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Team Digital
Das Atom – Aufbau aus Elementarteilchen
lernst du in der 7. Klasse - 8. Klasse - 9. Klasse

Grundlagen zum Thema Das Atom – Aufbau aus Elementarteilchen

Aufbau eines Atoms – Chemie

Sicher hast du schon einmal etwas von Atomen gehört. Atome sind die Bausteine, aus denen alle Stoffe bestehen. Wasser, ein Stein, ein Auto und ja sogar du bestehst aus Atomen. Doch wie sind diese Atome überhaupt aufgebaut und wie kommt es, dass die aus ihnen bestehenden Stoffe so unterschiedlich sind?
Obwohl die Vorstellung von Atomen schon bei den alten Griechen bekannt war, gab erst der Physiker Ernest Rutherford Anfang des 20. Jahrhunderts die Grundlage der Atomtheorie vor. Doch wie stellte sich Rutherford den Aufbau der Atome vor? Das erfährst du in diesem Text. Außerdem lernst du, einfach erklärt, was ein Atom überhaupt ist und wie der allgemeine Atomaufbau aussieht.

Was ist ein Atom? – Definition

Einfach erklärt sind Atome winzige Bausteine, aus denen alle Stoffe bestehen. Doch was bedeutet winzig? Wie groß ist ein Atom? Die Größe eines Atoms liegt etwa bei $\pu{0,1 - 0,5 nm}$. Das Atom wurde lange als das kleinste Element angenommen. Man kann es mit einem Elektronenmikroskop, zum Beispiel dem sogenannten (Elektronenrastermikroskop), sehen. Atome selbst bestehen jedoch noch aus viel kleineren Teilchen, die in einer ganz bestimmten Ordnung vorliegen und sich mit chemischen Methoden nicht weiter zerlegen lassen. Den Aufbau des Atoms findest du im folgenden Abschnitt.

Wie ist ein Atom aufgebaut?

Ein Atom besteht aus der fast masselosen Atomhülle und dem massereichen Atomkern. Die einzelnen Teilchen des Atoms sind die Elektronen, die Protonen und die Neutronen.

Rutherford erkannte im Jahr 1910, dass das Atom einen Atomkern besitzt. Er entwickelte das Rutherford-Atommodell und legte damit die Grundlage für den Atomaufbau.

Alle Atome besitzen einen ähnlichen Atomaufbau. Sie bestehen aus den Elektronen, Protonen und Neutronen. Nur ist die Anzahl der Teilchen bei den verschiedenen Atomen jeweils anders. Im Atomkern liegen die Neutronen und Protonen. Die Elektronen befinden sich in der Atomhülle, weshalb diese auch als Elektronenhülle des Atoms benannt werden kann. Das Schema des Atomaufbaus – das sogenannte Schalenmodell – kannst du im folgenden Bild sehen:

Erklärung des Atomaufbaus

Die chemischen Eigenschaften eines bestimmten Stoffs sind hauptsächlich von den Zuständen und Vorgängen in der Atomhülle abhängig. Bei chemischen Reaktionen erfolgen keine Veränderungen im Atomkern – die Veränderungen betreffen ausschließlich die Atomhülle. Es entstehen dann neue Stoffe mit anderen Eigenschaften, aber keine neuen Elemente. Durch Abgabe oder Aufnahme von Elektronen werden aus elektrisch neutralen Atomen elektrisch geladene Ionen.

Die Atomkerne können ausschließlich durch Kernspaltung oder Kernfusion verändert werden. Bei der Kernspaltung wird ein Atomkern unter Energiefreisetzung in zwei oder mehr kleinere Kerne zerlegt und bei der Kernfusion verschmelzen zwei Atomkerne zu einem neuen Kern. Es entstehen neue Elemente.

Was sind Elektronen?

Elektronen sind negativ geladene Teilchen. Die Elektronen bewegen sich auf Kreisbahnen in der Atomhülle rund um den Atomkern. Du kannst dir das wie bei unserem Sonnensystem vorstellen: Dort bewegen sich die Planeten auch auf Kreisbahnen um die Sonne. Die Bahnen der Elektronen können allerdings verschiedene Formen annehmen, die man nach dem Orbitalmodell einteilt. Auch die Besetzung der einzelnen Orbitale mit Elektronen folgt einem bestimmten Schema und festen Regeln. Diese nennen wir auch Pauli-Prinzip.

Was sind Protonen?

Protonen sind positiv geladene Teilchen und befinden sich ganz dicht gepackt im Atomkern. Dabei liegen genauso viele Protonen wie Elektronen in einem Atom vor. Aber Moment mal: Würden sich nicht eigentlich zwei positive Ladungen voneinander abstoßen, wenn sie einander zu nahe kommen? Im Atomkern stoßen sich die Protonen aber nicht ab. Wie kommt es dazu? Das liegt daran, dass sich im Atomkern auch die Neutronen befinden. Diese haben keine Ladung. Sie sind also elektrisch neutral und setzen sich zwischen die Protonen. Deswegen stoßen sich die Protonen nicht voneinander ab.

Die Protonenzahl entspricht übrigens der Kernladungszahl und ist gleich der Ordnungszahl im Periodensystem der Elemente.

Was sind Neutronen?

Neutronen sind neutrale Teilchen. Sie befinden sich zwischen den Protonen und verhindern so deren Abstoßung.

Eine Ausnahme gibt es: Das normale Wasserstoffatom besitzt keine Neutronen, weil nur ein Proton im Atomkern ist. Es kann beim Wasserstoffatom im Atomkern also zu keiner Abstoßung kommen, sodass auch keine Neutronen notwendig sind. Es gibt jedoch zwei weitere Isotope des WasserstoffsDeuterium mit einem Neutron sowie Tritium mit zwei Neutronen. Diese Isotope sind jedoch wesentlich seltener als das uns geläufige Protium.

Der Aufbau eines Atoms aus Elementarteilchen – Zusammenfassung

Der Atomaufbau kennzeichnet sich durch die Atomhülle und den Atomkern. Der Atomkern ist aus Protonen und Neutronen aufgebaut. Die Elementarteilchen eines Atoms sind:

  • Elektronen: negativ geladene Teilchen, die sich auf einer bestimmten Bahn um den Atomkern bewegen
  • Protonen: positiv geladene Teilchen, die sich dicht gepackt im Atomkern befinden
  • Neutronen: neutrale Teilchen, die ebenfalls im Kern zwischen den Protonen liegen und verhindern, dass sich die Protonen abstoßen

Und welche Teilchen liegen im Atom immer in der gleichen Anzahl vor? Richtig, Protonen und Elektronen liegen immer in der gleichen Anzahl vor.

Im Anschluss an das Video und diesen Text findest du Übungsaufgaben und Arbeitsblätter zum Aufbau des Atoms, um dein erlerntes Wissen zu überprüfen. Du kannst die Informationen zum Atomaufbau auch zum Vorbereiten auf ein Referat nutzen. Viel Spaß!

Transkript Das Atom – Aufbau aus Elementarteilchen

Du hast bestimmt schon gehört, dass alles – jegliche Materie – aus Atomen besteht! Aber ein paar Fragen stellen sich da noch: Sind alle Atome gleich? Und sind sie wirklich "unzerteilbar", wie der griechische Name behauptet? Wenn NICHT, woraus bestehen sie dann? Das und noch mehr klären wir in diesem Video, in dem wir uns "das Atom" und seinen "Aufbau aus Elementarteilchen" genauer ansehen. EINE Frage haben wir eigentlich im Titel schon geklärt: Nein, ein Atom ist NICHT unzerteilbar. Es setzt sich wiederum aus kleinsten Teilchen, den "Elementarteilchen", zusammen. Das sind "Protonen", "Elektronen", und "Neutronen". Sie sitzen allerdings NICHT alle auf einem Haufen, sondern teilen sich auf: Protonen und Neutronen bilden den Atom-KERN, Elektronen schwirren in einigem Abstand davon in der Atom-HÜLLE herum. Damit können wir auch die ANDERE Frage beantworten: Atome sind NICHT alle gleich! Die Atome verschiedener Stoffe sind aus unterschiedlichen Kombinationen der Elementarteilchen zusammengesetzt. Ein "Wasserstoff-Atom" besteht beispielsweise nur aus EINEM Proton und EINEM Elektron, während ein "Kohlenstoff-Atom" jeweils SECHS Protonen, Elektronen und Neutronen enthält. EINE Sache haben wir dabei aber bisher außer Acht gelassen: Protonen und Elektronen tragen jeweils eine "elektrische Ladung": Protonen sind POSITIV geladen, und Elektronen NEGATIV. Neutronen sind elektrisch NEUTRAL. Deshalb enthält jedes Atom im Normalzustand GENAUSO VIELE Elektronen wie Protonen, egal wie viele das sind. Denn so gleichen sich die Ladungen aus, die Atome sind also nach außen hin UNGELADEN. Die Anzahl der NEUTRONEN kann hingegen davon abweichen, wie es beispielsweise bei "Fluor" der Fall ist. Im "Periodensystem der Elemente", kurz P-S-E, sind die verschiedenen Atomsorten nach der Anzahl ihrer PROTONEN sortiert. Das ist die "Ordnungszahl". Diese gibt sowohl die Anzahl der Protonen als auch die der Elektronen in einem Atom des jeweiligen Elements an. Manchmal wird die Ordnungszahl auch "Kernladungszahl" genannt. Die Sache mit den Ladungen wirft jetzt aber NEUE Fragen auf! In Physik hast du vielleicht schon gelernt, dass zwei VERSCHIEDENE Ladungen sich ANZIEHEN, während GLEICHE Ladungen sich ABSTOẞEN. Müssten dann nicht eigentlich die PROTONEN im Kern AUSEINANDERfliegen, oder auch die ELEKTRONEN zu ihnen HINgezogen werden? Das ist ehrlich gesagt gar nicht so leicht zu erklären. Die kurze Antwort lautet: Es gibt KERN-Kräfte, die Protonen und Neutronen im Kern zusammenhalten und STÄRKER sind als die Abstoßung der Ladungen. Dass dabei ganz schön viel Energie im Spiel ist, zeigt sich, wenn die Atomkerne mal WIRKLICH auseinanderfliegen, wie in Atomkraftwerken, oder noch heftiger bei der Atombombe. Woah! Bei den Elektronen sieht's ein bisschen anders aus. DIE bleiben DESHALB in der Atomhülle, weil sie sich mit großer Geschwindigkeit auf stabilen Bahnen um den Atomkern bewegen, ganz ähnlich wie die Planeten, die im Gleichgewicht der Gravitation um die Sonne kreisen. Interessant dabei ist, dass sie eigentlich einen unglaublich großen Abstand vom Atomkern haben. Das können wir uns mit einem Größenvergleich verdeutlichen: Ein Atom ist ungefähr eine TRILLIARDE Mal kleiner als ein Reiskorn. Aber wäre der Atom-KERN alleine so groß wie ein Reiskorn, dann wäre die Atom-HÜLLE im Vergleich so groß wie der Raum in einem Fußballstadion! Und es wird noch verrückter! Protonen und Neutronen sind einzeln ungefähr ZWEITAUSEND Mal schwerer als Elektronen. Das heißt, fast die GESAMTE Masse eines Atoms ist im winzigen Atom-KERN konzentriert! In der großen Atom-HÜLLE befindet sich dagegen fast gar nichts, nur leerer Raum! Trotzdem spielen die Elektronen aufgrund ihrer Ladung eine wichtige Rolle, vor allen in der Chemie. Sie sind dafür verantwortlich, dass Atome sich zu "Molekülen" verbinden können. So entstehen neue STOFFE, wie beispielsweise "Wasser" aus Wasserstoff- und Sauerstoff-Atomen. Über solche "chemischen Reaktionen" wirst du noch einiges im Chemie-Unterricht lernen – und natürlich auch hier bei sofatutor. Fassen wir mal zusammen: Atome setzen sich aus "Elementarteilchen" zusammen: "Protonen" und "Neutronen" im Atom-KERN, "Elektronen" in der Atom-HÜLLE. Atome verschiedener Stoffe unterscheiden sich in der ANZAHL der Elementarteilchen. Im Periodensystem sind die Elemente nach aufsteigender Protonenzahl sortiert, die immer auch der Elektronenzahl entspricht – das ist die "Ordnungszahl". Wenn Atome sich chemisch verbinden, entstehen Moleküle, aus denen wiederum neue Stoffe aufgebaut sind. Und so kommen wir vom Aufbau eines einzelnen Atoms, zum Aufbau des gesamten UNIVERSUMS!

4 Kommentare
4 Kommentare
  1. Hallo @Stephanie Hoffmann, die Berechnung der Anzahl der Neutronen haben wir eher in der Physik als in der Chemie angesiedelt, deshalb wird die Thematik hier nur indirekt angeschnitten.
    Mehr Infos dazu sind in diesem Physik-Video zu finden: https://www.sofatutor.com/physik/videos/die-entdeckung-des-atomkerns
    Kurz: Die Anzahl der Neutronen eines Atoms erhält man, wenn man die Protonenzahl/Kernladungszahl/Ordnungszahl von der Massenzahl abzieht.

    Von Lukas Schwarz, vor 3 Monaten
  2. Hallo,
    mir fehlt im Video die Erklärung, wie man die Anzahl der Neutronen bestimmen kann.
    Freundliche Grüße,

    Von Stephanie Hoffmann, vor 4 Monaten
  3. Hallo @Andreas, könntest du vielleicht genauer beschreiben, was bei dir "falsch" bewertet wird? Ich habe die Übung nochmal gemacht und keinen Fehler gefunden. Hast du vielleicht die Anzahl der Protonen (3) und Neutronen (4) beim Lithium verwechselt?

    Von Lukas Schwarz, vor 6 Monaten
  4. Bei Aufgabe 5 zum Video (Lithium), wird trotz richtiger Antwort die Lösung mit Falsch bewertet.

    Von Andreas B., vor 8 Monaten

Das Atom – Aufbau aus Elementarteilchen Übung

Du möchtest dein gelerntes Wissen anwenden? Mit den Aufgaben zum Video Das Atom – Aufbau aus Elementarteilchen kannst du es wiederholen und üben.
  • Stelle den Aufbau eines Atoms dar.

    Tipps

    Im Atomkern befinden sich Neutronen und Protonen.

    Lösung

    Du hast bestimmt schon gehört, dass alles – jegliche Materie – aus Atomen besteht.

    Ein Atom setzt sich wiederum aus kleinsten Teilchen, den Elementarteilchen, zusammen: Protonen, Elektronen und Neutronen.
    Die Atome verschiedener Stoffe sind aus unterschiedlichen Kombinationen der Elementarteilchen zusammengesetzt.
    Die Elementarteilchen sitzen allerdings nicht alle auf einem Haufen, sondern teilen sich auf:

    • Protonen und Neutronen bilden den Atomkern.
    • Elektronen schwirren in einigem Abstand davon in der Atomhülle herum.

  • Vergleiche die elektrische Ladung der Elementarteilchen eines Atoms.

    Tipps

    Im Atomkern befinden sich unter anderem die Protonen.

    Lösung

    Ein Atom setzt sich aus kleinsten Teilchen, den Elementarteilchen, zusammen: Protonen, Elektronen und Neutronen. Die Atome verschiedener Stoffe sind aus unterschiedlichen Kombinationen der Elementarteilchen zusammengesetzt.

    Trotz unterschiedlicher Kombinationen bleiben die Elementarteilchen in ihrer elektrischen Ladung beständig:

    • Protonen und Elektronen tragen jeweils eine elektrische Ladung.
    • Protonen sind positiv geladen.
    • Elektronen sind negativ geladen.
    • Neutronen sind elektrisch neutral.

    Deshalb enthält jedes Atom im elektrisch neutralen Zustand genau so viele Elektronen wie Protonen, egal wie viele das sind. Denn dadurch gleichen sich die Ladungen aus, die Atome sind also nach außen hin ungeladen. Die Zahl der Neutronen kann davon abweichen.

  • Charakterisiere die Elementarteilchen näher.

    Tipps
    Lösung

    Im Physikunterricht hast du vielleicht schon gelernt, dass zwei verschiedene Ladungen sich anziehen, während gleiche Ladungen sich abstoßen. Die Protonen bleiben jedoch im Atomkern, weil es Kernkräfte gibt, die Protonen und Neutronen im Kern zusammenhalten und stärker sind als die Abstoßung der Ladungen.

    Die Elektronen wiederum bleiben in der Atomhülle, weil sie sich mit großer Geschwindigkeit auf stabilen Bahnen um den Atomkern bewegen, ganz ähnlich wie die Planeten, die im Gleichgewicht der Gravitation um die Sonne kreisen. Interessant dabei ist, dass die Elektronen eigentlich einen unglaublich großen Abstand vom Atomkern haben.

    Ein Atom (also Kern und Hülle zusammen) ist ungefähr eine Trilliarde Mal kleiner als ein Reiskorn. Aber wäre der Atomkern so groß wie ein Reiskorn, dann wäre die Atomhülle im Vergleich so groß wie der Raum in einem Fußballstadion.

    Protonen und Neutronen sind einzeln ungefähr $2\,000$ Mal schwerer als Elektronen. Das heißt, fast die gesamte Masse eines Atoms ist im winzigen Atomkern konzentriert. In der großen Atomhülle befindet sich dagegen fast gar nichts, nur leerer Raum.

  • Beschreibe den Atomaufbau des Elements Kohlenstoff.

    Tipps

    Es gibt zwei richtige Antworten.

    Ein anderer Begriff für „Ordnungszahl“ ist „Kernladungszahl“.

    Der Atomkern ist positiv geladen.

    Lösung

    Im Periodensystem der Elemente, kurz: PSE, sind die Elemente nach aufsteigender Protonenzahl sortiert – das ist die Ordnungszahl. Manchmal wird die Ordnungszahl auch Kernladungszahl genannt. Du findest sie in der Abbildung oben links. Diese gibt die Anzahl der Protonen in einem Atom des jeweiligen Elements an. Jedes Atom enthält im elektrisch neutralen Zustand genau so viele Elektronen wie Protonen, egal wie viele das sind. Denn dadurch gleichen sich die Ladungen aus, die Atome sind also nach außen hin ungeladen.

    Folgende Aussagen können wir über das Element Kohlenstoff aufgrund der Abbildung treffen:

    • Es hat hat die Ordnungszahl 6. Das heißt, es steht im PSE an sechster Stelle.
    • Der Atomkern besteht aus sechs Protonen und sechs Neutronen, in der Atomhülle schwirren sechs Elektronen.
    • Auch die Massenzahl 12,01 ist in der Abbildung zu sehen. Sie entspricht der Summe aus Protonen und Neutronen und gibt die Atommasse an.

  • Bestimme, was Elementarteilchen sind.

    Tipps

    Es gibt drei richtige Antworten.

    Ein Atom setzt sich aus Elementarteilchen zusammen.

    Lösung

    Ein Atom ist nicht unzerteilbar. Es setzt sich aus kleinsten Teilchen, den Elementarteilchen, zusammen: Protonen, Elektronen und Neutronen:

    • Protonen sind positiv geladen und befinden sich im Atomkern.
    • Neutronen sind elektrisch neutral. Das heißt, sie haben keine Ladung. Sie sind gemeinsam mit den Protonen im Atomkern.
    • Elektronen sind negativ geladen. Sie halten sich in der Atomhülle auf.

    Die Atome verschiedener Stoffe sind aus unterschiedlichen Kombinationen der Elementarteilchen zusammengesetzt.

  • Gib die Anzahl der Elementarteilchen der Elemente an.

    Tipps

    So berechnen wir die Anzahl der Neutronen:

    Atommasse $-$ Ordnungszahl $=$ Anzahl der Neutronen

    Dabei runden wir die Atommasse auf die nächstgelegene ganze Zahl auf bzw. ab.

    $28 - 14 = 14$
    Ein Atom des Elements Silicium hat 14 Protonen, 14 Neutronen sowie 14 Elektronen.

    Atome haben im elektrisch neutralen Zustand genau so viele Elektronen wie Protonen.

    Lösung

    Protonen und Neutronen sind einzeln ungefähr $2\,000$ Mal schwerer als Elektronen. Das heißt, fast die gesamte Masse eines Atoms ist im winzigen Atomkern konzentriert. In der großen Atomhülle befindet sich dagegen fast gar nichts, nur leerer Raum. Deshalb gibt die Atommasse die Summe der Protonen und Neutronen eines Atoms an, da die Elektronen so gut wie nichts wiegen.

    Wenn wir also wissen, dass Kohlenstoff die Ordnungszahl 6 hat sowie eine Atommasse von 12,01 $u$, dann können wir die Anzahl der Neutronen berechnen:

    Atommasse $-$ Ordnungszahl $=$ Anzahl der Neutronen

    Wir runden die Atommasse auf die nächstgelegene ganze Zahl auf bzw. ab. Demzufolge ergibt sich für Kohlenstoff:

    $12 - 6 = 6$

    Somit hat ein Atom des Elements Kohlenstoff sechs Protonen, sechs Neutronen sowie sechs Elektronen.

    Bei den vielen Elementen besitzen die Atome genau so viele Neutronen wie Protonen beziehungsweise Elektronen. Doch es gibt auch einige Elemente, bei denen dies nicht der Fall ist.

    Lithium

    Lithium hat eine Atommasse von 7 $u$.
    Ein Atom des Elements Lithium hat drei Protonen, vier Neutronen sowie drei Elektronen (denn $7 - 3 = 4$).

    Iod

    Iod hat eine Atommasse von 127 $u$.
    Ein Atom des Elements Iod hat 53 Protonen, 74 Neutronen sowie 53 Elektronen (denn $127 - 53 = 74$).

    Eisen

    Eisen hat eine Atommasse von 56 $u$.
    Ein Atom des Elements Eisen hat 26 Protonen, 30 Neutronen sowie 26 Elektronen (denn $56 - 26 = 30$).

    Xenon

    Xenon hat eine Atommasse von 131 $u$.
    Ein Atom des Elements Xenon hat 54 Protonen, 77 Neutronen sowie 54 Elektronen (denn $131 - 54 = 77$).