eines schweren Kerns heißt Kernspaltung, das Verschmelzen leichter Kerne Kernfusion. Kernkraftwerke arbeiten mit Spaltung; die Sonne heizt das Sonnensystem, indem sie pro Sekunde Hunderte Millionen Tonnen Wasserstoff zu Helium verschmilzt. In beiden Fällen wiegen die Produkte etwas weniger als die Ausgangsstoffe, und die fehlende Masse erscheint gemäß E = mc² als Energie.

Wie Atome sich verbinden

Nichts in unserer Umgebung besteht aus einzelnen Atomen. Es gibt drei grundlegende Bindungsarten.

• Ionenbindung: Ein Elektron wechselt vollständig den Besitzer, die entgegengesetzt geladenen Ionen ziehen sich an. Klassisches Beispiel ist Kochsalz — daher der hohe Schmelzpunkt und die Leitfähigkeit in Lösung.
• Kovalente Bindung (Atombindung): Die Atome teilen sich Elektronenpaare. So sind Wasser, Kohlendioxid und sämtliche organischen Moleküle gebaut.
• Metallbindung: Metallatome geben ihre Valenzelektronen in ein gemeinsames “Elektronengas” ab. Daher leiten Metalle Strom, lassen sich verformen und glänzen.

Atommodelle: wie die Idee entstand

Das Atom hat niemand allein entdeckt. Es ist eine über zweitausend Jahre reichende Kette von Korrekturen.

• um 440 v. Chr. · Demokrit
  Argumentierte, fortgesetztes Teilen müsse bei etwas Unteilbarem enden, und nannte es atomos. Reine Denkarbeit, kein Experiment. Aristoteles' Vier-Elemente-Lehre setzte sich durch, und die Idee ruhte rund 2.000 Jahre.
• 1803 · John Dalton
  Die erste wissenschaftliche Atomtheorie auf Basis chemischer Messungen: Jedes Element hat Atome charakteristischer Masse, Verbindungen entstehen in festen Zahlenverhältnissen. Schwäche: Er dachte sich das Atom als massive, unteilbare Kugel.
• 1897 · J. J. Thomson
  Entdeckte in der Kathodenstrahlröhre das Elektron; damit war klar, dass Atome Bestandteile haben. 1904 folgte das "Rosinenkuchenmodell": Elektronen in einem positiven Teig. Schwäche: Es gab keinen Kern.
• 1909-1911 · Ernest Rutherford
  Beim Goldfolienversuch prallte ein winziger Teil der Alphateilchen zurück — Beleg für einen dichten, positiven Kern und dafür, dass das Atom fast leer ist. Schwäche: Nach klassischer Physik müsste ein kreisendes Elektron Energie abstrahlen und in den Kern stürzen.
• 1913 · Niels Bohr
  Postulierte, dass Elektronen nur bestimmte Energieniveaus besetzen und beim Wechsel Energie aufnehmen oder abgeben. Erklärte erstmals das Linienspektrum des Wasserstoffs. Schwäche: Bei komplexeren Atomen versagte das Modell.
• 1926 · Erwin Schrödinger
  Seine Wellengleichung führte zum Quanten- bzw. Orbitalmodell: Das Elektron hat keine Bahn, sondern eine Wahrscheinlichkeitsverteilung. Zusammen mit Heisenbergs Unschärferelation von 1927 ist das bis heute das gültige Modell.
• 1932 · James Chadwick
  Wies das Neutron experimentell nach und erklärte damit sowohl die fehlende Kernmasse als auch die Existenz von Isotopen.
• 1964-1969 · Quarkmodell
  Murray Gell-Mann und George Zweig sagten Quarks voraus; Streuexperimente am SLAC bestätigten punktförmige Strukturen im Proton. Ein Proton besteht aus zwei Up- und einem Down-Quark, ein Neutron aus einem Up- und zwei Down-Quarks.

Kann man Atome sehen?

Sichtbares Licht hat Wellenlängen von 400 bis 700 Nanometern und ist damit tausendfach größer als ein Atom; im Lichtmikroskop ist ein Atom deshalb prinzipiell nicht sichtbar. Es gibt aber andere Wege:

• 1955 — Erwin Müllers Feldionenmikroskop lieferte die ersten Abbildungen einzelner Atome.
• 1981 — Gerd Binnig und Heinrich Rohrer entwickelten das Rastertunnelmikroskop (STM), mit dem sich Oberflächenatome einzeln kartieren lassen. 1986 erhielten sie dafür den Nobelpreis für Physik.
• 1989 — IBM-Forscher schoben 35 Xenonatome zum Firmenlogo zusammen und zeigten damit, dass Atome nicht nur abbildbar, sondern auch bewegbar sind.

Keines dieser Bilder ist eine Fotografie im üblichen Sinn. Es sind Karten des Tunnelstroms oder der Kraft zwischen Oberfläche und Messspitze.

Woher die Atome stammen

Die ersten Atome entstanden etwa 380.000 Jahre nach dem Urknall. Bis dahin war das Universum zu heiß, als dass Kerne Elektronen hätten binden können; nach ausreichender Abkühlung fingen die Kerne Elektronen ein, und die ersten neutralen Atome — fast ausschließlich Wasserstoff und Helium — bildeten sich.

Schwerere Elemente entstanden im Inneren von Sternen, die Wasserstoff zu Helium und weiter über Kohlenstoff und Sauerstoff bis zu Eisen verschmelzen. Das meiste, was schwerer als Eisen ist, entstand in Supernovae und bei Kollisionen von Neutronensternen und wurde ins All geschleudert. Das Calcium in den Knochen, das Eisen im Blut und das Gold am Finger stammen aus Sternen, die vor Milliarden Jahren vergangen sind.

Vier verbreitete Irrtümer

1. “Atome sind unteilbar.” Der Name sagt das, richtig ist es nicht — seit 1897 wissen wir es besser. Korrekt ist: Auf chemischem Weg lassen sie sich nicht teilen.
2. “Elektronen kreisen wie Planeten um den Kern.” Das ist das Bohr-Modell von 1913 und längst überholt. Ein Elektron hat keine Bahn, nur eine Aufenthaltswahrscheinlichkeit.
3. “Das Atom ist das Kleinste im Universum.” Protonen und Neutronen bestehen aus Quarks; Quarks und Elektronen gelten nach heutigem Wissen als elementar.
4. “Feste Körper sind durch und durch massiv.” Dem Volumen nach sind sie fast leer. Festigkeit entsteht durch die Abstoßung der Elektronenhüllen.

Häufige Fragen

Was ist ein Atom einfach erklärt? Der kleinste Baustein, der die chemischen Eigenschaften eines Elements trägt: ein Kern aus Protonen und Neutronen, umgeben von Elektronen.

Woraus besteht ein Atom? Aus drei Teilchen — positiv geladenen Protonen, ungeladenen Neutronen und negativ geladenen Elektronen. Protonen und Neutronen bilden den Kern, die Elektronen die Hülle.

Wer hat das Atom entdeckt? Die Idee stammt von Demokrit um 440 v. Chr., zur wissenschaftlichen Theorie machte sie John Dalton 1803. Den inneren Aufbau klärten Thomson (1897), Rutherford (1911) und Chadwick (1932).

Welche Atomarten gibt es? Gleiche Protonen- und unterschiedliche Neutronenzahl ergibt Isotope, gleiche Neutronenzahl Isotone, gleiche Massenzahl Isobare. Stimmt die Elektronenzahl nicht mit der Protonenzahl überein, spricht man von einem Ion.

Was sagt die Ordnungszahl aus? Die Zahl der Protonen im Kern, also die Identität des Elements. Im neutralen Atom entspricht sie auch der Elektronenzahl.

Wie berechnet man die Massenzahl? Protonen plus Neutronen. Umgekehrt ergibt sich die Neutronenzahl aus Massenzahl minus Ordnungszahl.

Welches ist das kleinste Atom? Wasserstoff. Sein Kern ist ein einzelnes Proton, das häufigste Isotop hat gar kein Neutron.

Ist ein Atom innen leer? Dem Volumen nach ja. Über 99,9 % der Masse stecken im Kern, der nur einen verschwindend kleinen Bruchteil des Atomvolumens einnimmt.

Ist Wasser ein Atom? Nein. Wasser ist ein Molekül aus zwei Wasserstoffatomen und einem Sauerstoffatom, verbunden durch Atombindungen.

Kann man ein Atom unter dem Mikroskop sehen? Nicht im Lichtmikroskop, weil die Wellenlänge des Lichts tausendfach zu groß ist. Rastertunnelmikroskope können die Lage von Atomen jedoch abbilden.

Wie viele Elemente gibt es? Das Periodensystem umfasst 118 Elemente; 94 davon kommen natürlich vor, der Rest wurde im Labor erzeugt.

Warum steckt fast die ganze Masse im Kern? Weil Protonen und Neutronen rund 1.836-mal schwerer sind als Elektronen; alle Elektronen zusammen machen weit weniger als ein Promille der Atommasse aus.

Quellen

1. Britannica — Atom: Aufbau, Geschichte und Eigenschaften
2. Jefferson Lab — Massen subatomarer Teilchen im Vergleich
3. Los Alamos National Laboratory — Periodensystem und Elektronenkonfiguration
4. Chemistry LibreTexts — Atomtheorie und Aufbau des Atoms
5. CERN — Das Standardmodell der Teilchenphysik
6. Nobel Prize — Physik-Nobelpreis 1986: das Rastertunnelmikroskop