Atome und Moleküle

Alles um uns herum ist aus Atomen aufgebaut. Pflanzen, Tiere, Menschen, Erde, Luft, die Sonne und was es sonst noch alles gibt. Die Atome sind aber so klein, dass man sie weder mit den Augen noch mit den stärksten Mikroskopen sehen kann.

Der Name „Atom“ kommt von dem griechischen Wort „atomos“, was „das Unzerschneidbare“ oder „das Unteilbare“ bedeutet. Ausgedacht haben sich das die griechischen Philosophen Leukipp und Demokrit, die vor etwa 2500 Philosophen dachten über Beobachtungen in der Natur nach und versuchten diese zu erklären. Eine gute Vorstellung von Atomen hat man aber erst etwa seit dem Jahr 1900.

Wie sehen Atome aus?

Ein Bild mit Kohlenstoffatomen, das mit einem Rastertunnelmikroskop erzeugt wurde.

Atome sind viel kleiner als man es sich vorstellen kann. Darum kann man sie auch nicht sehen. Es gibt kein Mikroskop, mit dem man ein einzelnes Atom betrachten könnte. Ein Rastertunnelmikroskop hat eine Art elektronischen Finger: Damit kann es die Oberfläche eines Gegenstandes abtasten und der Computer erzeugt daraus ein Bild.

Am Beispiel der Luft kann man sich gut vorstellen, dass man Atome nicht sehen kann: Die Luft enthält auch Atome, die schwirren aber alle getrennt herum. Erst wenn viele Atome zusammen vorliegen, kann man sie sehen. Um die Dicke eines Fingernagels zu bauen, müsste man ungefähr zehn Millionen Atome nebeneinander legen, also zehn mal 1000 mal 1000 Stück.

Sind Atome wirklich unteilbar?

Animation zum sogenannten Kern-Hülle-Modell eines Atoms.

Der Name „Atomos“ (unteilbar) war eine Vermutung. Man hatte vor 2500 Jahren noch keine Geräte, um etwas anderes nachzuweisen. Atome waren eine reine Vorstellung, aber eine sehr wertvolle Vorstellung. Denn mit ihnen konnte man vieles erklären, was man in der Natur beobachtete.

Erst viel, viel später, 1897, stellte der britische Physiker Joseph John Thomson fest, dass es noch kleinere Teilchen gibt, zum Beispiel die „Elektronen“. Jedes Atom enthält Elektronen. Ohne Elektronen gäbe es keinen elektrischen Strom.

Eines der Messgeräte im CERN, das über 20 m hoch ist. Beachte die Größe der Menschen davor. Damit will man noch kleinere Teilchen entdecken.

Später entdeckte man noch Protonen und Neutronen als Atombestandteile, die etwas größer als Elektronen sind. Inzwischen geht man von einem Aufbau wie in dem kurzen Film rechts dargestellt aus.

• In der Mitte des Atoms gibt es einen festen Kern, der Protonen und Neutronen enthält.
• Die sogenannte Atomhülle entsteht dadurch, dass die Elektronen um den Kern herumschwirren wie Planeten um die Sonne.

Inzwischen hat man noch viel mehr, noch kleinere, Teilchen gefunden. Dabei ist aber ein riesiger Aufwand notwendig. In der Schweiz gibt es die Forschungsgemeinschaft CERN. Sie haben einen unterirdischen Tunnel, der etwa 27 km lang ist. Dort wird nach noch kleineren Teilchen gesucht, aber man benötigt dafür riesige Messgeräte. Die Quarks sind solche Teilchen, die kleiner als Elektronen und Protonen sind.

Wie viele Atome gibt es?

Die Gesamtanzahl kann man nicht zählen. Dazu sind sie viel zu klein, und man kommt nicht überall hin, wo Atome sind. Denn auch die fernen Sterne bestehen aus Atomen. Physiker haben aber versucht die Zahl ungefähr zu berechnen. Sie schätzen, dass es im Weltall 10000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000 Atome gibt.

Überschaubarer ist dagegen die Anzahl der verschiedenen Arten von Atomen. Momentan sind 118 verschiedene Atomsorten bekannt. Es gibt einige Stoffe, die nur aus einer Sorte von Atomen bestehen. Das sind die sogenannten Elemente. Man darf das aber nicht mit den Elementen Feuer, Wasser, Luft und Erde verwechseln. Im Mittelalter dachte man, alles ist aus diesen vier Elementen aufgebaut. Die modernen Naturwissenschaften haben diesen Begriff übernommen, aber anders erklärt.

Weil bisher 118 Atomsorten bekannt sind, gibt es also mindestens 118 Elemente. Einige sind sehr bekannt:

• Eisen ist ein wichtiger Werkstoff, den man für Maschinen, Autos und vieles mehr verwendet.
• Sauerstoff ist der wichtige Luftbestandteil, den wir zum Atmen brauchen.
• Gold wird für Schmuckstücke verwendet.
• Stickstoff macht einen großen Anteil der Luft aus.
• Wasserstoff enthält die leichtesten Atome. Man nutzt Wasserstoff als Energiespeicher, weil er gut brennbar ist.

Auf der Erde übrigens sind die Sauerstoffatome am häufigsten, danach die Atome des Metalls Silizium. Sie sind zum Beispiel im Gestein enthalten. Im ganzen Weltall überwiegen die Wasserstoffatome.

Was bedeutet die Formel H₂O?

Alles um uns herum ist aus Atomen aufgebaut. Elemente wie Eisen oder Gold enthalten nur eine Sorte von Atomen. Die meisten Stoffe enthalten aber verschiedene Atome.

Da gibt es die Gemische, wie die Luft. Sie enthält zum Beispiel Luft Atome der Elemente Sauerstoff, Stickstoff. Auch Bronze ist ein Gemisch, das Kupfer- und Zink-Atome enthält.

Modelldarstellung von einem Wassermolekül H₂O

Bei anderen Stoffen haben sich verschiedene Atomsorten fest miteinander verbunden und man hat viele kleine, immer gleiche Atompäckchen. Das sind die Moleküle. Bekannte Stoffe, die Moleküle enthalten, sind zum Beispiel das Wasser und Zucker. Man nennt solche Stoffe auch Verbindungen.

H₂O ist eine spezielle Schreibweise der Chemiker für ein Wassermolekül. Man liest es „Hah-zwei-Oh“. Damit wird angegeben, dass das Wassermolekül aus zwei Atomen Wasserstoff H und einem Sauerstoffatom O zusammengesetzt ist. Diese Buchstaben sind die Atomsymbole und jedes Element hat sein eigenes Symbol. Chemiker müssen alle diese Symbole auswendig kennen, damit sie wissen, was mit C₆H₁₂O₆ gemeint ist. Das ist nämlich die Formel für Traubenzucker.

Was ist Atomkraft?

Eigentlich sind Atome sehr stabil und gehen nicht kaputt. Man hat aber inzwischen Atomsorten gefunden, die kaputt gehen können. Da Atome ja aus noch kleineren Teilchen bestehen, kann man das gut erklären. Der Grund ist, dass der Atomkern zu groß ist, um zusammenzuhalten. Das Atom oder genauer der Atomkern zerfällt und einige Bestandteile des Atoms fliegen weg. Das nennt man auch Radioaktivität oder radioaktive Strahlung. Diese ausgestoßenen Teilchen sind sehr schnell und das nutzt man aus, um daraus Energie zu gewinnen. Die Energie wird als Wärme in Wasser aufgefangen. Da dabei der Kern kaputt geht, sagt man neben Atomkraft auch Kernkraft.

Leider kann die Nutzung der Atomkraft gefährlich sein. Es gab schon einige Unfälle in Atomkraftwerken. Das letzte große Unglück geschah im Jahr 2011 im Atomkraftwerk von Fukushima auf Japan.

Der Grund für die Gefährlichkeit sind die radioaktiven Strahlen. Die schnellen Teilchen mit viel Energie können auch Körperzellen zerstören, was zu Krebs führen kann. Besonders schlimm ist es, wenn man radioaktive Atome in den Körper aufnimmt. Das kann nach einem Unfall in einem Atomkraftwerk passieren, da bei der Explosion viele Atome freigesetzt werden, die radioaktiv sind. Wenn diese radioaktiven Atome auf Gemüse oder Obst gelangen, kann es sein, dass man sie isst. Im Körper aufgenommen trifft einen die Strahlung direkt von innen heraus, was noch gefährlicher ist.

Viele Forscher sind übrigens am Anfang der Erforschung der Atome und der Radioaktivität an den Folgen einer radioaktiven Verstrahlung gestorben. Man wusste noch nicht, wie gefährlich sie ist und wie man sich davor schützen kann.

Was ist eine Atombombe?

Der Atompilz nach dem Abwurf der Atombombe über Nagasaki: Durch die heiße Explosion zieht Wasserdampf in die Höhe.

Atomkraftwerke sind nicht ganz ungefährlich. Allerdings möchte man dabei die Atomkraft friedlich nutzen, um Energie zu bekommen. Was als Unfall in einem Atomkraftwerk passieren kann, eine Explosion, ist manchmal gewollt: bei einer Atombombe. Sie soll besonders viel zerstören. Außerdem werden viele radioaktive Atome frei, wodurch Menschen krank werden. So sind Atombomben noch nach der Explosion sehr gefährlich.

Deshalb sind die meisten Länder der Meinung, dass man Atombomben nicht mehr bauen sollte. Es gibt aber immer noch viele Atombomben. Die größeren Länder behalten sie, weil sie sich verteidigen wollen, wenn andere Länder sie bedrohen. Bisher wurden erst zwei Atombomben im Krieg genutzt, und zwar 1945.