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B978-3-437-41103-8.00001-6

10.1016/B978-3-437-41103-8.00001-6

978-3-437-41103-8

Abb. 1.1

Vereinfachtes Atom

Abb. 1.2

Ordnungs- und Massezahl beim Kohlenstoff

Abb. 1.3

Schalenmodell des Kohlenstoffatoms

Grundlagen des Atombaus

  • 1.1

    Eigenschaften von Protonen, Elektronen und Neutronen1

    • 1.1.1

      Masse1

    • 1.1.2

      Ladung2

  • 1.2

    Grundlagen zum Atom2

  • 1.3

    Die Elektronenhülle3

  • 1.4

    Übungen4

Alle Materie besteht aus Atomen, von denen man früher dachte, dass sie unteilbar wären. Da dem allerdings nicht so ist, müsst ihr die drei Bestandteile eines Atoms kennen: das Proton, das Neutron und das Elektron. Obwohl es natürlich auch kleinere Elementarteilchen gibt, sind diese für dieses Buch (und das Physikum) nicht relevant.

Eigenschaften von Protonen, Elektronen und Neutronen

Masse

Wenn man nach der Masse eines derart kleinen Teilchens fragt, ist es normalerweise sinnlos, das Ergebnis in Gramm oder Kilogramm anzugeben, da dieses so klein sein würde, dass man sich darunter wenig vorstellen kann und es schwer sein wird, Teilchen untereinander zu vergleichen. 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.).

Für Ahnungslose

Wie war das noch mal mit Gewicht und Masse? Ein Körper hat überall die gleiche Masse, egal ob auf der Erde, dem Mond oder sonst irgendwo im Weltall! Im Unterschied dazu variiert das Gewicht, 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 Einheit der Masse ist dabei kg, g etc., die des Gewichts bzw. der Gewichtskraft Newton (N).

Wenn ihr also ein „Gewicht“ in Kilogramm angebt, ist das streng genommen nicht korrekt. Mehr zu diesem Thema findet ihr in Lehrbüchern der Physik.

Die relative Atommasse funktioniert nach dem gleichen Prinzip. In Bezug auf welche Größe sie definiert ist, könnt ihr in umfangreicheren Lehrbüchern nachlesen (112 der Masse eines Kohlenstoffatoms). 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 112 der Masse eines Kohlenstoffatoms definiert ist, nämlich das u oder Dalton.
Ihr solltet auf jeden Fall wissen, dass ein Proton und ein Neutron beide die relative Atommasse von etwa 1 haben, während die Masse eines Elektrons deutlich kleiner ist (nur ein Zweitausendstel davon).

Für die Klausur

Viele Studenten fragen sich, wie genau sie Zahlenwerte im Medizinstudium auswendig lernen müssen. Eine pauschale Aussage darüber ist natürlich schwierig. Allerdings solltet ihr bedenken, dass gerade viele „kleine“ Zahlen, also etwa im zellulären Bereich, kontinuierlichen Diskussionen unterworfen sind, sodass es häufig sinnvoll ist, nur eine ungefähre Einordnung vornehmen zu können. Außerdem muss man im Physikum Rechenaufgaben ohne Taschenrechner bewältigen und hat keine Zeit für gigantische Nebenrechnungen! Angaben, die ihr unbedingt kennen müsst, werden natürlich in diesem Buch hervorgehoben. Für die Klausuren an der eigenen Universität ist es immer hilfreich, Studenten aus höheren Semestern zu fragen!

Ladung

Grundsätzlich müsst ihr wissen, dass Protonen positiv (+), Neutronen neutral und Elektronen negativ (−) geladen sind.
Die Größe der Ladung ist allerdings auch hier wieder problematisch. Die Einheit der Ladung ist eigentlich Coulomb (C). Da die Ladung eines einzelnen Protons extrem klein ist, hätte man hier wieder das gleiche Problem wie schon 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.

Für Ahnungslose

Was 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).

Grundlagen zum Atom

Um eure Fantasie nicht zu sehr zu beanspruchen, stellt ihr euch das Atom am besten als Kugel vor. Allerdings ist diese nicht gleichmäßig von Masse erfüllt, sondern hat einen Kern und eine Hülle. 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. Da die Protonen positiv geladen und die Neutronen elektrisch neutral sind, ist der Kern insgesamt positiv geladen.
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“. Sie ist wegen der Elektronen negativ geladen, was erklärt, warum Hülle und Kern sich nicht (freiwillig) voneinander trennen (Abb. 1.1).
Bei einem Atom entspricht die Zahl der Elektronen normalerweise der der Protonen. Das Atom insgesamt ist also elektrisch neutral. Hat das Atom aber aus irgendwelchen 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.
Man kann also für ein Atom die Zahl der Protonen im Kern angeben. Diese entspricht auch der Ladung des Kerns (ein Proton hat die Ladung +1) und auch der sogenannten Ordnungszahl. Die Anzahl der Protonen bestimmt nämlich, um was für eine Art Atom (Element) es sich handelt. So haben z. B. Sauerstoffatome 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 Periodensystem der Elemente anordnet, ist die Bezeichnung Ordnungszahl naheliegend, aber dazu später mehr.
Die 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 Ordnungs- und Massenzahl an einem Elementsymbol (Abb. 1.2).

Lerntipp

Wenn man sich unsicher ist, welche der Zahlen die Massenzahl und welche die Ordnungszahl ist (die MZ steht in der Regel oben), dann muss man nur bedenken, dass die Massenzahl nie kleiner als die Kernladungszahl sein kann, da für die Massenzahl noch die Anzahl der Neutronen zu der der Protonen addiert wird.

Wie bereits erwähnt, kann ein Element auch über eine unterschiedliche Anzahl an Neutronen verfügen. So gibt es z. B. Kohlenstoffatome 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:
TritiumH3,C14,P32,I123,I133
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 gar keins der Isotope die im Periodensystem angegebene Masse besitzt. Ist dies allerdings nicht der Fall, spricht man von Reinelementen oder bezeichnet sie als isotopenrein.

Für die Klausur

Begriffe wie Isotop, Element etc. müsst ihr sicher definieren können, da man oftmals durch Falschantworten versuchen wird, euch zu verwirren. Zudem solltet ihr euch die unterschiedlichen „Zahlen“ herleiten können.

Wenn z. B. 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

Die meisten von euch haben vermutlich schon einmal vom Orbitalmodell 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. 1.3). 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).
Welche Elektronen haben also die größte Energie? Die, die ihre Bahnen mit der größten Distanz zum Kern ziehen (also weiter außen liegen), da die Anziehungskräfte offensichtlich nicht groß genug sind, um sie näher an den Kern zu ziehen!
Die Schalen werden deshalb vom Kern ausgehend entweder mit Buchstaben benannt (K, L, M, N, O etc.) oder durchnummeriert (1, 2, 3, 4 etc.). Gewinnt ein Elektron aus irgendeinem Grund 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 zwei multipliziert (2n2).

Für Ahnungslose

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.

Übungen

  • 1.

    In einem Atom gilt in der Regel:

    • a.

      Protonenzahl = Massenzahl

    • b.

      Massenzahl = Neutronenzahl + Protonenzahl

    • c.

      Nukleonenzahl = Neutronenzahl + Elektronenzahl

    • d.

      Elektronenzahl = Neutronenzahl

    • e.

      Ordnungszahl = Neutronenzahl + Protonenzahl

  • 2.

    Welche Aussage trifft nicht zu?

    • a.

      Elektronen sind negativ geladen.

    • b.

      Die Masse eines Atoms konzentriert sich im Kern.

    • c.

      Der Durchmesser eines Atoms wird in u gemessen.

    • d.

      Der Kern eines Atoms ist positiv geladen.

    • e.

      Die Kernladungszahl entspricht der Ordnungszahl.

  • 3.

    Vervollständige:

Symbol 59Co3+
Protonenzahl 34 76 80
Neutronenzahl 46 116 120
Elektronenzahl 36 78
Ladung 2+

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