Elektronen, Protonen, Neutronen einfach erklärt

Einführung

Die Welt der Atome ist faszinierend und komplex. Um sie zu verstehen, ist es wichtig, die grundlegenden Bausteine zu kennen: Elektronen, Protonen und Neutronen. Diese subatomaren Teilchen bilden die Basis aller Materie um uns herum. Dieser Artikel bietet einen umfassenden Überblick über diese Teilchen, ihre Eigenschaften und ihre Bedeutung für den Aufbau von Atomen und Molekülen.

Die Struktur von Atomen

Atome bestehen aus einem Atomkern und einer Atomhülle. Im Atomkern befinden sich Protonen und Neutronen, die zusammen als Nukleonen bezeichnet werden. Die Atomhülle besteht aus Elektronen, die sich um den Atomkern bewegen.

Protonen: Die positiv geladenen Kernbausteine

Das Proton ist ein positiv geladenes, subatomares Teilchen. Es ist ein relevanter Bestandteil jedes Atoms. Der Kern eines Wasserstoffatoms besteht beispielsweise aus nur einem einzigen Proton. Die Anzahl der Protonen eines Atomkerns legt dessen Kernladungszahl fest. Die Protonenzahl ist identisch mit der Ordnungszahl im Periodensystem der Elemente. Atomkerne lassen sich durch die Anzahl der Kernbausteine (Nukleonen) Proton und Neutron charakterisieren.

Zusammensetzung des Protons

In der Vergangenheit wurde angenommen, dass das Proton ein Elementarteilchen sei. Somit wäre es unteilbar und das kleinstmögliche Erzeugnis beim Zerlegen von Materie. Heute wissen wir, dass das Proton selbst ein zusammengesetztes Teilchen ist. Da das Proton aus drei Quarks zusammengesetzt ist, handelt es sich dabei um kein Elementarteilchen. Es besteht aus sogenannten Quarks, die ihrerseits wieder über die Gluonen aneinander gebunden sind. Alle diese Teilchen werden im Standardmodell der Teilchenphysik beschrieben. In diesem gehören Protonen zur Teilchenfamilie der Hadronen. Im Falle des Protons wird es aus zwei Up-Quarks und einem Down-Quark gebildet. Jedes der Quarks trägt einen Bruchteil der Elementarladung. Die Up-Quarks haben jeweils eine Ladung von und das Down-Quark eine Ladung von .

Die Masse des Protons

Die Masse des Protons ergibt sich auf besondere Art und Weise. Du weißt jetzt, dass das Proton aus drei Quarks zusammengesetzt wird. Nach dieser besteht zwischen Masse und Energie eine Äquivalenz, ausgedrückt durch die Formel . Die Masse des Protons ist 80 bis 100 Mal größer, als die Restmasse der Quarks. reduzierte Masse, da die drei Quarks aneinander gebunden sind. Diese Quarks werden nämlich durch die starke Kernkraft zusammen gehalten. Die Masse des Protons ergibt sich aus der relativistischen Bewegung der Quarks und der Trägerteilchen der starken Kernkraft, den sogenannten Gluonen. Das Proton hat eine Ruheenergie von 938 Mega-Elektronenvolt. Die Ruheenergie ist die Energie eines Körpers oder Systems in seinem Ruhesystem. Das bedeutet, dass es Auskunft gibt über die Energie des Protons, wenn dessen Impuls Null ist.

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Stabilität und Zerfall von Protonen

Der spontane Zerfall freier Protonen konnte noch nie beobachtet werden. Daher gelten sie nach heutigem Maßstab als stabil. Dennoch gibt es theoretische Modelle, die mögliche Lebenszeiten zwischen und Jahren schätzen. Dennoch kann man beobachten, wie Protonen sich in Neutronen umwandeln. Das geschieht jedoch nicht spontan. Für diesen Prozess ist das Zuführen von Energie nötig. Das steht für das Elektron, für Neutron und für das Elektron-Neutrino.

Die Größenbestimmung des Protons

Ursprünglich wurde der Radius des Protons durch Elektronen, Streu- und Spektroskopieexperimente am Wasserstoffatom bestimmt. Die so erhaltenen Werte der beiden Methoden waren in guter Übereinstimmung zueinander und galten lange als Maßstab. 2010 wurden diese Messungen jedoch herausgefordert, indem eine internationale Forschungsgruppe das Elektron des Wasserstoffatoms durch ein Myon ausgetauscht hat. Das Myon hat die gleichen Eigenschaften wie das Elektron, jedoch mit einer 200 Mal größeren Masse. Dadurch reagiert es empfindlicher auf den Ladungsradius des Protons. 2016 und 2017 wurden dann ähnliche Messungen an myonischem Deuterium vorgenommen. Deuterium ist auch als schwerer Wasserstoff bekannt und besteht aus einem Proton und einem Neutron. Diese Messungen haben bestätigt, was am einfachen myonischen Wasserstoff festgestellt wurde. Im Jahre 2017 wurde das Proton Radius Puzzle letztlich gelöst. Eine weitere Forschungsgruppe hat erneute Messungen an normalem Wasserstoff vorgenommen. Diesmal jedoch wurde ein anderer energetischer Übergang für die Spektroskopie genutzt und die Ergebnisse aus Experimenten mit myonischem Wasserstoff konnten reproduziert werden.

Neutronen: Die neutralen Kernbausteine

Neutronen sind ebenfalls Kernbausteine und werden, wie Protonen, als Nukleonen bezeichnet. Die Massenzahl A ist die Anzahl der Nukleonen im Atomkern. Sie ergibt sich aus der Anzahl der Protonen Z und der Anzahl der Neutronen N: A = Z + N. Die Anzahl der Neutronen im Atomkern ergibt sich als Differenz aus der Massenzahl und der Protonenzahl. N = A - Z. Die Anzahl der Neutronen im Atomkern eines Elementes kann variieren. So hat zwar Wasserstoff typischerweise kein Neutron, es existieren aber auch sogenannte Isotope des Wasserstoffatoms mit einem bzw. zwei Neutronen im Atomkern.

Entdeckung des Neutrons

RUTHERFORD vermutete bereits 1920, dass sich in Atomkernen neben den Protonen noch eine weitere Sorte von Teilchen befindet, die elektrisch neutral ist und deren Masse sehr nahe bei der Protonenmasse liegt. 1921 führte William Draper HARKINS (1873 - 1951) für dieses hypothetische Teilchen den Namen Neutron ein. Erst im Jahre 1932 konnte James CHADWICK (1891 - 1974) die Neutronen experimentell nachweisen.

Masse, Ladung und Durchmesser von Neutronen

Die Masse von Proton und Neutron ist ungefähr gleich, aber jeweils etwa (1800) Mal so groß wie die eines Elektrons der Hülle.

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Teilchen	Masse	Ladung	Durchmesser
Proton	({1{,}6727\cdot10^{-27}\,\rm{kg}}\approx {1\cdot \rm{u}})	({+1{,}6022\cdot 10^{-19}\,\rm{As}}=+e)	(\text{ca. }1\cdot10^{-15}\,\rm{m})
Neutron	({1{,}6750\cdot10^{-27}\,\rm{kg}}\approx {1\cdot \rm{u}})	ungeladen	(\text{ca. }1\cdot10^{-15}\,\rm{m})
Elektron	(9{,}109\cdot 10^{-31}\,\rm{kg}\approx {0{,}0005\cdot \rm{u}})	({-1{,}6022\cdot 10^{-19}\,\rm{As}}=-e)	(< 1\cdot 10^{-18}\,\rm{m})

Für die Angabe von Kernmassen wird anstelle von Angaben in (\rm{kg}) oft die atomare Masseneinheit (\rm{u}) genutzt.

Tetraneutronen

Nach sechzigjähriger Suche haben Forscher nun erstmals ein solches Teilchen aus vier Neutronen beobachtet - ein sogenanntes Tetraneutron. Thomas Aumann: Neutronen sind genauso wie Protonen sogenannte Nukleonen. Das sind diejenigen Teilchen, aus denen die Atomkerne bestehen und die der starken Kernkraft unterliegen. Diese Kraft ist zwar enorm stark, bindet aber vornehmlich Protonen und Neutronen in halbwegs symmetrischer Anzahl aneinander - das sind die Atomkerne der Elemente des Periodensystems. Systeme, die nur aus mehreren Protonen oder nur aus mehreren Neutronen bestehen, können bestenfalls als sehr kurzlebiger, instabiler Zustand existieren. Und schon allein die theoretische Behandlung von reinen Neutronensystemen ist ziemlich schwierig. Es gibt verschiedene Theorien dazu, ob Tetraneutronen überhaupt existieren können und welche Eigenschaften sie besitzen. Das Dineutron, also ein System aus zwei Neutronen, wurde bereits durch mehrere Experimente untersucht.

Elektronen: Die negativ geladenen Teilchen der Atomhülle

Das Elektron hat eine negative Ladung und ist ein Elementarteilchen. Sein Spin ist 1/2 und in seiner Teilchenfamilie, den Leptonen, hat es die geringste Masse. Elektronen binden sich an Atomkerne und bilden deren Elektronenhülle. Die Elektronen, die im Energiestufenmodell auf der höchsten Energiestufe bzw. Im Schalenmodell auf der äußersten Schale sind, nennt man Valenzelektronen. Für die Bindung der Elektronen an einen Atomkern sind die Protonen maßgeblich, daher ist die Elektronenhülle von Isotopen nahezu identisch.

Das Bohr'sche Atommodell

Niels Bohr stellte 1913 das Bohr´sche Atommodell vor. Dieses besagt im weitesten Sinne, dass die Elektronen sich nur auf ganz bestimmen Bahnen um den Kern aufhalten dürfen und jede Bahn für ein ganz bestimmtes Energieniveau steht. Bohr hat die Bahnen als K-, L-, M-Schale (usw.) bezeichnet. Eine andere Variante, die Schalen zu benennen, ist über die Hauptquantenzahl n, n = 1, 2, 3… Die K-Schale bzw. die Schale mit n = 1 ist die kernnächste und hat somit die niedrigste Energie. Je weiter die Schale vom Kern entfernt ist, desto höher ist ihre energetische Lage. Die Elektronen werden nicht willkürlich auf irgendeine Schale gesetzt, sondern man füllt die Schalen von unten nach oben auf, d.h. man beginnt in der untersten Schale. Derer Platz auf den Schalen ist jedoch begrenzt. Pro Schale haben nur z Elektronen Platz: z = 2n2. Somit passen auf die Schale (n = 1) nur 2 Elektronen, auf die Schale (n = 2) 8 Elektronen und auf die Schale (n = 3) 18 Elektronen. Um ein Elektron aus einer niedrigeren Schale in eine höhere Schale anzuheben, ist Energie in Form von hn notwendig. Der Abstand zwischen den Schalen steht für eine bestimmte Energiedifferenz (DE) und entspricht der zugeführten Energie: DE = hn.

Das Orbitalmodell

Erweitert wurde das Schalenmodell durch das Orbitalmodell. Ohne tief in die Quantenmechanik einzutauchen, teilt dieses Modell die Schalen noch in sogenannte Unterschalen (= Orbitale) auf. Welche Orbitale sich in welcher Schale befinden haben, lässt sich über einen ganz einfachen mathematischen Zusammenhang berechnen. Das Beste daran ist, dass man es nur einmal machen muss, um es zu verstehen. Zu dieser Berechnung brauchen wir erst die Quantenzahlen n und l. Die Hauptquantenzahl n gibt uns die Schalen-Nummer nach Bohr an. Neu ist die Nebenquantenzahl l. Diese berechnet man über die Formel: l = n-1. Somit ist l von n abhängig. Schauen wir uns dazu die Schale n=1 an, dann ergibt sich l= 0. Die Null steht für ein s-Orbital. Somit hat die Schale 1 ein s-Orbital, indem zwei Elektronen Platz haben. Bei der Schale n = 2 ergibt sich l = 2-1 = 1. Die Eins steht für ein p-Orbital. Da p-Orbitale energetisch höher liegen als s-Orbitale, hat die zweite Schale automatisch auch ein s-Orbitale.

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Hauptquantenzahl = n = 1,2,…; Nebenquantenzahl = l = n-1= 0 (= s), 1 (=p), 2 (= d), 3 (= f),… Anzahl des jeweiligen Orbitals = 2l+1= s-Orbital (x1), p-Orbital (x3), d-Orbital (x5), f-Orbital (x7).

Um die entarteten Orbitale untereinander unterscheiden zu können, ist eine weitere Quantenzahl notwendig. Diese wird als Magnetquantenzahl m bezeichnet und ist von der Nebenquantenzahl l abhängig: m = -l, -(l-1)…0…+(l-1), +l. Für die p-Orbitale (l = 1) ergibt sich somit für m = -1, 0, +1. Durch die Magnetquantenzahl m lassen sich entartete Orbitale unterscheiden: m= -l, -(l-1)…0…+(l-1), +l. Die Berechnung erfolgt in ganzzahligen Schritten.

Die letzte Quantenzahl, die in diesem Zusammenhang erwähnt werden muss, ist die Spinquantenzahl s. Jedes Elektron hat eine Rotation um seine eigene Drehachse, sie entweder im Uhrzeigersinn oder gegen den Uhrzeigersinn verläuft. Diese Rotation wird durch ein -½ bzw. +½ kenntlich gemacht. Welche Rotation welcher Zahl zugeordnet wird, ist willkürlich. Die Spinquantenzahl s spiegelt die unterschiedlichen Rotationen eines Elektrons (e-) wieder. Diese kann Werte von - ½ und + ½ annehmen. Oft kennzeichnet man diese unterschiedlichen Spins mit einem Spin-up (Pfeil nach oben) und einem Spin-down (Pfeil nach unten), wenn man Elektronen zeichnet.

Regeln für die Besetzung von Orbitalen

Die Orbitale werden in der Reihenfolge zunehmender Orbitalenergie besetzt. Jedes Orbital kann nur 2 Elektronen mit unterschiedlichem Spin aufnehmen. Die Elektronen in der Hülle eines Atoms müssen sich mindestens in einer Quantenzahl (n, m, l, s) unterscheiden (= Pauli-Prinzip). Orbitale gleicher Energie, das bedeutet Orbitale mit der gleichen Hauptquantenzahl n und der gleichen Nebenquantenzahl l, werden zunächst mit einem Elektron eines Spins besetzt (= Hund´sche Regel).

Nuklide und Isotope

Jeder Atomkern besteht also aus einer bestimmten Anzahl von Protonen und einer bestimmten Anzahl von Neutronen. Die dadurch möglichen verschiedenen Arten von Atomen bezeichnet man als Nuklide. Ein Nuklid ist also eine Art (Sorte) von Atomen, charakterisiert durch die beiden Zahlen (Z) und (N), die angeben, aus wie vielen Protonen ((Z)) und wie vielen Neutronen ((N)) ihre Atomkerne bestehen. Die Massenzahl (A=Z+N) bestimmt ungefähr die Kernmasse (m{\rm{K}}) bzw. Die Summe aus Protonen- und Neutronenzahl in einem Atomkern bezeichnet man mit (A) und nennt diese Zahl Nukleonenzahl oder Massenzahl. Es gilt also[A=Z+N]Die Massenzahl (A) bestimmt ungefähr die Kernmasse (m{\rm{K}}) und die Atommasse (m{\rm{A}}). Zur einfachen und eindeutigen Beschreibung des Atomkerns eines Elements (\rm{X}) mit seiner Ordnungszahl (Z) und seiner Massenzahl (A) wird die folgende Darstellung genutzt:[Z^A{\rm{X }} \buildrel \wedge \over = \;{{\rm{Ordnungszahl}}}^{{\rm{Massenzahl}}}{\rm{Elementsymbol}},\;{\text{also z.B}}.\;{\rm{6}}^{{\rm{14}}}{\rm{C}}]Dabei ist (\rm{X}) das Elementsymbol, (Z) die Ordnungszahl und (A) die Massenzahl des Atomkerns.Aus der Differenz von Massenzahl (A) und Ordnungszahl (Z) ergibt sich die Neutronenzahl (N): (N=A-Z)Beispiel(\rm{}^{14}_{6}{C}) besagt: Es handelt sich um Kohlenstoff mit der Kernladungszahl (Z=6), der Massenzahl (A=14) und der Neutronenzahl (N=14-6=8).

Kurzschreibweisen

Da die Information über die Ordnungszahl bereits im chemischen Symbol (\rm{X}) steckt, benutzt man gelegentlich auch die Schreibweisen (\rm{}^{14}_{}{C}) bzw.

Die Rolle der Teilchen in der Chemie

Elemente und Atome

Wasserstoff (H2) und Sauerstoff (O2) sind beide Elemente. Insgesamt gibt es mehr als 110 Elemente, die alle im Periodensystem der Elemente (PSE) aufgeführt sind. Ein Element ist der Überbegriff für eine ganz bestimmte Atomsorte. Ein Atom ist der kleinste Baustein, aus dem Stoffe aufgebaut sein können. Wenn es mehr als 110 Elemente gibt, dann muss es auch mehr als 110 Atomarten geben.

Atomaufbau und Eigenschaften

Atome, egal von welcher Sorte, sind neutrale Teilchen, also muss die Anzahl der Elektronen in der Atomhülle der Anzahl der Protonen im Kern entsprechen. Atome sind ladungsneutral. Somit muss die Anzahl der Elektronen e- in der Atomhülle und der Protonen p+ im Atomkern gleich sein. Die Masse eines Protons beträgt » 1,67310-27 kg und die eines Neutrons » 1,67510-27 kg. Die Masse eines Elektrons beträgt dagegen nur » 9,709*10-31 kg und ist somit » 1720-mal niedriger als die Masse eines Protons. Daher wird die Masse der Elektronen oft einfach vernachlässigt. Die Masse eines Atoms liegt im Kern! Die Masse der Elektronen kann vernachlässigt werden.

Teilchenbeschleuniger und Teilchenphysik

Teilchenphysiker stellen sich immer die Frage: Woraus besteht dieses Teilchen? Um das Kleinste zu finden, muss zu großen Mitteln gegriffen werden, jedenfalls in der Teilchenphysik. Man kann das grob damit vergleichen, als würde man sich fragen, aus welchen Einzelteilen ein bestimmter Pkw aufgebaut ist, hat aber dummerweise keine Werkzeuge, um ihn auseinanderzuschrauben. Die Lösung: Man lässt ein Auto mit möglichst hoher Geschwindigkeit auf ein festes Ziel oder frontal gegen ein anderes Auto prallen. Genau solche Versuche machen Physiker, nur eben mit Teilchen. Wie bei einem Crashversuch ist vorher genau bekannt, wo der Zusammenprall stattfinden wird. Je stärker die Energie beim Aufprall der Teilchen, desto feinere Bruchstücke entstehen. Es gibt unterschiedliche Arten von Detektoren: solche, bei denen Teilchen auf ein festes Ziel geschossen werden (zum Beispiel bei der Gesellschaft für Schwerionenforschung in Darmstadt), oder solche, bei denen Teilchen in kilometerlangen Magnetringen so lange beschleunigt werden, bis sie schließlich aufeinanderprallen. Das ist etwa am Large Hadron Collider (LHC) am CERN bei Genf der Fall. … als Teil eines Detektionsexperiments: Wenn zum Beispiel kosmische Strahlung auf unsere Atmosphäre trifft, erzeugt sie beim Zusammenprall mit den Teilchen in der Luft ganze Schauer aus neuen Teilchen, die dann am Boden gemessen werden können. Oder man nutzt die Erde als Schutzschild gegen schon bekannte Teilchen, indem man Detektoren tief im Boden in alten Bergwerken aufbaut. Krachen zwei Teilchen aufeinander, entsteht reine Energie, ein Lichtblitz. Aus diesen Photonen können dann je nach Menge der Energie noch unbekannte Teilchen entstehen. Ein Tetraquark besteht aus zwei Charm-Quarks und deren Antiteilchen, den Anti-Charm-Quarks. Normalerweise würden sich Teilchen und Antiteilchen gegenseitig auslöschen, die Physik spricht von Annihilation. Gerade Teilchen, die aus dem scheinbaren Nichts eines Lichtblitzes entstehen, faszinieren die Forschenden.

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