Atombau und Periodensystem der Elemente

2.1 Bau der Atome

2.1.1 Bestandteile des Atoms – Isotope – Radioaktivitat

Die Frage nach der Struktur der Materie ist ein besonders instruktives Beispiel dafur, wie in enger Wechselbeziehung zwischen Experiment, Theorienbildung und Modellvorstellung die schrittweise Aufklarung der atomaren Substruktur zu immer detaillierteren Kenntnissen hinsichtlich des Aufbaus des Atomkems und der Elektronenhulle fuhrte.

Gegen Ende des neunzehnten Jahrhunderts zeichnete sich ab, dass die Atome aus noch kleineren Teilchen aufgebaut sein miissten. Basierend auf den Arbeiten von M Faraday zur Elektrolyse, d. h. zur Zersetzung von chemischen Verbindungen durch den elektrischen Strom, schlug G. J. Stoney 1874 die Existenz elektrischer Ladungstrager vor, die mit dem Atom in irgendeiner Weise assoziiert sind. Diesen Ladungstragem gab er spater den Na- men Elektronen. Der experimentelle Nachweis der Elektronen gelang mit der Entdeckung der Katodenstrahlen {J. Plucker 1859). Katodenstrahlen entstehen, wenn an zwei Elektro – den, die sich in einer evakuierten Glasrohre befinden, eine hohe Spannung angelegt wird. Aus dem Metall der negativen Elektrode (Katode) treten unsichtbare Strahlen aus. Sie sind negativ geladen, deshalb bewegen sie sich zur positiven Elektrode (Anode). Sie breiten sich geradlinig aus und verursachen ein Leuchten, wenn sie auf die Glaswand auftreffen. Die Strahlung wurde bald als Teilchenstrahlung erkannt. Die schnell bewegten, negativ geladenen Teilchen sind Elektronen. Durch Messung der Ablenkung der Katodenstrahlen in elektrischen und magnetischen Feldem bestimmte J. Thomson das Verhaltnis von La – dung und Masse fur das Elektron. Die genaue Bestimmung der Ladung des Elektrons geht auf R. Millikan zuruck (Oltropfchenversuch 1909). Sie betragt q = – e = -1,602 1892 • 10"19 C. Der Wert e wird als Elementarladung bezeichnet. Die Masse des Elektrons betragt 9,109 534 • 10"31 kg.

Verwendet man in der oben beschriebenen Versuchsanordnung keine vollstandig evaku – ierte Rohre, sondem eine solche, die ein unter vermindertem Druck stehendes Gas enthalt, tritt beim Anlegen einer hohen Spannung eine weitere Strahlung auf. Durch den Beschuss der Gasatome mit den Elektronen des Katodenstrahls werden Elektronen aus den Atomen herausgeschlagen. Dabei entstehen positiv geladene Ionen, die in Richtung der negativ geladenen Katode beschleunigt werden. Durchbohrt man die Katode, durchqueren diese Teilchen den ,,Kanal“ in der Katode (Kanalstrahlen). Das positive Ion mit der kleinsten beobachtbaren Masse tritt bei Verwendung von Wasserstoff als Fiillgas der Kanalstrahl – rohre auf. Es wird als Proton bezeichnet. Seine Ladung entspricht im Betrag der des Elek­trons, besitzt jedoch ein positives Vorzeichen. Die Masse des Protons betragt 1,672 6485 • 10"27 kg. Sie ist damit 1836-mal groBer als die des Elektrons.

Basierend auf den Erkenntnissen aus Gasentladungs – und Nachfolgeexperimenten gelang es 1911 dem englischen Physiker E. Rutherford, erste Aussagen zur inneren Struktur des Atoms zu formulieren. Rutherford beschoss eine dtinne Goldfolie, deren Dicke etwa 2000 Atomlagen hintereinander entsprach, mit zweifach positiv geladenen Heliumkemen (a – Strahlung, Abb. 2.1). Er gelangte zu dem Resultat, dass 99% der He2+-Keme die diinne Metallfolie passieren, ohne ihre Richtung zu andem. Nur 1% der Teilchen wurde gestreut

R. Benedix, Bauchemie, DOI 10.1007/978-3-8348-9944-6_2,

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image8 Подпись: Abbildung 2.1 Streuversuch an einer dOnnen Goldfolie (nach Rutherford)

bzw. zuriickgeworfen. Dieses Ergebnis veranlasste ihn zu seinem beriihmten Kommentar: „Das Atom besteht in erster Linie aus Nichts!“

Rutherfords Experiment brachte sowohl Licht in die GroBenverhaltnisse als auch in die Massenverteilung innerhalb des Atoms. Zur Strukturierung des Kerns konnte er zunachst noch keine Aussagen machen. Nach den heutigen Vorstellungen kann der Aufbau eines Atoms wie folgt beschrieben werden:

Aufbau des Atoms

• Atome sind keine starren, strukturlosen Kugeln. Sie enthalten einen kleinen positiv geladenen Kern und eine kugelformig um den Kern angeordnete Elektronenhulle, die die negativ geladenen Elektronen enthalt. Die positive Ladung des Atomkems wird durch die negative Ladung der Elektronenhulle kompensiert.

Der Atomkem ist sehr klein, sein Durchmesser liegt in der GroBenordnung von einem

Femtometer (1 fm = 10”15 m). Der Atomdurchmesser betragt dagegen etwa 100…400

-12

Picometer (1 pm =10 m), er ist damit mehr als hunderttausendmal groBer als der

Atomkem. Veranschaulichung: Angenommen der Kem habe den Durchmesser einer Erbse, dann ergibt sich fur die Elektronenhulle ein Radius von ca. einem Viertel Kilo­meter.

• Der Atomkem ist gleichfalls strukturiert. Er besteht aus positiv geladenen Protonen und den ungeladenen (elektrisch neutralen) Neutronen. Trotz gleicher Ladung und der daraus resultierenden gegenseitigen AbstoBung werden die Protonen im Kem zusam – mengehalten. Ihr Zusammenhalt wird durch sogenannte „Kemkrafte66 bewirkt. Sie sind wesentlich starker als elektrostatische Wechselwirkungskrafte und stellen eine der fun – damentalen Kraftwirkungen in der Natur dar. Die Kembausteine Protonen und Neutro­nen bezeichnet man als Nucleonen.

Durch Protonen – und Neutronenzahl charakterisierte Atomsorten nennt man Nuclide. Instabile Nuclide bezeichnet man als Radionuclide. Zu den bis jetzt bekannten 263 sta – bilen und uber 70 radioaktiven natlirlichen Nucliden wurden noch etwa 2000 kunstliche (radioaktive) Nuclide hinzugewonnen, so dass man heute von fast 2500 verschiedenen Atomsorten der 112 Elemente ausgehen kann. Elektronen, Protonen und Neutronen werden als Elementarteilchen bezeichnet.

• Protonen und Neutronen sind sehr massereich. 99,8% der Gesamtmasse des Atoms sind im Atomkem konzentriert. Unter Benutzung der atomaren Masseneinheit и kann man schreiben:

Protonenmasse (1,0073 u) – Neutronenmasse (1,0087 u).

Die Gesamtzahl der Nucleonen, d. h. der Protonen und Neutronen, bezeichnet man als die Massenzahl. Sie entspricht naherungsweise der Atommasse in Masseneinheiten u.

• Die Atomkeme unterschiedlicher Elemente unterscheiden sich in ihrer Protonenzahl. Damit ist die Protonenzahl eines jeden Atoms (Elements) eine charakteristische GroBe. Sie wird als Kernladungszahl bezeichnet und ist identisch mit der Ordnungszahl im Periodensystem der Elemente.

• Es gilt: Anzahl der Protonen = Anzahl der Elektronen. Damit kann aus der

Ordnungszahl im PSE sofort die Elektronenzahl abgeleitet werden.

• Die Anzahl der Neutronen in Atomen eines Elements gleicher Kernladungszahl kann jedoch schwanken. Es gibt Atome des gleichen Elements, die eine unterschiedliche An­zahl von Neutronen und damit unterschiedliche Atommassen aufweisen (Isotope).

Isotope eines Elements sind Atome gleicher Protonenzahl, die sich in ihrer Neu – tronenzahl unterscheiden.

Die meisten der naturlich vorkommenden Elemente bestehen aus mehreren Isotopen. Sie werden als Mischelemente bezeichnet. Dagegen weisen Reinelemente, wie z. B. Na, P, Al, Mn, Co und I, nur eine bestimmte, charakteristische Neutronenzahl auf. Stabile Atomkeme enthalten in der Regel etwa die gleiche Anzahl bis anderthalbmal so viele Neutronen wie Protonen.

Die Schreibweise zur Kennzeichnung eines Nuclids soil am Beispiel des Chlorisotops mit der Massenzahl 35 erlautert werden:

oben links: Massenzahl = Anzahl der Protonen (17) + Anzahl der Neutronen (18)

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unten links: Kernladungszahl = Anzahl der Protonen (17)

Chlor besitzt eine relative Atommasse von 35,453. Das ist der Durchschnittswert fur die beiden Chlorisotope ^fCl (naturliche Isotopenhaufigkeit: 75,77%) und jyCl (naturliche Isotopenhaufigkeit: 24,23%). Beide Atomarten enthalten demnach 17 Protonen, jedoch einmal 18 und einmal 20 Neutronen.

In der Praxis benutzt man haufig eine vereinfachte Schreibweise zur Charakterisierung von Nucliden, indem lediglich die Massenzahl hinter das chemische Symbol gesetzt wird, z. B. Cl-35, Al-27 oder U-235.

Die Elemente Wasserstoff, Kohlenstoff und Sauerstoff bestehen aus folgenden Isotopen: Wasserstoff }H(Protonium, natUrliche Isotopenhaufigkeit: 99,9855%), iH(Deuterium, 0,0145%) und iH (Tritium, 10_15%). Beim Ubergang vom Wasserstoffnuclid }H zum Deuterium und anschlieliend zum Tritium andert sich die Anzahl der Kemteilchen um je – weils ein Neutron. Die angegebene Isotopenverteilung fuhrt zu einer resultierenden mittle – ren relativen Atommasse des Wasserstoffs von Ar = 1,008.

Kohlenstoff (98,89%), U6C (1,11%), (Spuren, radioaktiv) -» resultierende mitt – lere Atommasse: 12,011;

Sauerstoff “O (99,759%), 17gO (0,037%), ‘*0 (0,204%) resultierende mittlere Atom – masse: 15,9994.

Zur Trennung von Isotopengemischen werden vorwiegend physikalische Eigenschaften ausgenutzt, bei denen der Massenunterschied wirksam wird (Diffusion, Thermodiffusion, Zentrifugieren). Die (gering) unterschiedlichen Siedepunkte von Isotopen nutzt man bei der Anreicherung durch Destination.

Da vor allem die Elektronen der Hulle eines Atoms sein chemisches Verhalten bestimmen, besitzen Isotope eines Elements weitgehend gleiche chemische Eigenschaften.

Natiirliche Radioaktivitat. Im Jahre 1896 entdeckte Becquerel, dass Uranverbindungen eine unsichtbare Strahlung aussenden. Die Strahlen sind in der Lage, fotografische Platten zu schwarzen, Lufl zu ionisieren und ein elektrisch aufgeladenes Elektroskop zu entladen. 1898 isolierte Marie Curie gemeinsam mit ihrem Mann Pierre aus Pechblende (U02) die radioaktiven Elemente Polonium (Po) und Radium (Ra). Die Eigenschaft von Stoffen, Strahlung auszusenden, bezeichnete M. Curie als Radioaktivitat.

Rutherford und Soddy (1903) erkannten, dass die Radioaktivitat auf einen Zerfall von Atomkemen zuruckzufuhren ist, wobei die ausgesandten Strahlen Zerfallsprodukte der instabilen Kerne sind. Es entstehen neue Elemente. Die spontane Kemumwandlung insta – biler Nuclide in andere Nuclide unter Abgabe von Strahlung wird als radioaktiver Zerfall bezeichnet. Die Atomhulle ist an den Zerfallsprozessen nicht beteiligt.

Bei den die radioaktiven Kemumwandlungen begleitenden Strahlungsemissionen handelt es sich entweder um Korpuskular (a, P)- oder elektromagnetische (y) Strahlung: а-Strahlung: Emission von Teilchen mit etwa der vierfachen Masse des Protons und zwei positiven Elementarladungen (Alphateilchen). Die Alphateilchen konnen als zweifach po-

sitiv geladene He – Kerne aufgefasst werden. Der Atomkem verliert bei einem a-Zerfall zwei Protonen und zwei Neutronen.

p-Strahlung: Emission schneller Elektronen (Betateilchen), die fast Lichtgeschwindigkeit erreichen. Das Elektron entsteht bei der Umwandlung eines Neutrons in ein Proton. Der gebildete Atomkem hat die gleiche Massenzahl wie vorher, aber ein Proton mehr. Zum Beispiel entsteht aus dem Casiumisotop l%Cs bei P-Zerfall ein Isotop des Bariums 135бВа. y-Strahlung: elektromagnetische Strahlung ahnlich der Rontgenstrahlung, nur energierei – cher.

Eine Serie aufeinanderfolgender Kemreaktionen, die von einer radioaktiven Atomart (Ra – dionuclid) iiber weitere instabile Keme schlieBlich zu einem stabilen Isotop fuhrt, nennt man eine radioaktive Zerfallsreihe. Es gibt drei naturliche Zerfallsreihen, die von den Uranisotopen U-238 und U-235 sowie vom Thoriumisotop Th-232 ausgehen und als End-

Подпись: Abbildung 2.2 Zerfallsreihe von U-238
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nuclid stets ein Bleiisotop besitzen. Abb. 2.2 zeigt die Zerfallsreihe des ^U, die beim stabilen Bleiisotop Pb-206, dem sogenannten ,,Uranblei“ endet. Innerhalb einer Zerfalls­reihe stellen sich Gleichgewichte hinsichtlich der Bildungs – und Zerfallsgeschwindigkeiten der beteiligten instabilen Atomsorten ein („radioaktive Gleichgewichte44).

Ein radioaktives Element ist durch seine Aktivitat und seine Halbwertszeit charakterisiert. Die Aktivitat A kennzeichnet die Strahlungsmenge, die pro Zeiteinheit aus der radioakti – ven Probe austritt. Sie wird als Anzahl der Kemprozesse pro Zeiteinheit angegeben. Die SI-Einheit fur die Aktivitat ist das Becquerel (Bq). 1 Becquerel bedeutet einen Kemzerfall pro Sekunde, also 1 Bq = 1 s"1 (altere MaBeinheit: Curie Сі, 1 Ci = 3,7 • 1010Bq). Die Ak­tivitat verhalt sich umgekehrt proportional zur Halbwertszeit (s. u.). Je schneller eine radio­aktive Substanz zerfallt, desto intensiver strahlt sie. Die spezifische Aktivitat a ist die auf die Masseneinheit bezogene Aktivitat. Sie wird in der Regel in Bq/kg angegeben.

Подпись: dN(t) dt Подпись: (2-1)

Bezogen auf die Anzahl N(t) der zur Zeit t noch vorhandenen instabilen Atomkeme ergibt sich die Aktivitat^ auch als die Abnahme – dN(t) der Kerne pro Zeitintervall dt:

Die Anzahl der pro Zeitintervall zerfallenden Kerne – dN(t)/dt ist der Gesamtzahl der radio – aktiven Kerne proportional:

уt x X = Zerfallskonstante, charakteristische

——- Lz. = X • Nft) GroBe ftir jedes Radionuclid. (^-2)

dt [ ‘

Подпись: N(t) = N(0)-e~Xt Подпись: N(0) = Anzahl der instabilen Keme zu Beginn der Zahlung (t = 0). Подпись: (2-3)

Integration ftihrt zum bekannten Zerfalisgesetz:

Vergleichbar anderen Naturvorgangen nimmt die Anzahl der instabilen Kerne beim radio – aktiven Zerfall nach einer e-Funktion ab (Abb. 2.3).

Подпись: Abbildung 2.3 Grafische Darstellung des Grundgesetzes des radio-aktiven Zerfalls
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Unter der Halbwertszeit %m versteht man den Zeitraum, in dem die Halfie der vorhande – nen radioaktiven Kerne zerfallen ist. Die Halbwertszeit der verschiedenen Radionuclide liegt zwischen Bruchteilen von Sekunden und Millionen von Jahren.