Atom

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Atome (von altgriechisch atomos atomos ,,unteilbar") sind die Bausteine, aus denen alle festen, flussigen und gasformigen Stoffe bestehen. Alle Materialeigenschaften dieser Stoffe sowie ihr Verhalten in chemischen Reaktionen werden durch die Eigenschaften und die raumliche Anordnung ihrer Atome festgelegt. Jedes Atom gehort zu einem bestimmten chemischen Element und bildet dessen kleinste Einheit. Zurzeit sind 118 Elemente bekannt, von denen etwa 90 auf der Erde naturlich vorkommen. Atome verschiedener Elemente unterscheiden sich in ihrer Grosse und Masse und vor allem in ihrer Fahigkeit, mit anderen Atomen chemisch zu reagieren und sich damit zu Molekulen oder festen Korpern zu verbinden. Die Durchmesser von Atomen liegen im Bereich von 6 * 10^-11 m (Helium) bis 5 * 10^-10 m (Casium), ihre Massen in einem Bereich von 1,7 * 10^-27 kg (Wasserstoff) bis knapp 5 *10^-25 kg (die derzeit schwersten synthetisch hergestellten Kerne).

Atome sind nicht unteilbar, wie zum Zeitpunkt der Namensgebung angenommen, sondern zeigen einen wohlbestimmten Aufbau aus noch kleineren Teilchen. Sie bestehen aus einem Atomkern und einer Atomhulle. Der Atomkern hat einen Durchmesser von etwa einem Zehn- bis Hunderttausendstel des gesamten Atomdurchmessers, enthalt jedoch uber 99,9 Prozent der Atommasse. Er besteht aus positiv geladenen Protonen und einer Anzahl von etwa gleich schweren, elektrisch neutralen Neutronen. Diese Nukleonen sind durch die starke Wechselwirkung aneinander gebunden. Die Hulle besteht aus negativ geladenen Elektronen. Sie tragt mit weniger als 0,06 Prozent zur Masse bei, bestimmt jedoch die Grosse des Atoms. Der positive Kern und die negative Hulle sind durch elektrostatische Anziehung aneinander gebunden. In der elektrisch neutralen Grundform des Atoms ist die Anzahl der Elektronen in der Hulle gleich der Anzahl der Protonen im Kern. Diese Zahl legt den genauen Aufbau der Hulle und damit auch das chemische Verhalten des Atoms fest und wird deshalb als chemische Ordnungszahl bezeichnet. Alle Atome desselben Elements haben die gleiche chemische Ordnungszahl. Sind zusatzliche Elektronen vorhanden oder fehlen welche, ist das Atom negativ bzw. positiv geladen und wird als Ion bezeichnet.

Die Vorstellung vom atomaren Aufbau der Materie existierte bereits in der Antike, war jedoch bis in die Neuzeit umstritten. Der endgultige Nachweis konnte erst Anfang des 20. Jahrhunderts erbracht werden und gilt als eine der bedeutendsten Entdeckungen in Physik und Chemie. Einzelne Atome sind selbst mit den starksten Lichtmikroskopen nicht zu erkennen, da es die Wellenlange des sichtbaren Lichts fur die benotigte Auflosung in dieser Grossenordnung physikalisch nicht zulasst. Eine direkte Beobachtung einzelner Atome ist erst seit Mitte des 20. Jahrhunderts mit Feldionenmikroskopen moglich, seit einigen Jahren auch mit Rastertunnelmikroskopen und hochauflosenden Elektronenmikroskopen. Die Atomphysik, die neben dem Aufbau der Atome auch die Vorgange in ihrem Inneren und ihre Wechselwirkungen mit anderen Atomen erforscht, hat entscheidend zur Entwicklung der modernen Physik und insbesondere der Quantenmechanik beigetragen.

Die Vorstellung vom atomaren Aufbau der Materie existierte bereits in der Antike, allerdings nur in Form von spekulativen philosophischen Uberlegungen. Aufgrund ihrer extrem geringen Grosse sind einzelne Atome selbst mit den starksten Lichtmikroskopen nicht zu erkennen. Dennoch konnte Johann Loschmidt schon Mitte des 19. Jahrhunderts aufgrund makroskopischer Eigenschaften der Gase ungefahr abschatzen, wie gross und schwer ein solches hypothetisches Atom sein musste. Noch Anfang des 20. Jahrhunderts war umstritten, ob es Atome wirklich gibt. Der endgultige Nachweis ihrer Existenz gilt als eine der bedeutendsten Entdeckungen in Physik und Chemie. Einen entscheidenden Beitrag lieferte Albert Einstein 1905, indem er die bereits seit langem bekannte, im Mikroskop direkt sichtbare Brownsche Bewegung kleiner Kornchen quantitativ dadurch erklarte, dass sie von zufallig gehauften Stossen von Atomen oder Molekulen aus der Umgebung herruhrte. Erst seit wenigen Jahrzehnten erlauben Feldionenmikroskope und Rastertunnelmikroskope, seit einigen Jahren zudem auch Elektronenmikroskope, einzelne Atome direkt zu beobachten.

Das Konzept des Atomismus, namlich dass Materie aus Grundeinheiten aufgebaut ist - ,,kleinsten Teilchen", die nicht immer weiter in kleinere Stucke zerteilt werden konnen - existiert seit Jahrtausenden, genauso wie das Gegenkonzept, Materie sei ein beliebig teilbares Kontinuum. Doch diese Ideen beruhten zunachst ausschliesslich auf philosophischen Uberlegungen und nicht auf empirischer experimenteller Untersuchung. Dabei wurden den Atomen verschiedene Eigenschaften zugeschrieben, und zwar je nach Zeitalter, Kultur und philosophischer Schule sehr unterschiedliche.

Eine fruhe Erwahnung des Atomkonzepts in der Philosophie ist aus Indien bekannt. Die Nyaya- und Vaisheshika-Schulen entwickelten ausgearbeitete Theorien, wie sich Atome zu komplexeren Gebilden zusammenschlossen (erst in Paaren, dann je drei Paare).^[1]

In der griechischen Philosophie ist die Atomvorstellung erstmals im 5. Jahrhundert v. Chr. bei Leukipp uberliefert. Sein Schuler Demokrit systematisierte sie und fuhrte den Begriff atomos (atomos) ein, was etwa ,,das Unzerschneidbare" bedeutet, also ein nicht weiter zerteilbares Objekt. Diese Bezeichnung wurde Ende des 18. Jahrhunderts fur die damals hypothetischen kleinsten Einheiten der chemischen Elemente der beginnenden modernen Chemie ubernommen, denn mit chemischen Methoden lassen sich Atome in der Tat nicht ,,zerschneiden".

Experimentell arbeitende Naturwissenschaftler machten sich Ende des 18. Jahrhunderts die Hypothese vom Atom zu eigen, weil diese Hypothese im Rahmen eines Teilchenmodells der Materie eine elegante Erklarung fur neue Entdeckungen in der Chemie bot.^[2] Doch wurde gleichzeitig die gegenteilige Vorstellung, Materie sei ein Kontinuum, von Philosophen und auch unter Naturwissenschaftlern noch bis ins 20. Jahrhundert hinein aufrechterhalten.^[3]

Im Rahmen der wissenschaftlichen Erforschung konnte die Existenz von Atomen bestatigt werden. Um ihren inneren Aufbau zu beschreiben, wurden viele verschiedene Atommodelle entwickelt. Insbesondere das Wasserstoffatom als das einfachste aller Atome war dabei wichtig. Einige der Modelle werden heute nicht mehr verwendet und sind nur von wissenschaftsgeschichtlichem Interesse. Andere gelten je nach Anwendungsbereich als noch heute brauchbare Naherung. In der Regel wird das einfachste Modell genommen, welches im gegebenen Zusammenhang noch ausreicht, um die auftretenden Fragen zu klaren.

Viele der im Folgenden genannten Entdeckungen (sofern nach 1900) wurden mit dem Nobelpreis fur Physik oder Chemie ausgezeichnet.

Robert Boyle vertrat 1661 in seinem Werk The Sceptical Chymist die Meinung, die Materie sei aus diversen Kombinationen verschiedener corpuscules aufgebaut und nicht aus den vier Elementen der Alchemie: Wasser, Erde, Feuer, Luft.^[4] Damit bereitete er die Uberwindung der Alchemie durch den Element- und Atombegriff der modernen Chemie vor.

Daniel Bernoulli zeigte 1740, dass der gleichmassige Druck von Gasen auf die Behalterwande, insbesondere das Gesetz von Boyle und Mariotte, sich durch zahllose Stosse kleinster Teilchen erklaren lasst. Damit wurde seine Forschung zum Vorlaufer der kinetischen Gastheorie und statistischen Mechanik.

Ab Ende des 18. Jahrhunderts wurde die Vorstellung von Atomen genutzt, um die wohlbestimmten Winkel an den Kanten und Ecken der Edelsteine auf die verschiedenen moglichen Schichtungen von harten Kugeln zuruckzufuhren.^[5]

Nachdem Antoine Lavoisier 1789 den heutigen Begriff des chemischen Elements gepragt und die ersten Elemente richtig identifiziert hatte,^[6] benutzte 1803 John Dalton das Atomkonzept, um zu erklaren, wieso Elemente immer in Mengenverhaltnissen kleiner ganzer Zahlen miteinander reagieren (Gesetz der multiplen Proportionen). Er nahm an, dass jedes Element aus gleichartigen Atomen besteht, die sich nach festen Regeln miteinander verbinden konnen und so Stoffe mit anderen Materialeigenschaften bilden.^[7][8] Ausserdem ging er davon aus, dass alle Atome eines Elements die gleiche Masse hatten, und begrundete damit den Begriff Atomgewicht.^[9]

Die Beobachtungen zum chemischen und physikalischen Verhalten von Gasen konnte Amedeo Avogadro 1811 dahingehend zusammenfassen, dass zwei ideale Gase bei gleichen Werten von Volumen, Druck und Temperatur des Gases immer aus gleich vielen identischen Teilchen (,,Molekulen") bestehen. Die Molekule bestehen bei elementaren Gasen wie Wasserstoff, Sauerstoff oder Stickstoff immer aus zwei Atomen des Elements (Avogadrosches Gesetz).

1866 konnte Johann Loschmidt die Grosse des einzelnen Luftmolekuls bestimmen, indem er mit einer von James C. Maxwell aus der kinetischen Gastheorie gewonnenen Formel die von George Stokes gemessenen Werte fur die innere Reibung in Luft auswertete.^[10] Damit konnte er auch das Gewicht bzw. die Masse eines Luftmolekuls bestimmen. Ausserdem erhielt er die nach ihm benannte Loschmidtsche Zahl als Anzahl der Luftmolekule pro Kubikzentimeter (unter Normalbedingungen).

Infolge der Arbeiten von Avogadro und Stanislao Cannizzaro wurde angenommen, dass Atome nicht als einzelne Teilchen auftreten, sondern nur als Bestandteile von Molekulen aus mindestens zwei Atomen. Doch 1876 gelang August Kundt und Emil Warburg der erste Nachweis eines einatomigen Gases. Sie bestimmten den Adiabatenexponenten von Quecksilber-Dampf bei hoher Temperatur und erhielten einen Wert, wie er nach der kinetischen Gastheorie nur fur Teilchen in Gestalt echter Massenpunkte auftreten kann. Ab 1895 kamen entsprechende Beobachtungen an den neu entdeckten Edelgasen hinzu.^[3]

Nach Erscheinen seiner Dissertation uber die Bestimmung von Molekuldimensionen^[11] schlug Albert Einstein im selben Jahr 1905 ein Experiment vor, um die Hypothese von der Existenz der Atome anhand der Zitterbewegung kleiner Partikel in Wasser quantitativ zu prufen. Nach seiner Theorie mussten die Partikel aufgrund der Unregelmassigkeit der Stosse durch die Wassermolekule kleine, aber immerhin unter dem Mikroskop sichtbare Bewegungen ausfuhren.^[12][13][14] Es war Einstein dabei zunachst nicht bekannt, dass er damit die seit 1827 bekannte Brownsche Bewegung von Pollen quantitativ erklart hatte, fur deren Ursache schon 1863 Christian Wiener erstmals Molekularstosse angenommen hatte.^[15] Nach Einsteins Formeln hangt die Starke der Zitterbewegung von der Masse der stossenden Molekule ab, und auf dieser Grundlage bestimmte der franzosische Physiker Jean Perrin die Molekulmasse experimentell und fand ahnliche Ergebnisse wie Loschmidt.^[16] Diese Arbeiten trugen entscheidend zur allgemeinen Anerkennung der bis dahin so genannten ,,Atomhypothese" bei.

Joseph John Thomson entdeckte 1897, dass die Kathodenstrahlen aus Teilchen bestimmter Ladung und Masse bestehen und dass deren Masse kleiner als ein Tausendstel der Atommasse ist. Diese Teilchen wurden als Elektronen bezeichnet und erwiesen sich als ein Bestandteil aller Materie, was dem Konzept des Atoms als unzerteilbarer Einheit widersprach.^[17] Thomson glaubte, dass die Elektronen dem Atom seine Masse verliehen und dass sie im Atom in einem masselosen, positiv geladenen Medium verteilt seien wie ,,Rosinen in einem Kuchen" (Thomsonsches Atommodell).

Die kurz zuvor von Henri Becquerel entdeckte Radioaktivitat wurde von Marie Curie als eine Strahlung direkt aus den einzelnen Atomen angesehen und 1903 von Ernest Rutherford und Frederick Soddy mit Umwandlungen verschiedener Atomsorten ineinander in Verbindung gebracht. Ein solcher Prozess widersprach aber der in der Chemie erfolgreichen Grundannahme, die Atome seien unveranderlich. Rutherford und Soddy konnten 1908 nachweisen, dass aus den a-Teilchen, die die Alphastrahlung bilden, Helium-Atome werden.

Zusammen mit seiner Forschergruppe beschoss Ernest Rutherford 1909 eine Goldfolie mit a-Teilchen. Er stellte fest, dass die meisten der Teilchen die Folie fast ungehindert durchdrangen, wahrend einige wenige aber um sehr viel grossere Winkel abgelenkt wurden als nach Thomsons Modell moglich ware. Rutherford schloss daraus, dass fast die ganze Masse des Atoms in einem sehr viel kleineren, elektrisch geladenen Volumen in der Mitte des Atoms konzentriert sei und schuf damit die grundlegende Vorstellung vom Aufbau des Atoms aus Atomkern und Atomhulle. Dies Rutherfordsche Atommodell ist seither gultig. Die stark abgelenkten a-Teilchen waren diejenigen, die einem Kern zufallig naher als etwa ein Hundertstel des Atomradius gekommen waren.^[18] Die Ladungszahl des Atomkerns entpuppte sich als die chemische Ordnungszahl des betreffenden Elements, und a-Teilchen erwiesen sich als die Atomkerne des Heliums.

Der Chemiker Frederick Soddy stellte 1911 fest, dass manche der naturlichen radioaktiven Elemente aus Atomen mit unterschiedlichen Massen und unterschiedlicher Radioaktivitat bestehen mussten.^[19] Der Begriff Isotop fur physikalisch verschiedene Atome desselben chemischen Elements wurde 1913 von Margaret Todd vorgeschlagen.^[20] Da die Isotope desselben Elements an ihrem chemischen Verhalten nicht zu unterscheiden waren, entwickelte der Physiker J.J. Thomson ein erstes Massenspektrometer zu ihrer physikalischen Trennung. Damit konnte er 1913 am Beispiel von Neon nachweisen, dass es auch stabile Elemente mit mehreren Isotopen gibt.^[21]

1918 fand Francis William Aston mit einem Massenspektrometer von erheblich grosserer Genauigkeit heraus, dass fast alle Elemente Gemische aus mehreren Isotopen sind, wobei die Massen der einzelnen Isotope immer (nahezu) ganzzahlige Vielfache der Masse des Wasserstoffatoms sind.^[22] Rutherford wies 1919 in der ersten beobachteten Kernreaktion nach, dass durch Beschuss mit a-Teilchen aus den Kernen von Stickstoffatomen die Kerne von Wasserstoffatomen herausgeschossen werden konnen. Diesen gab er den Namen Proton und entwickelte ein Atommodell, in dem die Atome nur aus Protonen und Elektronen bestehen, wobei die Protonen und ein Teil der Elektronen den kleinen, schweren Atomkern bilden, die ubrigen Elektronen die grosse, leichte Atomhulle. Die Vorstellung von Elektronen im Atomkern stellte sich jedoch als problematisch heraus und wurde 1932 endgultig fallengelassen, nachdem von James Chadwick das Neutron als ein neutraler Kernbaustein mit etwa gleicher Masse wie das Proton nachgewiesen wurde.^[23] Damit entstand das heutige Atommodell: Der Atomkern ist zusammengesetzt aus so vielen Protonen, wie die Ordnungszahl angibt, und zusatzlich so vielen Neutronen, dass die betreffende Isotopenmasse erreicht wird; die Atomhulle besteht aus so vielen Elektronen, dass das ganze Atom neutral wird.

Die beobachteten Eigenschaften (wie Grosse, Stabilitat, Reaktionsweisen, Absorption und Emission von Licht) der Atomhulle konnten im Rahmen der klassischen Physik keine Erklarung finden. Erst unter Einbeziehung von neuartigen Quantisierungsregeln mithilfe der Planck-Konstante konnte Niels Bohr 1913 erklaren, wie es in den optischen Spektren reiner Elemente zu den Spektrallinien kommt, die fur das jeweilige Element absolut charakteristisch sind (Spektralanalyse nach Robert Wilhelm Bunsen und Gustav Robert Kirchhoff 1859). Im Franck-Hertz-Versuch konnte die quantisierte Energieaufnahme und -abgabe an Quecksilberatomen experimentell bestatigt werden. Das Bohrsche Atommodell war zwar nur fur Systeme mit lediglich einem Elektron (damals nur Wasserstoff und ionisiertes Helium) gultig, bildete jedoch im Laufe des folgenden Jahrzehnts das Fundament fur eine Reihe von Verfeinerungen. Sie fuhrten im Schalenmodell zu einem ersten Verstandnis des Aufbaus der Elektronenhullen aller Elemente und damit auch zum physikalischen Verstandnis des chemischen Periodensystems. Damit wurde das Bohrsche Atommodell zur Grundlage des popularen Bildes vom Atom als einem kleinen Planetensystem.^[24]

1925 entwickelte Werner Heisenberg zusammen mit Max Born, Pascual Jordan, Wolfgang Pauli u. a. die Matrizenmechanik. 1926 ersetzte Erwin Schrodinger die Quantisierungsregeln durch seine Wellenmechanik. Sie beschreibt die Elektronen nicht als Massenpunkte auf bestimmten ebenen Bahnen, sondern als in drei Dimensionen ausgedehnte stehende Materiewelle. Beide Formen einer neuen ,,Quantenmechanik" konnten das Spektrum des Wasserstoffatoms richtig erklaren. Als Folge dieser Beschreibungen ist es unter anderem unzulassig, einem Elektron gleichzeitig genaue Werte fur Ort und Impuls zuzuschreiben. Dieser Sachverhalt wurde 1927 von Heisenberg in der Unscharferelation formuliert. Demnach konnen statt der Bewegung auf bestimmten Bahnen nur Wahrscheinlichkeitsverteilungen fur Wertebereiche von Ort und Impuls angegeben werden, eine Vorstellung, die nur schwer zu veranschaulichen ist. Den quantisierten Umlaufbahnen des Bohrschen Modells entsprechen hier ,,Atomorbitale". Sie geben unter anderem an, wie sich in der Nahe des Atomkerns die Aufenthaltswahrscheinlichkeit der Elektronen konzentriert, und bestimmen damit die wirkliche Grosse des Atoms.

Die Beschreibung der Eigenschaften der Atome gelang mit diesen ersten vollstandig quantenmechanischen Atommodellen sehr viel besser als mit den Vorlaufermodellen. Insbesondere liessen sich auch bei Atomen mit mehreren Elektronen die Spektrallinien und die Struktur der Atomhulle in raumlicher und energetischer Hinsicht darstellen, einschliesslich der genauen Moglichkeiten, mit den Atomhullen anderer Atome gebundene Zustande zu bilden, also die aus der Chemie bekannten stabilen Molekule. Daher wurde das Bohrsche Atommodell zugunsten des quantenmechanischen Orbitalmodells des Atoms verworfen.^[25][26]

Das Orbitalmodell ist bis heute Grundlage und Ausgangspunkt genauer quantenmechanischer Berechnungen fast aller Eigenschaften der Atome. Das Orbitalmodell bei einem Atom mit mehr als einem Elektron ist physikalisch als eine Naherung zu bezeichnen, namlich als eine Ein-Teilchen-Naherung, die jedem einzelnen Elektron ein bestimmtes Orbital zuschreibt. Ein so gebildeter Zustand des Atoms wird als Konfiguration bezeichnet und gehort in der Quantenmechanik zu der einfachsten Art von Mehrteilchenzustanden. Genauere Modelle berucksichtigen, dass nach den Regeln der Quantenmechanik die Hulle auch in einem Zustand sein kann, der durch Superposition verschiedener Konfigurationen entsteht, wo also mit verschiedenen Wahrscheinlichkeitsamplituden gleichzeitig verschiedene Elektronenkonfigurationen vorliegen (Konfigurationsmischung). Hiermit werden die genauesten Berechnungen von Energieniveaus und Wechselwirkungen der Atome moglich. Wegen des dazu notigen mathematischen Aufwands werden jedoch, wo es moglich ist, auch weiterhin einfachere Atommodelle genutzt. Zu nennen ist hier neben dem Schalenmodell unter anderen das Thomas-Fermi-Modell, in dem die Elektronenhulle pauschal wie ein in einem elektrostatischen Potentialtopf gebundenes ideales Elektronengas (,,Fermigas") behandelt wird, dessen Elektronendichte wiederum (zusammen mit der Kernladung) die Form des Potentialtopfs bestimmt.

Zur Entdeckung des Atomkerns und seiner Zusammensetzung aus Protonen und Neutronen siehe den Abschnitt ,,Teilbarkeit und Aufbau der Atome" oben. Hier folgen Stichworte zur Erforschung weiterer Eigenschaften der Kerne.

Die Bindungsenergie der Nukleonen ist Ursache der hohen Energie der Quanten der radioaktiven Strahlung. Sie ubersteigt die chemische Bindungsenergie von Molekulen um funf bis sechs Grossenordnungen. Ab 1935 war hierbei erstmals eine grobe Modellvorstellung erfolgreich, das Tropfchenmodell von C.F. von Weizsacker und Hans Bethe. Damit wurde fur Kerne ab etwa 10 Nukleonen die anfangliche Zunahme der mittleren Bindungsenergie bis etwa ${\displaystyle A=60}$ durch die wachsende Anzahl erklart, in der die Nukleonen sich aufgrund der eigentlichen Kernkrafte mit ihren jeweiligen Nachbarn binden, und danach die Abnahme der mittleren Bindungsenergie aufgrund der zunehmenden elektrostatischen Abstossung, die alle Protonen untereinander betrifft.

Da das Maximum der mittleren Bindungsenergie bei mittelschweren Kernen liegt, bedeutet es Energiefreisetzung sowohl, wenn sehr leichte Kerne fusionieren, als auch wenn sehr schwere Kerne spalten. Die Fusion von Wasserstoff zu Helium wurde 1938 als Energiequelle der Sterne identifiziert. Die Spaltung nach Neutroneneinfang wurde erstmals 1938 an Urankernen (des Isotops U-235) durch Otto Hahn und Fritz Strassmann nachgewiesen. Danach wurde die Kernforschung erheblich intensiviert und fuhrte 1945 zu den ersten Atombomben, 1952 den Wasserstoffbomben und ab Mitte der 1950er Jahre zur Nutzung der Atomenergie zur Energieversorgung.^[27][28]

Sehr viel detaillierter als das Tropfchenmodell ist das 1949 von J.H.D. Jensen und Maria Goeppert-Mayer aufgestellte Schalenmodell der Kerne. Ahnlich wie das Schalenmodell der Atome nimmt es fur je ein Nukleon ein bestimmtes Orbital in einem gemeinsamen kugelsymmetrischen Potentialtopf an. Damit kann eine Fulle von Daten uber die Grundzustande und angeregten Zustande der Kerne erklart werden, zum Beispiel ihr Kernspin, ihr magnetisches Dipol- und elektrisches Quadrupolmoment, sowie uber ihre Zerfalls- und Reaktionsweisen. Aage Bohr, Ben Mottelson und James Rainwater gelang es Anfang der 1960er Jahre, dies Einzelteilchenmodell mit den Aspekten kollektiver Bewegung zu verbinden, womit auch die Abweichungen von der Kugelgestalt in bestimmten Bereichen der Nukleonenzahlen verstandlich wurden.

Die kurzreichweitigen Kernkrafte konnten in den 1970er Jahren auf die Starke Wechselwirkung zwischen Quarks zuruckgefuhrt werden.

Ab den 1950er Jahren konnten Atome und vor allem die Atomkerne durch die Entwicklung verbesserter Teilchenbeschleuniger und Teilchendetektoren beim Beschuss mit Teilchen sehr hoher Energie untersucht werden.^[29] Ende der 1960er Jahre zeigte sich in der ,,tief inelastischen Streuung" von Elektronen an Atomkernen, dass auch Neutronen und Protonen keine unteilbaren Einheiten sind, sondern aus Quarks zusammengesetzt sind.^[30]

1951 entwickelte Erwin Muller das Feldionenmikroskop und konnte damit von einer Nadelspitze erstmals ein Abbild erzeugen, das auf direkte Weise so stark vergrossert war, dass einzelne Atome darin sichtbar wurden (wenn auch nur als verschwommene Flecken). 1953 entwickelte Wolfgang Paul die magnetische Ionenfalle (Paulfalle), in der einzelne Ionen gespeichert und mit immer hoherer Genauigkeit untersucht werden konnen. Hier kann ein einzelnes Atom auch durch sein Fluoreszenzlicht direkt visuell sichtbar gemacht und fotografiert werden.^[31]

1985 entwickelte eine Arbeitsgruppe um Steven Chu die Laserkuhlung, ein Verfahren, die Temperatur einer Ansammlung von Atomen mittels Laserstrahlung stark zu verringern. Im selben Jahr gelang es einer Gruppe um William D. Phillips, neutrale Natriumatome in einer magneto-optischen Falle einzuschliessen. Durch Kombination dieser Verfahren mit einer Methode, die den Dopplereffekt nutzt, gelang es einer Arbeitsgruppe um Claude Cohen-Tannoudji, geringe Mengen von Atomen auf Temperaturen von einigen Mikrokelvin zu kuhlen. Mit diesem Verfahren konnen Atome mit hochster Genauigkeit untersucht^[32] werden; ausserdem ermoglichte es auch die experimentelle Realisierung der Bose-Einstein-Kondensation.^[33]

Anfang der 1980er Jahre wurde von Gerd Binnig und Heinrich Rohrer das Rastertunnelmikroskop entwickelt, in dem eine Nadelspitze eine Oberflache mittels des Tunneleffekts so fein abtastet, dass einzelne Atome sichtbar werden.^[34][35] Damit wurde es auch moglich, Atome einzeln an bestimmte Platze zu setzen. In den 1990er Jahren konnten Serge Haroche und David Wineland in Experimenten die Wechselwirkung eines einzelnen Atoms mit einem einzelnen Photon erfolgreich untersuchen. In den 2000er Jahren wurde die Handhabbarkeit einzelner Atome unter anderem genutzt, um einen Transistor aus nur einem Metallatom mit organischen Liganden herzustellen.^[36]

Seit Ende der 1980er Jahre werden durch Vielfachanregung mit einem Laserimpuls Rydberg-Atome erzeugt. In einem Rydberg-Atom ist ein Elektron in einem so hohen Energiezustand angeregt, dass es den Atomkern, teilweise auch den gesamten Atomrumpf, bestehend aus dem Atomkern und den restlichen Elektronen, in weitem Abstand umkreist und sein Verhalten sich damit dem eines klassischen Teilchens nahert. Rydberg-Atome konnen uber 100.000-mal grosser sein als nicht angeregte Atome. Da sie extrem empfindlich auf aussere Felder reagieren, kann man mit ihnen z. B. die Wechselwirkung eines einzelnen Atoms mit einem einzelnen Photon im Detail untersuchen. Sind zwei oder mehr Elektronen in solchen Zustanden angeregt, spricht man von planetarischen Atomen.

Die Unterscheidung und Bezeichnung verschiedener Atomsorten geht zunachst vom Aufbau des Atomkerns aus, wahrend der Zustand der Hulle gegebenenfalls durch zusatzliche Symbole angegeben wird. Kennzahlen sind die Protonenzahl (Ordnungszahl, Kernladungszahl) Z, die Neutronenzahl N des Kerns, und die daraus gebildete Massenzahl A=Z+N. Je nach ihrer Protonenzahl gehoren die Atome zu einem der 118 bekannten chemischen Elemente, von Wasserstoff mit Z=1 bis Oganesson mit Z=118. Davon sind 91 in naturlichen Vorkommen entdeckt worden, 27 nur nach kunstlicher Herstellung durch Kernreaktionen. Die Ordnung der Elemente wird im Periodensystem - wichtig fur die Chemie - graphisch veranschaulicht. Darin werden die Elemente mit aufsteigender Ordnungszahl in Form einer Tabelle angeordnet. Jede Zeile wird als Periode des Periodensystems bezeichnet und endet, wenn das jeweilige Orbital mit Elektronen voll besetzt ist (Edelgas). In den nachsten Zeilen wiederholt sich aufgrund der schrittweisen Elektronenbesetzung der nachsten Orbitale der chemische Charakter der Elemente. So stehen Elemente mit ahnlichen chemischen Eigenschaften in einer Spalte untereinander; sie bilden eine Gruppe des Periodensystems.

Atome eines Elements, die sich in der Neutronenzahl unterscheiden, gehoren zu verschiedenen Isotopen des Elements. Insgesamt bestehen die 118 Elemente aus etwa 2800 Isotopen, wovon 2500 kunstlich erzeugt wurden. Isotope werden nach dem chemischen Element und der Massenzahl bezeichnet. Fur die schwereren Wasserstoffisotope gibt es die speziellen Namen ,,Deuterium" und ,,Tritium". Das Symbol fur ein bestimmtes Isotop des Elements ${\displaystyle X}$ hat die Form ${\displaystyle _{Z}^{A}\mathrm {X} }$, ${\displaystyle ^{A}\mathrm {X} }$ oder X-A (Beispiele: ${\displaystyle _{\,\,6}^{12}\mathrm {C} }$, ${\displaystyle ^{58}\mathrm {Fe} }$, Pb-208). Die Angabe der Protonenzahl Z ist redundant, da sie schon durch die Ordnungszahl des Elements ${\displaystyle X}$ gegeben ist.

Nuklid ist die ganz allgemeine Bezeichnung fur Atomarten, unabhangig davon, ob sie zum gleichen Element gehoren oder nicht. Die Nuklidkarte oder Isotopenkarte - wichtig fur die Kernphysik und ihre Anwendungen - ist eine Tabelle, in der jede Atomart einen eigenen Platz erhalt. Dazu wird auf einer Achse die Anzahl der Protonen, auf der anderen die der Neutronen aufgetragen. Haufig wird die Stabilitat und bei instabilen Nukliden auch die Art der Umwandlung oder die Grossenordnung der Halbwertszeit durch bestimmte Farben und gegebenenfalls auch Teilung des dem Isotop zugewiesenen Platzes dargestellt.

Der Atomkern eines Nuklids ${\displaystyle _{Z}^{A}\mathrm {X} }$ kann entweder im energetischen Grundzustand oder in einem der verschiedenen Anregungszustande vorliegen. Wenn darunter relativ langlebige, sogenannte metastabile Zustande sind, werden diese als Isomere bezeichnet und als eigene Nuklide gezahlt (Symbol ${\displaystyle _{Z}^{A}\mathrm {X} ^{m}}$, ${\displaystyle _{Z}^{A}\mathrm {X} ^{*}}$ o. a.). Nach dieser Definition sind mit dem Stand von 2003 insgesamt etwa 3200 Nuklide bekannt.^[37]

In der Kernphysik werden Nuklide mit unterschiedlichen Protonenzahlen, aber gleicher Massenzahl ${\displaystyle A}$ als Isobare bezeichnet. Seltener werden unter dem Namen Isotone Nuklide mit verschiedenen Protonenzahlen, aber gleicher Neutronenzahl zusammengefasst.

Nur etwa 250 Isotope von 80 Elementen haben einen stabilen Kern. Alle anderen Atome sind instabil und wandeln sich uber kurz oder lang in Atome eines stabilen Isotops um. Da sie dabei im Allgemeinen ionisierende Strahlung erzeugen, heissen sie auch Radioisotope oder Radionuklide. Auf der Erde wurden in den naturlichen Vorkommen neben allen 250 stabilen Isotopen 30 Radioisotope gefunden, die sich auf 10 radioaktive Elemente verteilen und die naturliche Radioaktivitat verursachen.^[38] Viele weitere kurzlebige Isotope existieren im Inneren von Sternen, insbesondere wahrend der Supernova-Phase.

Als Rydberg-Atom wird ein Atom bezeichnet, in dem ein Elektron in einem so hohen Energiezustand angeregt ist, dass es den Atomkern, teilweise auch den gesamten Atomrumpf, bestehend aus dem Atomkern und den restlichen Elektronen, in weitem Abstand umkreist und sein Verhalten damit dem eines klassischen Teilchens ahnelt. Rydberg-Atome konnen uber 100.000-mal grosser sein als nicht angeregte Atome. Da sie extrem empfindlich auf aussere Felder reagieren, kann man mit ihnen z. B. die Wechselwirkung mit einem einzelnen Photon im Detail untersuchen. Sind zwei oder mehr Elektronen in solchen Zustanden angeregt, spricht man von planetarischen Atomen.

Im teils ubertragenen Sinn werden als exotische Atome auch solche Systeme bezeichnet, die in physikalischer Hinsicht gewisse Ahnlichkeiten zu den gewohnlichen Atomen aufweisen. In ihnen kann z. B. eines der Protonen, Neutronen oder Elektronen durch ein anderes Teilchen derselben Ladung ersetzt worden sein. Wird etwa ein Elektron durch ein schwereres Myon ersetzt, bildet sich ein myonisches Atom.^[39][40][41] Als Positronium wird ein exotisches Atom bezeichnet, in dem ein Elektron statt an ein Proton an ein Positron, das ist das positiv geladene Antiteilchen des Elektrons, gebunden ist. Auch Atome, die ganzlich aus Antiteilchen zur normalen Materie aufgebaut sind, sind moglich und fur sich allein sogar ebenso stabil wie die entsprechenden ,,normalen" Atome. So wurden erstmals 1995 am Genfer CERN Antiwasserstoffatome kunstlich hergestellt und nachgewiesen.^[42] An solchen exotischen Atomen lassen sich unter anderem fundamentale physikalische Theorien uber die Symmetrie zwischen Teilchen und Antiteilchen uberprufen.

Des Weiteren wird der Name ,,Atom" manchmal auch fur Zwei-Teilchen-Systeme verwendet, die nicht durch elektromagnetische Wechselwirkung zusammengehalten werden, sondern durch die starke Wechselwirkung. Bei einem solchen Quarkonium handelt es sich um ein kurzlebiges Elementarteilchen vom Typ Meson, das aus einem Quark und einem Antiquark aufgebaut ist. Ein Quarkonium-Atom lasst sich in seinen verschiedenen metastabilen Zustanden so durch Quantenzahlen klassifizieren wie das Wasserstoffatom.

Die beiden Hauptbestandteile eines Atoms sind der Atomkern und die Atomhulle. Die Hulle besteht aus Elektronen. Sie tragt mit weniger als 0,06 Prozent zur Masse des Atoms bei, bestimmt aber dessen Grosse und dessen Verhalten gegenuber anderen Atomen, wenn sie einander nahekommen. Der Kern besteht aus Protonen und Neutronen, ist im Durchmesser zehn- bis hunderttausendmal kleiner als die Hulle, enthalt aber mehr als 99,9 Prozent der Masse des Atoms.

Die in einem Atom vorhandenen Protonen und Neutronen, zusammen auch als Nukleonen bezeichnet, sind aneinander gebundenen und bilden den Atomkern. Die Nukleonen zahlen zu den Hadronen. Das Proton ist positiv geladen, das Neutron ist elektrisch neutral. Proton und Neutron haben einen Durchmesser von etwa 1,6 fm (Femtometer) und sind selber keine Elementarteilchen, sondern nach dem Standardmodell der Elementarteilchenphysik aus den punktformigen Quarks aufgebaut. Jeweils drei Quarks binden sich durch die starke Wechselwirkung, die durch Gluonen vermittelt wird, zu einem Nukleon. Die starke Wechselwirkung ist daruber hinaus fur den Zusammenhalt der Nukleonen im Atomkern verantwortlich, insbesondere ist die Anziehung bis zu etwa 2,5 fm Abstand deutlich starker als die gegenseitige elektrische Abstossung der Protonen.^[43] Unterhalb von etwa 1,6 fm wird die starke Wechselwirkung der Hadronen jedoch stark abstossend. Anschaulich gesprochen verhalten sich die Nukleonen im Kern also etwa wie harte Kugeln, die aneinander haften. Daher steigt das Volumen des Kerns proportional zur Nukleonenzahl (Massenzahl) ${\displaystyle A}$. Sein Radius betragt etwa ${\displaystyle 1{,}3{\sqrt[{3}]{A}}}$ fm.

Der leichteste Atomkern besteht aus nur einem Proton. Mehrere Protonen stossen sich zwar gemass der Elektrostatik ab, konnen zusammen mit einer geeigneten Anzahl von Neutronen aber ein stabiles System bilden. Doch schon bei kleinen Abweichungen von dem energetisch gunstigsten Zahlenverhaltnis ist der Kern instabil und wandelt sich spontan um, indem aus einem Neutron ein Proton wird oder umgekehrt und die frei werdende Energie und Ladung als Betastrahlung abgegeben wird. Kerne mit bis zu etwa 20 Protonen sind nur bei einem Verhaltnis von nahezu 1:1 von Neutronenzahl und Protonenzahl stabil. Daruber steigt in den stabilen Atomkernen das Verhaltnis von 1:1 bis auf etwa 1,5:1, weil bei grosseren Protonenzahlen wegen ihrer elektrostatischen Abstossung die Anzahl der Neutronen schneller anwachsen muss als die der Protonen (Details siehe Tropfchenmodell). Die Bindungsenergie liegt in stabilen Kernen (abgesehen von den leichtesten) oberhalb von 7 MeV pro Nukleon (siehe Abbildung) und ubertrifft damit die Bindungsenergie der ausseren Elektronen der Atomhulle oder die chemische Bindungsenergie in stabilen Molekulen um das ca. 10⁶-fache. Kerne mit bestimmten Nukleonenzahlen, die als Magische Zahl bezeichnet werden, beispielsweise Helium-4, Sauerstoff-16 oder Blei-208, sind besonders stabil, was mit dem Schalenmodell des Atomkerns erklart werden kann.

Oberhalb einer Zahl von 82 Protonen (also jenseits von Blei) sind alle Kerne instabil. Sie wandeln sich durch Ausstossen eines Kerns He-4 in leichtere Kerne um (Alphastrahlung). Dies wiederholt sich, zusammen mit Betastrahlung, so lange, bis ein stabiler Kern erreicht ist; mehrere Zerfallsstufen bilden eine Zerfallsreihe. Auch zu den Protonenzahlen 43 (Technetium) und 61 (Promethium) existiert kein stabiler Kern. Daher kann es insgesamt nur 80 verschiedene stabile chemische Elemente geben, alle weiteren sind radioaktiv. Sie kommen auf der Erde nur dann naturlich vor, wenn sie selber oder eine ihrer Muttersubstanzen eine genugend lange Halbwertzeit haben.

Da der Grossteil der Atommasse von den Neutronen und Protonen stammt und diese etwa gleich schwer sind, wird die Gesamtzahl dieser Teilchen in einem Atom als Massenzahl bezeichnet. Die genaue Masse eines Atoms wird oft in der atomaren Masseneinheit u angegeben; ihr Zahlenwert ist dann etwa gleich der Massenzahl. Kleinere Abweichungen entstehen durch den Massendefekt der Atomkerne. Die atomare Masseneinheit ergibt sich aus der Definition der SI-Einheit des Mols in der Art und Weise, dass ein Atom des Kohlenstoffisotops ¹²C (im Grundzustand inklusive seiner Hullenelektronen) eine Masse von exakt 12 u besitzt. Damit betragt 1 u gleich 1,66053904 * 10^-27 kg.^[44] Ein Atom des leichtesten Wasserstoffisotops hat eine Masse von 1,007825 u. Das schwerste stabile Nuklid ist das Bleiisotop ²⁰⁸Pb mit einer Masse von 207,9766521 u.^[45]

Da makroskopische Stoffmengen so viele Atome enthalten, dass die Angabe ihrer Anzahl als naturliche Zahl unhandlich ware, erhielt die Stoffmenge eine eigene Einheit, das Mol. Ein Mol sind etwa 6,022 * 10²³ Atome (oder auch Molekule oder andere Teilchen; die betrachtete Teilchenart muss immer mitgenannt werden). Die Masse von 1 Mol Atomen der Atommasse X u ist daher exakt X g.^[44] Daher ist es in der Chemie ublich, Atommassen statt in u auch indirekt in g/mol anzugeben.

In welcher Art ein instabiler Atomkern zerfallt, ist fur das jeweilige Radionuklid typisch. Bei manchen Nukliden konnen die (untereinander vollig gleichen) Kerne auch auf verschiedene Arten zerfallen, so dass mehrere Zerfallskanale mit bestimmten Anteilen beteiligt sind. Die wichtigsten radioaktiven Zerfalle sind

• Alpha-Zerfall, bei dem sich aus zwei Protonen und zwei Neutronen des Kerns durch die starke Wechselwirkung ein Helium-Atomkern bildet, der ausgestossen wird,
• Beta-Zerfall, bei dem mittels der schwachen Wechselwirkung ein Neutron des Kerns in ein Proton oder umgekehrt umgewandelt wird und ein Elektron und ein Antineutrino beziehungsweise ein Positron und ein Neutrino erzeugt und ausgesendet werden,
• Gamma-Zerfall, bei dem ein angeregter Kern durch elektromagnetische Wechselwirkung Gammastrahlung erzeugt und in ein niedrigeres Energieniveau gelangt, bei gleichbleibender Protonen- und Neutronenzahl.

Die Energien der Strahlungen sind fur das jeweilige Nuklid charakteristisch, ebenso wie die Halbwertszeit, die angibt, wie lange es dauert, bis die Halfte einer Probe des Nuklids zerfallen ist.

Durch Anlagerung eines Neutrons kann sich ein Kern in das nachstschwerere Isotop desselben Elements verwandeln. Durch den Beschuss mit Neutronen oder anderen Atomkernen kann ein grosser Atomkern in mehrere kleinere Kerne gespalten werden. Einige schwere Nuklide konnen sich auch ohne aussere Einwirkung spontan spalten.

Grossere Atomkerne konnen aus kleineren Kernen gebildet werden. Dieser Vorgang wird Kernfusion genannt. Fur eine Fusion mussen sich Atomkerne sehr nahekommen. Diesem Annahern steht die elektrostatische Abstossung beider Kerne, der sogenannte Coulombwall, entgegen. Aus diesem Grund ist eine Kernfusion (ausser in bestimmten Experimenten) nur unter sehr hohen Temperaturen von mehreren Millionen Grad und hohen Drucken, wie sie im Inneren von Sternen herrschen, moglich. Die Kernfusion ist bei Nukliden bis zum Nickel-62 eine exotherme Reaktion, so dass sie im Grossen selbsterhaltend ablaufen kann. Sie ist die Energiequelle der Sterne. Bei Atomkernen jenseits des Nickels nimmt die Bindungsenergie pro Nukleon ab; die Fusion schwererer Atomkerne ist daher endotherm und damit kein selbsterhaltender Prozess. Die Kernfusion in Sternen kommt daher zum Erliegen, wenn die leichten Atomkerne aufgebraucht sind.^[46]

Die Atomhulle besteht aus Elektronen, die aufgrund ihrer negativen Ladung an den positiven Atomkern gebunden sind. Sie wird oft auch als Elektronenhulle bezeichnet. Bei einem neutralen Atom mit ${\displaystyle Z}$ Elektronen betragt die durchschnittliche Bindungsenergie je Elektron etwa ${\displaystyle 13{,}6\;Z^{4/3}}$.^[47] Sie nimmt daher mit steigender Teilchenzahl erheblich zu, im Gegensatz zur durchschnittlichen Bindungsenergie pro Nukleon im Kern, die ab der Massenzahl ${\displaystyle A=62}$ sogar abnimmt. Zur Erklarung wird angefuhrt, dass zwischen Nukleonen nur Bindungskrafte kurzer Reichweite wirken, die kaum uber die benachbarten Teilchen hinausreichen, wahrend die Hulle durch die elektrostatische Anziehungskraft gebunden ist, die vom ${\displaystyle Z}$-fach geladenen Kern aus alle Elektronen erfasst.

Abgesehen von der Masse, die zu uber 99,95 Prozent im Atomkern konzentriert ist, ist die Atomhulle fur praktisch alle ausseren Eigenschaften des Atoms verantwortlich. Der Begriff Atommodell bezieht sich daher im engeren Sinn meist nur auf die Hulle (siehe Liste der Atommodelle). Ein einfaches Atommodell ist das Schalenmodell, nach dem die Elektronen sich in bestimmten Schalen um den Kern anordnen, in denen jeweils fur eine bestimmte Anzahl Elektronen Platz ist. Allerdings haben diese Schalen weder einen bestimmten Radius noch eine bestimmte Dicke, sondern uberlappen und durchdringen einander teilweise. Besser getrennt sind sie auf der Skala der Bindungsenergie der Elektronen.

Die Atomhulle bestimmt die Starke und Abstandsabhangigkeit der Krafte zwischen zwei Atomen. Im Abstandsbereich mehrerer Atomdurchmesser polarisieren sich die gesamten Atomhullen wechselseitig, sodass durch elektrostatische Anziehung anziehende Krafte, die Van-der-Waals-Krafte, entstehen. Sie bewirken vor allem die Kondensation der Gase zu Flussigkeiten, also einen Wechsel der Aggregatzustande.

Die (naherungsweise) Inkompressibilitat der Flussigkeiten und Festkorper hingegen beruht darauf, dass alle Atome bei starker Annaherung einander stark abstossen, sobald sich ihre Hullen im Raum merklich uberschneiden und daher verformen mussen. Ausser im Fall zweier Wasserstoffatome, die jeweils nur ein Elektron in der Hulle haben, spielt die elektrostatische Abstossung der beiden Atomkerne dabei nur eine geringe Rolle.

In einem mittleren Abstandsbereich zwischen dem Vorherrschen der schwach anziehenden Van-der-Waals-Krafte und der starken Abstossung kommt es zwischen zwei oder mehr zueinander passenden Atomhullen zu einer besonders starken Anziehung, der chemischen Bindung. Bei Atomen bestimmter Elemente kann diese Anziehung zu einem stabilen Molekul fuhren, das aus Atomen in zahlenmassig genau festgelegter Beteiligung und raumlicher Anordnung aufgebaut ist. Die Molekule sind die kleinsten Stoffeinheiten der chemischen Verbindungen, also der homogenen Materialien in all ihrer Vielfalt. Vermittelt uber die Hullen ihrer Atome ziehen auch Molekule einander an. Ein fester Korper entsteht, wenn viele Molekule sich aneinander binden und dabei, weil es energetisch gunstig ist, eine feste Anordnung einhalten. Ist diese Anordnung regelmassig, bildet sich ein Kristallgitter. Infolge dieser Bindung ist der feste Korper nicht nur weitgehend inkompressibel wie eine Flussigkeit, sondern im Unterschied zu dieser auch auf Zug belastbar und deutlich weniger leicht verformbar. Verbinden sich Atome metallischer Elemente miteinander, ist ihre Anzahl nicht festgelegt und es konnen sich nach Grosse und Gestalt beliebige Korper bilden. Vor allem chemisch reine Metalle zeigen dann meist auch eine grosse Verformbarkeit. Verbindungen verschiedener Metalle werden Legierung genannt. Die Art der Bindung von Metallatomen erklart, warum Elektronen sich fast frei durch das Kristallgitter bewegen konnen, was die grosse elektrische Leitfahigkeit und Warmeleitfahigkeit der Metalle verursacht. Zusammengefasst ergeben sich aus der Wechselwirkung der Atomhullen miteinander die mechanische Stabilitat und viele weitere Eigenschaften der makroskopischen Materialien.

Aufgrund des unscharfen Randes der Atomhulle liegt die Grosse der Atome nicht eindeutig fest. Die als Atomradien tabellierten Werte sind aus der Bindungslange gewonnen, das ist der energetisch gunstigste Abstand zwischen den Atomkernen in einer chemischen Bindung. Insgesamt zeigt sich mit steigender Ordnungszahl eine in etwa periodische Variation der Atomgrosse, die mit der periodischen Variation des chemischen Verhaltens gut ubereinstimmt. Im Periodensystem der Elemente gilt allgemein, dass innerhalb einer Periode, also einer Zeile des Systems, eine bestimmte Schale aufgefullt wird. Von links nach rechts nimmt die Grosse der Atome dabei ab, weil die Kernladung anwachst und daher alle Schalen starker angezogen werden. Wenn eine bestimmte Schale mit den stark gebundenen Elektronen gefullt ist, gehort das Atom zu den Edelgasen. Mit dem nachsten Elektron beginnt die Besetzung der Schale mit nachstkleinerer Bindungsenergie, was mit einem grosseren Radius verbunden ist. Innerhalb einer Gruppe, also einer Spalte des Periodensystems, nimmt die Grosse daher von oben nach unten zu. Dementsprechend ist das kleinste Atom das Heliumatom am Ende der ersten Periode mit einem Radius von 32 pm, wahrend eines der grossten Atome das Caesiumatom ist, das erste Atom der 5. Periode. Es hat einen Radius von 225 pm.^[48]

Die dem Schalenmodell zugrundeliegenden Elektronenschalen ergeben sich durch die Quantisierung der Elektronenenergien im Kraftfeld des Atomkerns nach den Regeln der Quantenmechanik. Um den Kern herum bilden sich verschiedene Atomorbitale, das sind unscharf begrenzte Wahrscheinlichkeitsverteilungen fur mogliche raumliche Zustande der Elektronen. Jedes Orbital kann aufgrund des Pauli-Prinzips mit maximal zwei Elektronen besetzt werden, dem Elektronenpaar. Die Orbitale, die unter Vernachlassigung der gegenseitigen Abstossung der Elektronen und der Feinstruktur theoretisch die gleiche Energie hatten, bilden eine Schale. Die Schalen werden mit der Hauptquantenzahl durchnummeriert oder fortlaufend mit den Buchstaben K, L, M,... bezeichnet. Genauere Messungen zeigen, dass ab der zweiten Schale nicht alle Elektronen einer Schale die gleiche Energie besitzen. Falls erforderlich, wird durch die Nebenquantenzahl oder Drehimpulsquantenzahl eine bestimmte Unterschale identifiziert.

Sind die Orbitale, angefangen vom energetisch niedrigsten, so weit mit Elektronen besetzt, dass die gesamte Elektronenzahl gleich der Protonenzahl des Kerns ist, ist das Atom neutral und befindet sich im Grundzustand. Werden in einem Atom ein oder mehrere Elektronen in energetisch hoherliegende Orbitale versetzt, ist das Atom in einem angeregten Zustand. Die Energien der angeregten Zustande haben fur jedes Atom wohlbestimmte Werte, die sein Termschema bilden. Ein angeregtes Atom kann seine Uberschussenergie abgeben durch Stosse mit anderen Atomen, durch Emission eines der Elektronen (Auger-Effekt) oder durch Emission eines Photons, also durch Erzeugung von Licht oder Rontgenstrahlung. Bei sehr hoher Temperatur oder in Gasentladungen konnen die Atome durch Stosse Elektronen verlieren (siehe Ionisationsenergie), es entsteht ein Plasma, so z. B. in einer heissen Flamme oder in einem Stern.

Da die Energien der Quanten der emittierten Strahlung je nach Atom bzw. Molekul und den beteiligten Zustanden verschieden sind, lasst sich durch Spektroskopie dieser Strahlung die Quelle im Allgemeinen eindeutig identifizieren. Beispielsweise zeigen die einzelnen Atome ihr elementspezifisches optisches Linienspektrum. Bekannt ist etwa die Natrium-D-Linie, eine Doppellinie im gelben Spektralbereich bei 588,99 nm und 589,59 nm,^[49] die auch in nebenstehender Abbildung mit D-1 bezeichnet wird. Ihr Aufleuchten zeigt die Anwesenheit von angeregten Natrium-Atomen an, sei es auf der Sonne oder uber der Herdflamme bei Anwesenheit von Natrium oder seinen Salzen. Da diese Strahlung einem Atom auch durch Absorption dieselbe Energie zufuhren kann, lassen sich die Spektrallinien der Elemente sowohl in Absorptions- als auch in Emissionsspektren beobachten. Diese Spektrallinien lassen sich auch verwenden, um Frequenzen sehr prazise zu vermessen, beispielsweise fur Atomuhren.

Obwohl Elektronen sich untereinander elektrostatisch abstossen, konnen in einem neutralen Atom zusatzlich bis zu zwei weitere Elektronen gebunden werden, wenn es bei der hochsten vorkommenden Elektronenenergie noch Orbitale mit weiteren freien Platzen gibt (siehe Elektronenaffinitat). Chemische Reaktionen, d. h. die Verbindung mehrerer Atome zu einem Molekul oder sehr vieler Atome zu einem Festkorper, werden dadurch erklart, dass ein oder zwei Elektronen aus einem der ausseren Orbitale eines Atoms (Valenzelektronen) unter Energiegewinn auf einen freien Platz in einem Orbital eines benachbarten Atoms ganz hinuberwechseln (Ionenbindung) oder sich mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit dort aufhalten (kovalente Bindung durch ein bindendes Elektronenpaar). Dabei bestimmt die Elektronegativitat der Elemente, bei welchem Atom sich die Elektronen wahrscheinlicher aufhalten. In der Regel werden chemische Bindungen so gebildet, dass die Atome die Elektronenkonfiguration eines Edelgases erhalten (Edelgasregel). Fur das chemische Verhalten des Atoms sind also Form und Besetzung seiner Orbitale entscheidend. Da diese allein von der Protonenzahl bestimmt werden, zeigen alle Atome mit gleicher Protonenzahl, also die Isotope eines Elements, nahezu das gleiche chemische Verhalten.

Nahern sich zwei Atome uber die chemische Bindung hinaus noch starker an, mussen die Elektronen eines Atoms wegen des Pauli-Prinzips auf freie, aber energetisch ungunstige Orbitale des anderen Atoms ausweichen, was einen erhohten Energiebedarf und damit eine abstossende Kraft nach sich zieht.

Mit grosser Genauigkeit wird die Wechselwirkung zwischen Kern und Hulle schon durch den einfachen Ansatz beschrieben, in dem der Kern eine punktformige Quelle eines elektrostatischen Felds nach dem Coulomb-Gesetz darstellt. Alle genannten Atommodelle beruhen hierauf. Aufgrund zusatzlicher Effekte, die in erweiterten Modellen behandelt werden, sind nur extrem kleine Korrekturen notig, die unter dem Namen Hyperfeinstruktur zusammengefasst werden. Zu berucksichtigen sind hier drei Effekte: erstens die endliche Ausdehnung, die jeder Kern besitzt, zweitens eine magnetische Dipolwechselwirkung, wenn sowohl Kern als auch Hulle eine Drehimpulsquantenzahl von mindestens 1/2 haben, und drittens eine elektrische Quadrupolwechselwirkung, wenn beide Drehimpulsquantenzahlen mindestens 1 sind.

Die endliche Ausdehnung des Kerns - verglichen mit einer theoretischen Punktladung - bewirkt eine schwachere Anziehung derjenigen Elektronen, deren Aufenthaltswahrscheinlichkeit bis in den Kern hineinreicht. Betroffen sind nur s-Orbitale (Bahndrehimpuls Null). Bei Atomen mittlerer Ordnungszahl liegt die Korrektur der Bindungsenergie in der Grossenordnung von 1 Prozent. Die magnetischen Dipol- bzw. elektrischen Quadrupol-Momente von Hulle und Kern bewirken eine Kopplung mit der Folge, dass die Gesamtenergie eines freien Atoms je nach Quantenzahl seines Gesamtdrehimpulses ausserst geringfugig aufgespalten ist. Im H-Atom betragt die Aufspaltung etwa ein Millionstel der Bindungsenergie des Elektrons (siehe 21-cm-Linie). Anschaulich gesprochen hangt die Energie davon ab, in welchem Winkel die Achsen der beiden magnetischen Dipolmomente bzw. elektrischen Quadrupolmomente von Kern und Hulle zueinander stehen.

Auch bei Atomen in Flussigkeiten und Festkorpern machen sich diese Wechselwirkungen in entsprechend modifizierter Form bemerkbar. Trotz der Kleinheit der dadurch verursachten Effekte haben sie eine grosse Rolle in der Atom- und Kernforschung gespielt und sind in besonderen Fallen auch bei modernen Anwendungen wichtig.

Etwa eine Sekunde nach dem Urknall kamen wegen sinkender Temperatur die standigen Umwandlungen zwischen den Elementarteilchen zur Ruhe, ubrig blieben Elektronen, Protonen und Neutronen. In den darauf folgenden drei Minuten verbanden sich in der primordialen Nukleosynthese die vorhandenen Neutronen mit Protonen zu den einfachsten Kernen: Deuterium, Helium, in geringerem Umfang auch Lithium und moglicherweise in noch kleineren Mengen Beryllium und Bor. Die ubrigen Protonen (86 Prozent) blieben erhalten.^[50] Die ersten neutralen Atome mit dauerhaft gebundenen Elektronen wurden erst 380.000 Jahre nach dem Urknall in der Rekombinationsphase gebildet, als das Universum durch Expansion so weit abgekuhlt war, dass die Atome nicht sogleich wieder ionisiert wurden.^[51]

Die Kerne aller schwereren Atome wurden und werden durch verschiedene Prozesse der Kernfusion erzeugt. Am wichtigsten ist die stellare Nukleosynthese, durch die in Sternen zunachst Helium, anschliessend auch die schwereren Elemente bis zum Eisen gebildet werden. Elemente mit hoheren Kernladungszahlen als Eisen entstehen in explosionsartigen Vorgangen wie im r-Prozess in Supernovae und im s-Prozess in AGB-Sternen, die kurz vor dem Ende ihrer Lebensdauer sind.

Kleine Mengen verschiedener Elemente und Isotope werden auch dadurch gebildet, dass schwere Kerne wieder geteilt werden. Das geschieht durch radioaktive Zerfalle (siehe Zerfallsreihe), die u. a. fur einen Teil des Vorkommens von Helium und Blei verantwortlich sind, und Spallationen, die fur die Entstehung von Lithium, Beryllium und Bor wichtig sind.^[52]

Im beobachtbaren Universum liegen die Atome mit einer mittleren Dichte von 0,25 Atome/m3 vor. Nach dem Urknallmodell (Lambda-CDM-Modell) bilden sie etwa 4,9 Prozent der gesamten Energiedichte. Die ubrigen 95,1 Prozent, deren Natur noch weitgehend unklar ist, setzen sich aus etwa 27 Prozent dunkler Materie und 68 Prozent dunkler Energie zusammen,^[53] sowie kleinen Beitragen von Neutrinos und elektromagnetischer Strahlung.^[54] Im Inneren einer Galaxie wie etwa der Milchstrasse ist im interstellaren Medium (ISM) die Dichte der Atome wesentlich hoher und liegt zwischen 10⁴ und 10¹¹ Atome/m³.^[55] Die Sonne befindet sich in der weitgehend staubfreien lokalen Blase, daher ist die Dichte in der Umgebung des Sonnensystems nur etwa 10³ Atome/m³.^[56] In festen Himmelskorpern wie der Erde betragt die Atomdichte etwa 10²⁹ Atome/m³.

In der Verteilung der Elemente dominiert im Universum Wasserstoff mit rund drei Viertel der Masse, danach folgt Helium mit etwa einem Viertel. Alle schwereren Elemente sind viel seltener und machen nur einen kleinen Teil der im Universum vorhandenen Atome aus. Ihre Haufigkeiten werden von den verschiedenen Mechanismen der Nukleosynthese bestimmt.^[57]

Im Sonnensystem sind Wasserstoff und Helium vorwiegend in der Sonne und den Gasplaneten enthalten. Dagegen uberwiegen auf der Erde die schweren Elemente. Die haufigsten Elemente sind hier Sauerstoff, Eisen, Silicium und Magnesium. Der Erdkern besteht vorwiegend aus Eisen, wahrend in der Erdkruste Sauerstoff und Silicium vorherrschen.

Indirekte Moglichkeiten, Atome zu erkennen, beruhen auf der Beobachtung der von ihnen ausgehenden Strahlung. So kann aus Atomspektren beispielsweise die Elementzusammensetzung entfernter Sterne bestimmt werden. Die verschiedenen Elemente lassen sich durch charakteristische Spektrallinien identifizieren, die auf Emission oder Absorption durch Atome des entsprechenden Elements in der Sternatmosphare zuruckgehen. Gasentladungslampen, die dasselbe Element enthalten, zeigen diese Linien als Emissionslinien.^[58] Auf diese Weise wurde z. B. 1868 Helium im Spektrum der Sonne nachgewiesen - uber 10 Jahre, bevor es auf der Erde entdeckt wurde.^[59]

Ein Atom kann ionisiert werden, indem eines seiner Elektronen entfernt wird. Die elektrische Ladung sorgt dafur, dass die Flugbahn eines Ions von einem Magnetfeld abgelenkt wird. Dabei werden leichte Ionen starker abgelenkt als schwere. Das Massenspektrometer nutzt dieses Prinzip, um das Masse-zu-Ladung-Verhaltnis von Ionen und damit die Atommassen zu bestimmen.

Die Elektronenenergieverlustspektroskopie misst den Energieverlust eines Elektronenstrahls bei der Wechselwirkung mit einer Probe in einem Transmissionselektronenmikroskop.

Eine direkte Abbildung, die einzelne Atome erkennen lasst, wurde erstmals 1951 mit dem Feldionenmikroskop (oder Feldemissionsmikroskop) erzielt. Auf einem kugelformigen Bildschirm, in dessen Mittelpunkt sich eine extrem feine Nadelspitze befindet, erscheint ein etwa millionenfach vergrossertes Bild. Darin sind die obersten Atome, die die Spitze bilden, nebeneinander als einzelne Lichtpunkte zu erkennen. Dies kann heute auch im Physikunterricht an der Schule vorgefuhrt werden. Das Bild entsteht in Echtzeit und erlaubt z. B. die Betrachtung der Warmebewegung einzelner Fremdatome auf der Spitze.

Auch das Rastertunnelmikroskop ist ein Gerat, das einzelne Atome an der Oberflache eines Korpers sichtbar macht. Es verwendet den Tunneleffekt, der es Teilchen erlaubt, eine Energiebarriere zu passieren, die sie nach klassischer Physik nicht uberwinden konnten. Bei diesem Gerat tunneln Elektronen durch einen nur Nanometer breiten Spalt zwischen einer elektrisch leitenden Spitze und der elektrisch leitenden Probe. Bei Seitwartsbewegungen zur Abrasterung der Probe wird die Hohe der Spitze so nachgeregelt, dass immer derselbe Strom fliesst. Die Bewegung der Spitze bildet die Topographie und Elektronenstruktur der Probenoberflache ab. Da der Tunnelstrom sehr stark vom Abstand abhangt, ist die laterale Auflosung viel feiner als der Radius der Spitze, manchmal atomar.^[34][35]

Eine tomographische Atomsonde erstellt ein dreidimensionales Bild mit einer Auflosung unterhalb eines Nanometers und kann einzelne Atome ihrem chemischen Element zuordnen.^[60]

Aufbauend auf einer um 2010 entwickelten Atom-Licht-Schnittstelle ist es 2020 gelungen, Fotos einzelner Atome zu machen, die weniger als einen Tausendstel Millimeter uber einer lichtleitenden Glasfaser schweben. Dadurch ist es unter Laborbedingungen nun moglich, Effekte wie die Absorption und Aussendung von Licht kontrollierter als bisher zu untersuchen. Dies kann bei der Entwicklung neuartiger optischer Glasfaser-Netzwerke helfen.^[61]

• Hans Paetz gen. Schieck: Atome, Kerne, Quarks - Alles begann mit Rutherford (= essentials). Springer Fachmedien Wiesbaden, Wiesbaden 2019, ISBN 978-3-658-24810-9, doi:10.1007/978-3-658-24811-6.
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• HydrogenLab: Wie sieht ein Atom aus?
• Ubersicht uber die verschiedenen Atommodelle
• Geschichtlicher Uberblick zum Atombegriff aus naturphilosophischer Perspektive von Brigitte Falkenburg im Online-Lexikon naturphilosophischer Grundbegriffe.

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