Aufbau der Materie aus Atomen

Bereits in der Antike gab es Vermutungen darüber, dass die Materie aus kleinsten Teilchen, aus Atomen (aus dem Griechischen: atomos = unteilbar) aufgebaut ist.

Der englische Naturforscher John Dalton (1766-1844) konnte mit seiner Atomhypothese aus dem Jahre 1808 bereits früher entdeckte Gesetze über chemische Reaktionen erklären. Er ging u.a. davon aus, dass Atome bei chemischen Reaktionen nicht zerstört oder erzeugt werden können, sondern nur neu angeordnet werden.

Erst zu Beginn des 20. Jahrhunderts wurde allerdings die Frage, ob es Atome wirklich gibt, oder ob es sich nur um eine Modellvorstellung handelt, abschließend geklärt.

Einen wichtigen Beitrag dazu lieferte Albert Einstein im Jahre 1905. Er erklärte die seit langem bekannte Brownsche Bewegung kleiner Teilchen durch zufällige Stöße von Atomen oder Molekülen und konnte sogar die mittlere freie Weglänge der gestoßenen Teilchen mit Hilfe der Atomvorstellung genau berechnen.

Damit waren die letzten Zweifel über die Existenz von Atomen ausgeräumt. Über die innere Struktur, also den Aufbau von Atomen, war bis dahin aber nichts bekannt.

Größe und Masse von Atomen

Atome sind selbst mit den stärksten Lichtmikroskopen nicht zu erkennen. Die Größenordnung von Atomen lässt sich jedoch mit einem recht einfachen Versuch abschätzen, dem sog. Ölfleckversuch.

In Übereinstimmung mit anderen (komplizierteren) Experimenten erhält man damit das Ergebnis:

Der Durchmesser von Atomen liegt in der Größenordnung von zehmillionstel Millimetern (10-10m).

Das entspricht weniger als einem Tausendstel der Wellenlänge von Licht.

Die Masse von Atomen lässt sich ermitteln, wenn man die Teilchenzahl bzw. die Stoffmenge einer bekannten Masse kennt.

Der Zusammenhang zwischen Masse, Stoffmenge und Teilchenzahl wurde bereits im Abschnitt zur universellen Gasgleichung (→Thermodynamik) erläutert:

Stoffmenge und Teilchenzahl

Ein Mol ist die Stoffmenge, in der ebenso viele Teilchen enthalten sind wie in 12g des Kohlenstoffisotops 12C.

Diese Teilchenzahl wird Avogadrozahl NA genannt und beträgt

NA = 6,022 · 1023 mol-1.

Das bedeutet: In einem Mol eines Stoffs sind 6,022 · 1023 Teilchen (Atome oder Moleküle) enthalten.

Atommasse

Aus der Definition des Mols (s.o.) lässt sich die Masse eines 12C-Atoms berechnen:

Es gilt:

1mol 12C, also 6,022 · 1023 12C-Atome, haben eine Masse von 12g.

Damit beträgt die Masse eines 12C-Atoms

m\left( ^{12}C\right)=\dfrac {12g}{6,022\cdot 10^{23}}=1,993\cdot 10^{-26}kg

Die Zahl "12" vor dem chemischen Symbol C ist die sogenannte Massenzahl. Sie ist gleich der Anzahl der Kernbausteine eins Atoms (Protonen und Neutronen) und wird auch als relative Atommasse Ar bezeichnet.

1/12 der Masse des 12C-Atoms (also eine relative Atommasse von Ar = 1) entspricht der atomaren Masseneinheit in der Einheit u:

Atomare Masseneinheit:        1u = 1,6605 · 10-27kg

Die Atome der verschiedenen Elemente besitzen unterschiedliche Massen.

Allgemein lässt sich sagen:

Die Masse von Atomen liegt zwischen 10-27 kg und 10-24 kg.