Eigenschaften subatomarer Teilchen

Ladung und Masse der Teilchen sowie ihr Aufenthaltsbereich

Atome enthalten meistens $Protonen$ , $Neutronen$ und $Elektronen$ . Wasserstoff-1 besitzt kein Neutron. Ladung, Masse und Aufenthaltsbereich bestimmen, wie jedes Teilchen das Atom beeinflusst.

Drei Eigenschaften sind für einfache Atommodelle besonders wichtig:

$Ladung$ , das elektrische Vorzeichen des Teilchens
$Masse$ , wie viel das Teilchen zur Atommasse beiträgt
$Aufenthaltsbereich$ , der Bereich des Atoms, in dem sich das Teilchen befindet

Zusammen unterscheiden Ladung, Masse und Aufenthaltsbereich die drei subatomaren Teilchen.

Die CODATA-Übersicht für 2022 enthält präzisere Werte der Konstanten.

Teilcheneigenschaften im Modell

Wechsle unten zwischen den drei Eigenschaften. Achte auf das jeweilige Muster: $Ablenkungsrichtung, Massenvergleich und Aufenthaltsbereich$ im Atom.

Karte der Eigenschaften subatomarer Teilchen

Eine gemeinsame Darstellung für Ladung, Masse und Aufenthaltsbereich von Protonen, Neutronen und Elektronen.

Protonen sind positiv, Elektronen negativ und Neutronen neutral. In einem elektrischen Feld bestimmt das Ladungsvorzeichen die Richtung der Ablenkung.

Proton: $+1$
Neutron: $0$
Elektron: $-1$

Die Ladung bestimmt die Ablenkungsrichtung

Elektrische Ladung bestimmt, wie ein Teilchen auf ein elektrisches Feld reagiert. Ein Proton ist positiv, ein Elektron negativ und ein Neutron hat keine Gesamtladung.

Proton und Elektron haben die $gleiche Ladungsgröße, aber entgegengesetzte Vorzeichen$ :

e = 1{,}602176634 \times 10^{-19}\ \text{C}

Das bedeutet:

Ein Proton hat die Ladung $+e$
Ein Elektron hat die Ladung $-e$
Ein Neutron hat die Ladung $0$

Auf ein geladenes Teilchen wirkt in einem elektrischen Feld eine Kraft.

\vec F = q\vec E

Das Symbol $q$ steht für die Teilchenladung in Coulomb, $E$ für das elektrische Feld. Bei positivem $q$ zeigt die Kraft in Feldrichtung, bei negativem $q$ in die Gegenrichtung. Für $q = 0$ wird das Teilchen in diesem einfachen Modell nicht abgelenkt.

Ein elektrisches Feld übt eine Kraft auf geladene Teilchen aus. Ein Proton wird in Feldrichtung abgelenkt, ein Elektron in die Gegenrichtung und ein Neutron in diesem einfachen Modell gar nicht.

Masse und Beschleunigung

Subatomare Teilchenmassen sind winzig, daher verwenden wir oft die $einheitliche Atommasseneinheit$ , geschrieben als $\text{u}$ . Ein $\mathrm u$ ist $\frac{1}{12}$ der Masse eines neutralen ${}^{12}_{6}\mathrm{C}$ -Atoms im Grundzustand.

Teilchen	Relative Ladung	Masse in u	Masse in g	Hauptbereich
Proton	$+1$	$1{,}0073\ \text{u}$	$1{,}67262 \times 10^{-24}\ \text{g}$	Kern
Neutron	$0$	$1{,}0087\ \text{u}$	$1{,}67493 \times 10^{-24}\ \text{g}$	Kern
Elektron	$-1$	$0{,}00055\ \text{u}$	$9{,}10938 \times 10^{-28}\ \text{g}$	Raum um den Kern

Protonen und Neutronen haben fast dieselbe Masse, während ein Elektron wesentlich leichter ist als beide.

Ein einfacher Vergleich ist:

\frac{m_p}{m_e} \approx \frac{1{,}67262\times10^{-24}\ \mathrm g}{9{,}10938\times10^{-28}\ \mathrm g}\approx1836

Ein Proton hat also ungefähr die gleiche Masse wie $1836$ Elektronen. Protonen und Neutronen im Kern liefern deshalb fast die gesamte Atommasse.

Wirkt dieselbe Kraft gleich lange auf einen Tennisball und eine Bowlingkugel, erfährt der leichtere Tennisball eine größere Beschleunigung und Geschwindigkeitsänderung. Die Bälle stehen in diesem Vergleich nur für den Massenunterschied. Ihre Form bildet keine Teilchenform ab. Ein Elektron reagiert stärker als ein Proton auf dieselbe elektrische Kraft, weil seine Masse wesentlich kleiner ist.

Aufenthaltsbereich und chemische Rolle

Protonen und Neutronen befinden sich im Kern, während Elektronen den Raum darum besetzen. Dieser Unterschied bestimmt, welches Teilchen die $Elementidentität, die Isotopenmasse und chemische Reaktionen$ beeinflusst.

Teilchen	Aufenthaltsbereich	Typische Rolle in der Chemie
Proton	Kern	Bestimmt die Elementidentität.
Neutron	Kern	Fügt Masse hinzu und unterscheidet Isotope.
Elektron	Raum um den Kern	Beeinflusst stark Reaktionen und Ionenbildung.

Die Anzahl der Protonen bestimmt das Element. Ein Atom mit $6$ Protonen ist beispielsweise Kohlenstoff. Wenn sich die Neutronenzahl ändert, ist das Element immer noch Kohlenstoff, aber das Isotop ist ein anderes. Ändert sich die Elektronenzahl, wird das Atom zum Ion.

Bei einem neutralen Atom ist die Anzahl der Protonen und Elektronen gleich:

\text{neutrales Atom} \Rightarrow p^+ = e^-

Die Gleichung beschreibt den Ausgleich der positiven und negativen Gesamtladung. Die Massen von Proton und Elektron bleiben verschieden.

Teilcheneigenschaften in Atomsymbolen verwenden

In einem Atomsymbol verbinden Ordnungszahl, Massenzahl und Ionenladung die Teilcheneigenschaften mit den folgenden Teilchenzahlen:

die Anzahl der Protonen wird als $Ordnungszahl$ gelesen
die Anzahl der Protonen plus Neutronen wird als $Massenzahl$ gelesen
die Differenz zwischen Protonen und Elektronen wird als $Ionenladung$ gelesen

Nutze die drei Beziehungen gemeinsam. $Die Protonenzahl bestimmt die Elementidentität$ , die Summe aus Protonen und Neutronen bestimmt die Massenzahl und die Differenz aus Protonen- und Elektronenzahl bestimmt die Ladung des Atoms oder Ions.