Elektron, Proton, Neutron – die Teilchen im Atom. Viele naturwissenschaftliche Phänomene kann man schon verstehen, wenn man weiß, was ein Elektron, ein Proton und ein Neutron ist und wo sie im Atom zu finden sind.
Atomphysik erscheint vielen Menschen noch immer als ein Buch mit sieben Siegeln. Und tatsächlich ist es eine äußerst komplexe Wissenschaft, die die Vorstellungswelt des Alltags weit hinter sich lässt – nicht nur in Fernsehserien wie „Jimmy Neutron“. Doch viele Phänomene aus Physik, Chemie und nicht zuletzt moderner Technik lassen sich bereits verstehen, wenn man ein paar grundsätzliche Dinge über den Aufbau von Atomen weiß.
Das erste Atommodell stammt von den Griechen
Jedes Kind weiß, dass man Dinge in zwei Teile zerlegen kann. Ob man ein Blatt Papier durchreißt, ein Stück Holz spaltet oder einen Nagel aus Eisen zersägt – immer ist das, was man erhält, aus demselben Stoff wie der ursprüngliche Gegenstand. Doch wie weit kann man dieses Zerlegen treiben?
Diese Frage stellten sich schon die Alten Griechen. Sie nahmen an, dass man irgendwann einmal auf ein „kleinstes Teilchen“ stoßen würde, etwas, das man nicht mehr weiter zerlegen könnte. Sie nannten dieses Teilchen „átomos“, was soviel wie „unteilbar“ bedeutete. Dabei handelte es sich um eine rein theoretische Vorstellung – niemand nahm an, dass man mit den zur Verfügung stehenden Werkzeugen ein so kleines Teil tatsächlich entdecken könnte.
Die Wissenschaft hat das Teilchenmodell bewiesen
Nach der Entstehung der modernen Wissenschaft wurde dieses Teilchenmodell – also die Idee, dass alles im Universum aus kleinsten Teilchen besteht – wieder aufgegriffen. Man nannte diese Teilchen nun Atome und stellte sie sich als sehr kleine Kugeln vor. Allerdings musste es verschiedene Arten von Atomen geben. Nur so ließ sich erklären, dass es ungefähr hundert verschiedene Grundstoffe, sogenannte chemische Elemente, gibt.
Heute wissen wir, dass tatsächlich alles aus Atomen besteht – allerdings sind sie entgegen ihrem Namen nicht unteilbar, und sie stellen auch nicht die kleinste Einheit der Materie dar. Vielmehr bestehen sie wiederum aus kleineren Teilchen, die man heute zusammenfassend als Elementarteilchen bezeichnet. Die wichtigsten dieser Teilchen sind das Elektron, das Proton und das Neutron.
Welche Bedeutung haben die Atome, wenn sie doch ebenso wie größere Stoffmengen weiter unterteilt werden können? Ganz einfach: Sie sind die kleinste Einheit, die noch dieselben chemischen Eigenschaften hat wie der Gegenstand, den wir zerteilt haben. Betrachten wir wieder den Nagel aus Eisen: Egal, wie oft wir ihn durchsägen, die einzelnen Stücke bestehen immer aus Eisen. Es ist ein Metall, kann sich mit Sauerstoff verbinden (wir nennen das „rosten“) und so weiter. Das gilt solange, bis wir bei einem einzelnen Eisenatom ankommen.
Zerlegen wir dieses Atom nun weiter, so haben wir kein Eisen mehr. So ähnlich ist es bei jedem der rund hundert Elemente. Tatsächlich gehört zu jedem Element genau eine Art von Atom (meist mit verschiedenen Unterarten). Diese verschiedenen Atome unterscheiden sich in der Anzahl der Protonen und Neutronen. Die Anzahl der Elektronen ist im Grundzustand immer genauso groß wie die Zahl der Protonen.
Der Atomkern besteht aus Protonen und Neutronen, die Hülle aus Elektronen
Dabei ist jedes Atom in einen Kern und eine Hülle unterteilt. Der Kern besteht aus Protonen und Neutronen. Die Zahl der Protonen bestimmt, um welches Element es sich handelt: Atome mit einem Proton bilden immer Wasserstoff, Eisenatome dagegen haben immer genau 26 Protonen. Die Zahl der Neutronen ist ebenso groß wie oder größer als die Zahl der Protonen. Nur das einfachste Atom, das Wasserstoffatom, enthält überhaupt kein Neutron.
Die Atomhülle dagegen besteht nur aus Elektronen, die um den Atomkern kreisen wie die Planeten um unsere Sonne. (Das Wasserstoffatom besteht also aus einem einzelnen Proton, das von einem Elektron umkreist wird.) Während alle Teilchen im Kern, also Protonen und Neutronen, fast gleich schwer sind, sind die Elektronen wesentlich leichter: Ein Proton wiegt ungefähr so viel wie 2.000 Elektronen! Fast die gesamte Masse des Atoms befindet sich daher im Kern.
Wichtig sind die Elektronen aber trotzdem: Obwohl ein Elektron leichter ist als ein Proton, ist es genauso stark elektrisch geladen – nur sind die Protonen positiv, die Elektronen negativ geladen. (Die Neutronen hingegen tragen gar keine elektrische Ladung.) Weil nun jedes Atom normalerweise ebenso viele Protonen (also positive Ladungen) besitzt wie Elektronen (also negative Ladungen), spürt man von außen keine Elektrizität. Die unterschiedlichen Ladungen heben sich gegenseitig auf.
Elektron, Proton und Neutron bilden den Einstieg in eine faszinierende Wissenschaft
Dieses einfache Modell des Atoms reicht bereits zur Erklärung vieler naturwissenschaftlicher Vorgänge aus. So ordnen die Chemiker die Elemente einfach nach der Zahl der Protonen in den Atomen – und erhalten damit das berühmte Periodensystem der Elemente, das jeder Schüler von der Wand seines Chemieraums her kennt. Auch die Kettenreaktion in einer Atombombe oder die Fusion von Wasserstoffkernen in der Sonne lässt sich jetzt im Prinzip verstehen.
Dennoch haben die Wissenschaftler (angefangen mit Niels Bohr) in den letzten hundert Jahren unsere Vorstellungen von den Atomen weiterentwickelt. Dabei haben sie faszinierende Dinge herausgefunden, die nahezu unglaublich sind und unser gesamtes Weltbild in Frage gestellt haben. Es lohnt sich also, sich näher mit der Welt der Elementarteilchen zu beschäftigen. Die Kenntnis von Elektronen, Protonen und Neutronen bietet dafür eine gute Grundlage.