Begriffe zum Atombau

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1 Staatsinstitut für Schulqualität und Bildungsforschung Begriffe zum Atombau Alphastrahlung Atom Atomhülle Atomkern Betastrahlung biologische Strahlenwirkung Elektronen Element Hierbei wird von einem Atomkern ein Alphateilchen emittiert. Dieses ist ein Helium-Atomkern 2( 4 He 2+ ), bestehend aus zwei Protonen und zwei Neutronen. Alphastrahlung ist stark ionisierend und hat in Luft eine Reichweite von wenigen Zentimetern. Atome sind die Bausteine der Materie. Jedes Atom besteht aus einem positiv geladenen Atomkern und einer negativ geladenen, im Vergleich zum Kern sehr leichten Atomhülle. Es gibt über 100 chemische Elemente, deren Atome sich im Aufbau unterscheiden. Atome haben etwa einen Radius von einem Zehnmillionstel Millimeter, also m. Der Atomkern ist noch viel kleiner: Sein Radius beträgt nur etwa ein Hunderttausendstel des Atomradius, also m. Wäre ein Atom so groß wie ein Fußballstadion, dann wäre der Kern so groß wie ein Stecknadelkopf. Obwohl der Atomkern so klein ist, macht seine Masse mehr als 99,9 % der Atommasse aus. Die Elektronen umgeben den Atomkern aufgrund der elektrischen Anziehung und bilden die Atomhülle. Die Anzahl der Elektronen in der Hülle stimmt bei (ungeladenen) Atomen mit der Protonenzahl im Kern überein. Elektronen, die sich überwiegend nahe am Kern aufhalten, sind stark gebunden und heißen innere Elektronen. Die schwächer gebundenen äußeren Elektronen können sich an chemischen Reaktionen mit anderen Atomen beteiligen und heißen Valenzelektronen oder Außenelektronen. Der Atomkern ist der zentrale, positiv geladene Teil des Atoms, der fast die gesamte Masse des Atoms trägt. Er ist aus Kernbausteinen (Nukleonen) zusammengesetzt, den Protonen und Neutronen. Von manchen Atomkernen wird beim Zerfall ein Elektron emittiert, während sich ein Neutron in ein Proton umwandelt (n 0 p + + e - ). Betastrahlung ionisiert nur schwach und hat in Luft eine Reichweite von mehreren Metern. Wenn Strahlung von einem Organismus absorbiert wird, können Zellen geschädigt werden. Die schädliche Wirkung hängt stark von den Eigenschaften und der Energie der Strahlung ab. Bei einer Schädigung des Erbgutes können auch nachfolgende Generationen betroffen sein. Elektronen sind die Bausteine der Atomhülle. Sie haben im Vergleich zum Atomkern eine sehr kleine Masse und tragen eine negative Elementarladung. In festen Leitern (Metalle, Graphit) ist ein Teil der Elektronen beweglich. Chemische Elemente bestehen aus Atomen mit gleicher Protonenzahl (= Ordnungszahl). Die Zahl der Protonen im Kern ist gleich der Zahl der Elektronen im ungeladenen Atom und bestimmt dessen chemische Eigenschaften. Die meisten Elemente bestehen aus verschiedenen Isotopen. Es gibt in der Natur 82 stabile Elemente. Elemente ab der Ordnungszahl 83 sind radioaktiv. Bis jetzt (August 2008) wurden Elemente bis zur Ordnungszahl 118 erzeugt. Glossar zum Themenbereich Atombau Seite 1 von 6

2 Elementarladung Energieaufnahme/-abgabe Energiebilanz, E = m c² Die Elementarladung e ist der kleinste Betrag der Ladung, die ein freies Teilchen tragen kann. Die Ladung jedes Teilchens und jedes Körpers ist stets ein ganzzahliges Vielfaches der Elementarladung. Ihr Wert ist e = 0, As = 1, As. Typische Träger einer Elementarladung sind das Elektron (eine negative Elementarladung) und das Proton (eine positive Elementarladung). Ein Atom kann Energie aufnehmen und wieder abgeben. Der Betrag der Energieänderung kann aber nicht jeden beliebigen Wert annehmen, sondern nur einzelne, für das jeweilige System (z. B. ein einzelnes Atom) charakteristische Werte, die durch den Energieunterschied zwischen den beteiligten Energiestufen bestimmt sind. Deshalb treten im Spektrum der Strahlung nur Photonen bestimmter Energiewerte auf. Es wird ein diskretes Spektrum (Linienspektrum) erzeugt. E angeregter Zustand Grundzustand Energieaufnahme Energieabgabe Erklärung nach dem Energiestufenmodell (Schalenmodell): Bei der Anregung, z. B. in einer Gasbrennerflamme, können Elektronen der Atomhülle auf energetisch höhere Schalen wechseln. Beim Zurückfallen auf eine Schale niedrigerer Energie werden Photonen abgegeben, deren Energie genau dem Energieunterschied zwischen den beiden Schalen entspricht. Nach steigender Energiedifferenz ist das Infrarotstrahlung, sichtbares Licht oder UV- Strahlung. Wenn stark beschleunigte Elektronen auf Metallatome treffen, können sie Elektronen aus den inneren Schalen herausschlagen. Die dadurch entstehenden Lücken werden durch Elektronen aus weiter außen liegenden Schalen aufgefüllt, wobei sehr kurzwellige Strahlung entsteht, so genannte Röntgenstrahlung. Nach Einsteins berühmter Formel E = m c² sind Masse und Energie äquivalent. Bei Kernumwandlungen (z. B. Fusion, Spaltung, Zerfall) werden besonders große Energiebeträge frei. Dabei beobachtet man, dass die Gesamtmasse der Teilchen nach der Reaktion kleiner ist als vor der Reaktion. Beispiel: Bei der Fusion von vier Wasserstoffatomen entsteht ein Helium-Atom, dessen Masse etwa um 0,7 % kleiner ist als die Summe der Massen der vier Wasserstoffatome. Die der Massendifferenz entsprechende Energie wird freigesetzt. Ph 8 Glossar zum Themenbereich Atombau Seite 2 von 6

3 Energiestufenmodell (Schalenmodell) Die Elektronen in der Atomhülle befinden sich auf bestimmten Energiestufen (Energieniveaus). Diese Energiestufen werden auch als Schalen bezeichnet. Nach steigender Energie sind dies die K-, L-, M-, N-, O-, P- und Q-Schale. Beispiel: Elektronenanordnung (Elektronenkonfiguration) eines Natrium-Atoms (die Besetzung der Energiestufen erfolgt im Grundzustand in der Reihenfolge zunehmender Energie): E M-Schale L-Schale K-Schale Gammastrahlung Alpha- und Betastrahlung werden oft von der Emission energiereicher Photonen (Gammaquanten) begleitet. Diese Gammastrahlung unterscheidet sich nur durch ihren Entstehungsprozess und ihre Photonenenergie von Licht und Röntgenstrahlung. Sie besitzt eine sehr große Reichweite und ionisiert nur schwach. Halbwertszeit Ion Isotop Die Halbwertszeit eines Nuklids gibt an, nach welcher Zeit von einer ursprünglich vorhandenen großen Anzahl von Atomen die Hälfte zerfallen ist. Beispiel: Das Cäsiumisotop 137 Cs besitzt eine Halbwertszeit von 30 Jahren. Nach 30 Jahren ist noch die Hälfte, nach 60 Jahren ein Viertel der Cäsiumatome übrig. Die anderen haben sich inzwischen durch radioaktiven Zerfall in Bariumatome umgewandelt. Ionen sind elektrisch geladene Teilchen, die aus Atomen oder Molekülen durch Aufnahme oder Abgabe von Elektronen entstehen können. Man unterscheidet zwischen Kationen und Anionen. Kationen sind positiv geladene Teilchen, da sie über weniger Elektronen als Protonen verfügen. Anionen sind negativ geladene Teilchen, da sie über mehr Elektronen als Protonen verfügen. Atome, welche die gleiche Protonenzahl aufweisen und sich lediglich in der Neutronenzahl unterscheiden, verhalten sich chemisch gleich. Man bezeichnet sie als Isotope eines chemischen Elementes. Beispiel: 35 Cl und 37 Cl sind die beiden stabilen Isotope von Chlor. 35 Cl ist ein Nuklid mit 17 Protonen (Chlor: Ordnungszahl 17) und 18 Neutronen. Das Nuklid 37 Cl hat ebenfalls 17 Protonen, aber 20 Neutronen. Glossar zum Themenbereich Atombau Seite 3 von 6

4 Kernfusion Kernspaltung Molekül Nuklid Orbital Ordnungszahl (Z) Periodensystem der Elemente (PSE) Bringt man zwei leichte Atomkerne (die nur wenige Protonen und Neutronen enthalten) dazu, sich zu berühren, so können sie zu einem neuen Atomkern verschmelzen. Bei solchen Fusionsvorgängen wird ein im Vergleich zu chemischen Umwandlungen millionenfach größerer Energiebetrag frei. Die Sonne bezieht ihre Energie aus der in mehreren Schritten ablaufenden Fusion von Wasserstoffkernen zu Heliumkernen. Atomkerne, die besonders viele Protonen und Neutronen enthalten, werden durch Absorption (Aufnahme) eines Neutrons instabil und zerfallen in zwei Bruchstücke. Bei diesem Prozess werden zwei bis drei Neutronen freigesetzt, die weitere Kerne spalten können (Kettenreaktion). Bei Spaltprozessen wird ein ähnlich hoher Energiebetrag wie bei der Kernfusion frei. Dies wird in Kernkraftwerken genutzt. Leicht spaltbar sind bestimmte Isotope von Uran und Plutonium. Ein Molekül ist ein Verband von Atomen, die durch chemische Bindungen (Elektronenpaarbindung) zusammengehalten werden. Beispiele sind das Wasserstoffmolekül H 2 (bestehend aus zwei Wasserstoffatomen) und das Wassermolekül H 2 O (bestehend aus zwei Wasserstoffatomen und einem Sauerstoffatom). Ein Nuklid ist eine durch die Angabe der Protonenzahl (bzw. des chemischen Symbols) und der Massenzahl festgelegte Atomsorte. Gelegentlich wird der Begriff Nuklid auch nur für eine Sorte von Atomkernen verwendet. Beispiel: 19 F ist ein Nuklid mit 9 Protonen (Fluor: Ordnungszahl 9) und 10 Neutronen. Als Orbital bezeichnet man vereinfacht den Aufenthaltsraum, in dem ein Elektron oder Elektronenpaar eines Atoms mit einer hohen Wahrscheinlichkeit anzutreffen ist. Zahl der Protonen in den Atomkernen eines Elements (Protonenzahl, Kernladungszahl) Auflistung der Elemente nach steigender Ordnungszahl, bei der Elemente mit gleicher Valenzelektronenzahl untereinander in Gruppen zusammengefasst werden. Nebeneinander stehende Elemente gehören einer Periode an. Die Periodennummer entspricht der Anzahl der Energiestufen eines Atoms dieser Periode. Ausschnitt aus dem (gekürzten) PSE: Periode Gruppe I II III IV V VI VII VIII 1 (K) H He 2 (L) Li Be B C N O F Ne 3 (M) Na Mg Al Si P S Cl Ar Glossar zum Themenbereich Atombau Seite 4 von 6

5 Photon Durch elektromagnetische Strahlung wird Energie stets nur portionsweise übertragen. Eine solche Strahlungsportion wird als Photon bezeichnet. Die verschiedenen Bereiche der elektromagnetischen Strahlung unterscheiden sich durch ihre Photonenenergie: zunehmende Photonenenergie infrarotes Licht sichtbares Licht UV-Licht Röntgenstrahlung Gammastrahlung Proton, Neutron Quarks Radioaktivität, Zerfall Beispiel: Die Photonenenergie von UV-Licht reicht aus, um Hautzellen zu schädigen. Deshalb kann UV-Licht einen Sonnenbrand auslösen, im Gegensatz zu sichtbarem Licht. Atomkerne bestehen aus Protonen und Neutronen (Sammelbegriff dieser Kernbausteine: Nukleonen). Ein Proton trägt eine positive Elementarladung, Neutronen sind elektrisch neutral. Protonen und Neutronen haben jeweils etwa die Masse 1 u (atomare Masseneinheit 1 u = 1, kg). Die Summe aus Protonen- und Neutronenzahl heißt Massenzahl des Atoms. Protonen und Neutronen sind ihrerseits aus noch elementareren Bausteinen aufgebaut, den Quarks. Protonen und Neutronen sind ihrerseits aus elementaren Teilchen aufgebaut, die als Quarks bezeichnet werden. Sie tragen die Ladungen 2 / 3 e (up-quark) und 1 / 3 e (down-quark), treten aber in gewöhnlicher Materie nur in Dreiergruppen auf, so dass sich ganzzahlige Vielfache der Elementarladung ergeben. Die Existenz dieser Teilchen wurde in Experimenten nachgewiesen, bei denen man zum Beispiel Protonen mit sehr schnellen Elektronen beschoss und die Verteilung der gestreuten Elektronen untersuchte. Proton + e + e e Neutron e + e e Bestimmte Atomkerne zerfallen spontan, d. h. sie wandeln sich ohne Einwirkung von außen in andere Atomkerne um und senden dabei Strahlung aus. Diese Erscheinung heißt Radioaktivität. Je nach Art der emittierten Teilchen unterscheidet man Alpha-, Beta- und Gammastrahlung. C NTG 8 Glossar zum Themenbereich Atombau Seite 5 von 6

6 Spektrum Wird elektromagnetische Strahlung durch eine geeignete Vorrichtung (bei Licht: z. B. Prisma) nach der Photonenenergie aufgetrennt, so ergibt sich ein Spektrum der Strahlung. Spektren werden oft als Diagramme dargestellt, bei denen die Intensität gegen die Photonenenergie aufgetragen ist. Jede Strahlungsquelle erzeugt ein charakteristisches Spektrum (Emissionsspektrum). Das Spektrum einer Glühlampe ist kontinuierlich, d. h. in einem breiten Bereich kommen alle Photonenenergien vor. Andere Strahlungsquellen (z. B. Gasentladungslampen) erzeugen ein Linienspektrum, d. h., es sind nur einzelne (diskrete) Photonenenergien vertreten. kontinuierliches Spektrum Intensität Intensität Linienspektrum Photonenenergie Photonenenergie Strahlenschutzmaßnahmen Um sich vor Strahlenschäden zu schützen, sollte man folgende Grundregeln beim Umgang mit gefährlicher Strahlung beachten: - Strahlenquelle (radioaktives Präparat) nicht in den Körper aufnehmen, also nicht verschlucken oder einatmen. - Abstand halten. - Strahlung, wenn unvermeidbar, nur kurze Zeit einwirken lassen. - Abschirmung verwenden. Strahlung Manche Körper bzw. deren Atome senden Energie in Form von Strahlung aus. Strahlung kann bestehen aus - materiellen Teilchen wie Heliumatomkernen (Alphastrahlung) oder Elektronen (Betastrahlung). - Photonen: Sichtbares, Infrarot- oder UV-Licht, aber auch Röntgenund Gammastrahlung fallen in diese Kategorie. Diese Photonenstrahlung nennt man auch elektromagnetische Strahlung. Valenzelektronen Als Valenzelektronen (Außenelektronen) bezeichnet man die (bis zu 8) Elektronen der höchsten Energiestufe eines Atoms. Sie können sich an chemischen Reaktionen beteiligen. C NTG 8 Glossar zum Themenbereich Atombau Seite 6 von 6

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