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B978-3-437-42836-4.00004-7

10.1016/B978-3-437-42836-4.00004-7

978-3-437-42836-4

Abb. 4.1

[L253]

Vereinfachtes Atom

Abb. 4.3

[L253]

Schalenmodell des Kohlenstoff-Atoms

Grundlagen des Atombaus

AtomBauAlle Materie besteht aus Atomen, von denen man früher dachte, dass sie unteilbar wären. Dem ist allerdings nicht so und man sollte die drei Bestandteile eines Atoms kennen: das Proton, das Neutron und das Elektron. Die weiteren kleineren Elementarteilchen sind für dieses Buch (und das Physikum) nicht relevant.

Eigenschaften von Protonen, Elektronen und Neutronen

Masse

ProtonenElektronenNeutronenMasseDie Masse eines derart kleinen Teilchens lässt sich schwer in Gramm oder Kilogramm angeben. Sie wäre so klein, dass man sich darunter wenig vorstellen könnte und die Massen der unterschiedlichen Teilchen würden sich nur schwer vergleichen lassen. Man nutzt deshalb einen Trick, der sich in den Naturwissenschaften großer Beliebtheit erfreut: Man gibt die Größe, um die es geht, in Relation zu einer bekannten Größe an (dies nennt man relative Größe).
Wenn man z. B. sagt, dass ein Passagierflugzeug beim Start ein Gewicht von bis zu 569 000 kg hat, würde man automatisch Bezugsgrößen suchen, um diese Zahl einordnen zu können (500 Kleinwagen, 150 Elefanten etc.).

Ein Körper hat überall die gleiche Masse, egal ob auf der Erde, dem Mond oder sonst irgendwo im Weltall. Im Unterschied dazu variiert das GewichtGewicht, je nachdem, wo man sich befindet (es handelt sich nämlich um die Kraft, die ein Feld, wie etwa das der Erde, auf den Körper ausübt). Die Einheiten der Masse sind dabei kg, g etc., die des Gewichts bzw. der GewichtskraftGewichtskraft NewtonNewton (N).

Wenn man also ein „Gewicht“ in Kilogramm angibt, ist das streng genommen nicht korrekt. Mehr zu diesem Thema findet ihr in Lehrbüchern der Physik.
Die relative AtommasseMasseAtomAtomMasse funktioniert nach dem gleichen Prinzip. In Bezug, auf welche Größe sie definiert ist, kann man in umfangreicheren Lehrbüchern nachlesen (1/12 der Masse eines Kohlenstoff-Atoms). Es ist aber nicht essenziell für den weiteren Verlauf dieses Buches. Da sie relativ zu einer anderen Größe ist, wird keine Einheit benötigt (man spricht von einer dimensionslosen Größe). Selbstverständlich kann die Masse eines Atoms auch als absolute Größe angegeben werden und hat dann eine Einheit wie etwa Gramm oder Kilogramm. Es gibt zudem eine Einheit, die ebenfalls im Bezug zu 1/12 der Masse eines Kohlenstoff-Atoms definiert ist, nämlich das u oder DaltonDalton.

Ein Proton und ein Neutron haben beide die relative Atommasse von etwa 1, während die Masse eines Elektrons deutlich kleiner ist (nur ein Zweitausendstel davon).

Da sich viele Studenten fragen, wie genau sie Zahlenwerte im Medizinstudium kennen müssen, werden die relevanten Zahlen in diesem Buch deutlich hervorgehoben.

Ladung

Atommodell
LadungAtomModellWas ist Ladung? Den Begriff Ladung kennt ihr aus dem Alltag. Tatsache ist, dass man Ladung schwer beschreiben kann. Man weiß allerdings:
  • 1.

    Ladung ist eine Eigenschaft eines Körpers.

  • 2.

    Es gibt zwei „Arten“ (man nennt sie positiv und negativ).

  • 3.

    Ladungen können unterschiedlich groß sein (z. B. −3 oder −7).

  • 4.

    Geladene Körper üben Kräfte aufeinander aus: Gleichnamige Ladungen stoßen sich ab, ungleichnamige ziehen sich an.

Modellhaft stellt man sich das Atom als Kugel vor. Diese ist nicht gleichmäßig von Masse erfüllt, sondern hat einen Kern und eine Hülle (Abb. 4.1). Im Kern sitzen Protonen und Neutronen. Sie werden deshalb auch Nukleonen, also Kernteilchen, genannt. Da die Masse eines Protons bzw. eines Neutrons wesentlich größer ist als die eines Elektrons, ergibt sich daraus, dass sich fast die gesamte Masse eines Atoms in seinem Kern konzentriert.
In der Hülle befinden sich die Elektronen. Die Elektronenhülle ist im Vergleich zum Kern riesig, während die Elektronen nur verschwindend klein/von geringer Masse sind. Daher ist die Hülle „fast leer“.
Ladung von Protonen, Neutronen, Elektronen

Protonen sind positiv (+), Neutronen sind neutral und Elektronen negativ (−) geladen.

Die Einheit der Ladung ist eigentlich CoulombCoulomb (C). Da die Ladung eines einzelnen Protons extrem klein ist, hätte man hier wieder das gleiche Problem wie bei den Massen. Man nutzt also den gleichen Trick und verwendet relative Ladungen. Ein Proton hat hier die Ladung +1 und ein Elektron die Ladung −1. Man erkennt: Die Ladung von Elektron und Proton ist „gleich groß“, hat allerdings unterschiedliche Vorzeichen. Folglich ziehen sich Elektronen und Protonen an, während sie Neutronen weder abstoßen noch anziehen.
Da die Protonen positiv geladen und die Neutronen elektrisch neutral sind, ist der Kern also insgesamt positiv geladen. Die Atomhülle ist wegen der Elektronen negativ geladen, was erklärt, warum Hülle und Kern sich nicht (freiwillig) voneinander trennen.
Bei einem Atom entspricht die Zahl der Elektronen normalerweise der der Protonen. Das Atom insgesamt ist also elektrisch neutral. Hat das Atom aber aus bestimmten Gründen ein Elektron weniger, gibt es eine positive Ladung mehr als negative, sodass nun eine Nettoladung von +1 vorliegt. Man spricht in diesem Fall von einem geladenen Teilchen, einem Ion.
Wichtige Begriffe
Man kann für ein Atom die Zahl der Protonen im Kern angeben. Diese entspricht auch der Ladung des Kerns (ein Proton hat die Ladung +1) und wird als Ordnungszahl bezeichnet. Die Anzahl der Protonen bestimmt nämlich, um was für eine Art Atom (ElementElement, chemisches) es sich handelt. So haben z. B. Sauerstoff-Atome immer 8 Protonen im Kern. Dabei ist es egal, ob sie Elektronen dazubekommen oder etwa Neutronen abgeben, wichtig sind nur die Protonen. Da man nach diesem Kriterium die Atome im PeriodensystemPeriodensystem der Elemente anordnet, ist die Bezeichnung Ordnungszahl naheliegend (Kap. 5).
MassenzahlMassenzahlDie Massenzahl eines Atoms berechnet sich aus der Anzahl von Neutronen und Protonen (die Elektronen werden, da sie so leicht sind, ignoriert). In der geläufigsten Darstellungsform findet ihr immer OrdnungsOrdnungszahl- und Massenzahl an einem Elementsymbol.

Die Massenzahl kann nie kleiner als die Kernladungszahl sein, da für die Massenzahl noch die Anzahl der Neutronen zu der der Protonen addiert wird.

IsotopIsotopWie bereits erwähnt, kann ein Element auch über eine unterschiedliche Anzahl an Neutronen verfügen. So gibt es z. B. Kohlenstoff-Atome mit 6 Neutronen, aber auch mit 8 Neutronen. Diese Atome mit unterschiedlicher Neutronenzahl, aber identischer Protonenzahl, bezeichnet man als Isotope. Die wichtigsten solltet ihr kennen:
Von den meisten Elementen gibt es viele natürlich vorkommende Isotope. Man bezeichnet sie auch als Mischelemente. Dies erklärt, warum im Periodensystem bei vielen Elementen die relative Atommasse eine Dezimalzahl ist. Man betrachtet die Masse der verschiedenen Isotope und gewichtet diese in Abhängigkeit von der relativen Häufigkeit, mit der sie in der Natur vorkommen. Bei dem angegebenen Wert handelt es sich also nur um einen Durchschnittswert, wobei es sein kann, dass keines der Isotope die im Periodensystem angegebene Masse besitzt. Ist dies allerdings nicht der Fall, spricht man von Reinelementen oder bezeichnet sie als isotopenrein.

Abb. 4.2

[L253]

Ordnungs- und Massenzahl beim Kohlenstoff

Begriffe wie Isotop, Element etc. sollte man sicher definieren können, da man oftmals durch Falschantworten versuchen wird, euch zu verwirren. Zudem sollte man die unterschiedlichen „Zahlen“ herleiten können.
BeispielWenn gesagt wird, dass ein Calcium-Ion zweifach positiv geladen ist (Ca2+), die Ordnungszahl 20 und die Massenzahl 40 hat, muss klar sein: Die Ordnungszahl entspricht der Protonenzahl und der Kernladungszahl (beide 20). Die Massenzahl ist die Summe aus Protonen- und Neutronenzahl, also ist die Neutronenzahl ebenfalls 20 (40–20). Da das gesamte Teilchen zweifach positiv geladen ist, muss es 2 Protonen mehr als Elektronen geben. Folglich ist die Elektronenzahl 18 (20–2).

Die Elektronenhülle

ElektronenhülleDie meisten von euch haben vermutlich schon einmal vom OrbitalmodellOrbitalmodell gehört, das benutzt wird, um die Position von Elektronen in der Hülle eines Atoms zu beschreiben. Um die für euch wichtigen Zusammenhänge herleiten zu können, ist es allerdings bereits ausreichend, sich mit einer stark vereinfachten Form zu befassen, die zwar dem Physiker Tränen in die Augen treibt, aber dem Mediziner zum Bestehen der Klausur verhilft:
Die Elektronen in der Hülle eines Atoms kreisen auf Schalen um den Kern (Abb. 4.3). Es sollte nachvollziehbar sein, dass die Elektronen einen bestimmten Energiegehalt haben müssen, um nicht „in den Kern zu stürzen“ (da sich positive und negative Ladungen anziehen).
Damit haben die Elektronen, die ihre Bahnen mit der größten Distanz zum Kern ziehen (also weiter außen liegen), die größte Energie, da die Anziehungskräfte offensichtlich nicht groß genug sind, um sie näher an den Kern zu ziehen.
Die Schalen werden vom Kern ausgehend entweder mit Buchstaben benannt (K, L, M, N, O etc.) oder durchnummeriert (1, 2, 3, 4 etc.). Gewinnt ein Elektron an Energie, kann es seine Bahn verändern und nun etwa näher an einer energiereicheren Schale verlaufen. Man bezeichnet ein solches Elektron als angeregt, wobei bei der Rückkehr in den Grundzustand ein bestimmter Betrag an Energie frei wird. Da alle Elektronen negativ geladen sind, stoßen sich mehrere Elektronen prinzipiell ab, somit kann eine Schale nicht mit unendlich vielen Elektronen besetzt werden. Man erhält die Anzahl der Elektronen, die maximal auf einer Schale sitzen können, indem man die Nummer der Schale erst mit sich selbst und dann mit 2 multipliziert (2n2).

Eine kleine Gedankenstütze: Man sieht den inneren Schalen bereits an, dass sie, da sie vergleichsweise klein sind, weniger Elektronen aufnehmen können. Die kleinste Schale heißt passenderweise K-Schale. Danach geht es alphabetisch weiter.

Zusammenfassung

  • Atome bestehen aus Protonen, Elektronen und Neutronen.

  • Ist ein Atom geladen, spricht man von einem Ion.

  • Elektronen organisieren sich in Form von Schalen.

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