Elementarteilchen

Historisch gesehen wurde das Atom zunächst als unteilbar betrachtet. Ende des 19. Jahrhunderts entdeckte J.J. Thomson durch Experimente mit Kathodenstrahlen die Existenz negativ geladener Teilchen – den Elektronen. Er stellte das Rosinenkuchenmodell auf, wonach das Atom eine gleichmäßig positiv geladene Kugel ist, in der die Elektronen wie Rosinen eingebettet sind. Dieses Modell wurde jedoch 1910 durch Ernest Rutherfords berühmten Streuversuch widerlegt. Rutherford beschoss eine dünne Goldfolie mit Alpha-Teilchen. Während die meisten Teilchen die Folie ungehindert durchquerten, wurden einige stark abgelenkt oder sogar reflektiert. Daraus schloss er, dass das Atom größtenteils leer ist und einen winzigen, positiv geladenen Atomkern besitzt, um den die Elektronen kreisen. Später wurden auch die ungeladenen Neutronen im Kern entdeckt.

Jedes Atom ist aus drei grundlegenden Bausteinen aufgebaut, den sogenannten Elementarteilchen: Protonen, Neutronen und Elektronen. Man kann sich das Atom wie ein Fußballstadion vorstellen, in dem ein kleiner Kern in der Mitte fast die gesamte Masse hält, während die Elektronen wie Fliegen auf den Tribünen den Raum einnehmen.

Der Atomkern befindet sich im Zentrum und besteht aus Protonen und Neutronen. Diese beiden Teilchen werden zusammenfassend als Nukleonen (Kernbausteine) bezeichnet. Sie besitzen fast die identische Masse von etwa 1 u (atomare Masseneinheit), was im Vergleich zu den Elektronen sehr schwer ist.

Protonen sind einfach positiv geladene Teilchen (+1). Die Anzahl der Protonen im Kern wird als Ordnungszahl oder Kernladungszahl bezeichnet. Sie ist der 'Personalausweis' eines Atoms: Jedes Element ist eindeutig durch seine Protonenzahl definiert; so hat Wasserstoff immer genau ein Proton.

Neutronen tragen keine elektrische Ladung. Zusammen mit den Protonen werden sie im Atomkern durch die starke Kernkraft (eine Restwechselwirkung der starken Wechselwirkung) gebunden. Diese Kraft hat ihren Ursprung in den Quark-Gluon-Wechselwirkungen innerhalb der Nukleonen und wirkt sowohl zwischen Protonen-Protonen als auch zwischen Protonen-Neutronen und Neutronen-Neutronen. Neutronen helfen auf diese Weise, die abstoßende Coulomb-Kraft zwischen den Protonen zu überwinden und den Kern stabil zu halten. Atome desselben Elements mit unterschiedlicher Neutronenzahl nennt man Isotope.

Die Atomhülle umgibt den Kern und beherbergt die Elektronen. Elektronen sind einfach negativ geladen (-1). In einem elektrisch neutralen Atom muss die Anzahl der Elektronen exakt der Anzahl der Protonen entsprechen, damit sich die Ladungen gegenseitig aufheben. Weicht die Elektronenzahl von der Protonenzahl ab, spricht man von einem Ion. Ein Ion mit Elektronenüberschuss ist negativ geladen (Anion), bei Elektronenmangel positiv geladen (Kation).

Im Vergleich zu den Nukleonen ist die Masse der Elektronen verschwindend gering (etwa 1/1836 der Masse eines Protons). Daher wird bei der Berechnung der Massenzahl (Summe aus Protonen und Neutronen) die Masse der Elektronen meist vernachlässigt.

Die Massenzahl gibt die Gesamtzahl der Nukleonen im Kern an. Wenn man die Ordnungszahl von der Massenzahl abzieht, erhält man die Anzahl der Neutronen im Kern. Dies ist eine essenzielle Rechenoperation für den MedAT.

Zusammenfassend lässt sich sagen: Der Kern bestimmt die Masse und die Identität (über die Protonen), während die Hülle das Volumen des Atoms bestimmt und für die chemischen Reaktionen verantwortlich ist.

An dieser Stelle sei noch erwähnt, dass Protonen und Neutronen nach dem heutigen Standardmodell der Teilchenphysik keine fundamentalen Teilchen sind. Sie bestehen aus noch kleineren Bausteinen, den Quarks. Elektronen hingegen zählen zu den Leptonen. Für den MedAT ist diese Vertiefung jedoch meist nicht relevant.