# Subatomare Teilchen > For AI agents: use [llms.txt](https://nakafa.com/llms.txt) for the site index. Markdown versions are available by appending `.md` to content URLs or sending `Accept: text/markdown`. URL: https://nakafa.com/de/faecher/chemie/atombau/subatomare-teilchen Source: https://raw.githubusercontent.com/nakafaai/aksara/16d6b8e869d1a277313c65bbfc4b4a83efe77a46/packages/corpus/material/lesson/chemistry/structure-matter/subatomic-particles/de.mdx An den Experimenten von Thomson, Rutherford und Chadwick nachvollziehen, wie Elektronen, Protonen und Neutronen entdeckt wurden. --- ## Neue Beweise aus kleinstem Raum Daltons Modell machte chemische Reaktionen zählbar, stellte Atome aber weiterhin als feste Kugeln dar. Damit blieb eine einfache Frage offen: Wenn Atome tatsächlich massiv und ohne innere Bestandteile wären, warum zeigen sie dann elektrische Eigenschaften? Ende des 19. Jahrhunderts arbeiteten Wissenschaftler mit Glasröhren bei niedrigem Druck und hoher Spannung. Darin erschien ein Strahl, der **Kathodenstrahl** genannt wurde. Elektrische und magnetische Felder konnten ihn ablenken. Diese Beobachtung ließ Atome nicht mehr wie massive Kugeln erscheinen, sondern wie Strukturen mit kleineren Teilchen im Inneren. OpenStax verbindet Thomsons Kathodenstrahlversuch, Rutherfords Goldfolienversuch und Chadwicks Neutronennachweis im Abschnitt [Evolution of Atomic Theory](https://openstax.org/books/chemistry-atoms-first-2e/pages/2-2-evolution-of-atomic-theory). Im Jahr $$1897$$ entdeckte J. J. Thomson das Elektron und zeigte, dass dieses Teilchen sehr viel leichter als ein Atom ist. Das hält auch [Britannicas Biografie von J. J. Thomson](https://www.britannica.com/biography/J-J-Thomson) fest. Visible text: Im Jahr entdeckte J. J. Thomson das Elektron und zeigte, dass dieses Teilchen sehr viel leichter als ein Atom ist. Das hält auch [Britannicas Biografie von J. J. Thomson](https://www.britannica.com/biography/J-J-Thomson) fest. ## Die Entdeckung der Teilchen im Modell Wechsle unten den Modus. Merke dir nicht zuerst die Teilchennamen, sondern beobachte die **Bewegungsrichtung**, **welche Bahn abgelenkt wird** und **welche gerade bleibt**. Component: SubatomicParticlesLab Props: - title: Minilabor für subatomare Teilchen - description: Drei Schlüsselexperimente zeigen, warum Atome nicht länger als massive Kugeln ohne innere Struktur gelten konnten. - labels: { chooseMode: "Nachweis subatomarer Teilchen auswählen", scene: { alphaParticle: "Alphateilchen", anode: "Anode", cathode: "Kathode", cathodeRay: "Kathodenstrahl", negativePlate: ( <> Negative Elektrode $$-$$ ), nucleus: "Kern", positivePlate: ( <> Positive Elektrode $$+$$ ), }, modes: { "cathode-ray": { tab: "Kathodenstrahl", description: ( <> Der Kathodenstrahl wird zur positiven Elektrode abgelenkt. Die Teilchen im Strahl müssen deshalb negativ geladen sein. ), facts: [ { label: "Teilchen", value: $$e^-$$ }, { label: "Beobachtung", value: "Von positiver Ladung angezogen" }, { label: "Bedeutung", value: "Atome besitzen innere Bestandteile" }, ], }, "gold-foil": { tab: "Goldfolie", description: ( <> Fast alle Alphateilchen flogen gerade hindurch. Nur ein kleiner Teil wurde stark abgelenkt oder zurückgeworfen. Die positive Ladung des Atoms musste daher in einem winzigen Kern konzentriert sein. ), facts: [ { label: "Sondenteilchen", value: $$\\alpha^{2+}$$ }, { label: "Häufigste Bahn", value: "Gerade durch die Folie" }, { label: "Bedeutung", value: "Atome sind größtenteils leerer Raum" }, ], }, "atom-map": { tab: "Im Inneren des Atoms", description: ( <> Protonen und ... [truncated; 1512 chars] Visible text: { chooseMode: "Nachweis subatomarer Teilchen auswählen", scene: { alphaParticle: "Alphateilchen", anode: "Anode", cathode: "Kathode", cathodeRay: "Kathodenstrahl", negativePlate: ( <> Negative Elektrode ), nucleus: "Kern", positivePlate: ( <> Positive Elektrode ), }, modes: { "cathode-ray": { tab: "Kathodenstrahl", description: ( <> Der Kathodenstrahl wird zur positiven Elektrode abgelenkt. Die Teilchen im Strahl müssen deshalb negativ geladen sein. ), facts: [ { label: "Teilchen", value: }, { label: "Beobachtung", value: "Von positiver Ladung angezogen" }, { label: "Bedeutung", value: "Atome besitzen innere Bestandteile" }, ], }, "gold-foil": { tab: "Goldfolie", description: ( <> Fast alle Alphateilchen flogen gerade hindurch. Nur ein kleiner Teil wurde stark abgelenkt oder zurückgeworfen. 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Wir nennen diese Teilchen jetzt **Elektronen**. ```math \text{Kathodenstrahl wird von positiver Ladung angezogen }(+) \Rightarrow \text{Teilchen tragen negative Ladung }(-) ``` Thomson fand außerdem heraus, dass Kathodenstrahlteilchen weitaus leichter als Atome waren und die gleichen Eigenschaften hatten, selbst wenn das Elektrodenmetall wechselte. Das ist wichtig, weil das Elektron kein Fragment eines bestimmten Metalls war. Das Elektron ist ein gemeinsamer Bestandteil von Atomen. Thomsons Modell lässt sich mit einem Rosinenkuchen vergleichen: Der Teig steht für die verteilte positive Ladung, die Rosinen für eingebettete negative Elektronen. Dieses Bild erklärt nur die Idee des Modells, nicht die tatsächliche Form eines Atoms. Rutherford entwickelte es später weiter. ## Ein winziger, dichter Kern Rutherfords Team in Manchester prüfte Thomsons Modell. Unter Rutherfords Leitung beschossen Hans Geiger und Ernest Marsden sehr dünne Metallfolien, darunter Gold, mit positiv geladenen Alphateilchen. Wäre die positive Ladung wie in Thomsons Modell gleichmäßig verteilt, müssten fast alle Alphateilchen mit nur kleinen Ablenkungen hindurchfliegen. Die [Darstellung des American Institute of Physics](https://history.aip.org/exhibits/rutherford/sections/alpha-particles-atom.html) dokumentiert ihre experimentellen Rollen und Rutherfords spätere Deutung. Das Ergebnis war überraschend: - Die meisten Alphateilchen passierten die Goldfolie mit geringer Richtungsänderung - ein kleiner Anteil wurde deutlich abgelenkt - ein sehr kleiner Anteil prallte zurück OpenStax erklärt daraus Rutherfords zwei Schlussfolgerungen: Atome bestehen größtenteils aus leerem Raum, und ihre positive Ladung sitzt in einem winzigen, vergleichsweise schweren Zentrum. Dieses Zentrum heißt **Atomkern**. Für das Größenverhältnis hilft ein Stadionbild: Wäre das Atom so groß wie das Stadion, entspräche der Kern nur einer kleinen Beere in seiner Mitte. Der Atomdurchmesser beträgt ungefähr $$10^{-10}\ \text{m}$$, der Kerndurchmesser ungefähr $$10^{-15}\ \text{m}$$. Der Kern ist damit im Durchmesser etwa $$10^5$$-mal kleiner. Diese Größenordnung erläutert OpenStax im Abschnitt [Atomic Structure and Symbolism](https://openstax.org/books/chemistry-atoms-first-2e/pages/2-3-atomic-structure-and-symbolism). Visible text: Für das Größenverhältnis hilft ein Stadionbild: Wäre das Atom so groß wie das Stadion, entspräche der Kern nur einer kleinen Beere in seiner Mitte. Der Atomdurchmesser beträgt ungefähr , der Kerndurchmesser ungefähr . Der Kern ist damit im Durchmesser etwa -mal kleiner. Diese Größenordnung erläutert OpenStax im Abschnitt [Atomic Structure and Symbolism](https://openstax.org/books/chemistry-atoms-first-2e/pages/2-3-atomic-structure-and-symbolism). ## Wasserstoffkerne machten das Proton sichtbar Die Goldfolienbeobachtung zeigte, wo die positive Ladung des Atoms sitzt. Sie identifizierte jedoch noch nicht die Teilchen im Kern. Im Jahr $$1919$$ beschoss Rutherford Stickstoff mit Alphateilchen und wies dabei schnelle Wasserstoffkerne nach. Ein Wasserstoffkern trägt eine positive Elementarladung und wird heute **Proton** genannt. Visible text: Die Goldfolienbeobachtung zeigte, wo die positive Ladung des Atoms sitzt. Sie identifizierte jedoch noch nicht die Teilchen im Kern. Im Jahr beschoss Rutherford Stickstoff mit Alphateilchen und wies dabei schnelle Wasserstoffkerne nach. Ein Wasserstoffkern trägt eine positive Elementarladung und wird heute **Proton** genannt. Die [Teilchengeschichte der Nobelpreisorganisation](https://www.nobelprize.org/prizes/physics/1990/9592-the-nobel-prize-in-physics-1990/) trennt diese Schritte: Rutherford deutete $$1911$$ das Kernatom und wies $$1919$$ freie Protonen nach. Die Entdeckung des Kerns und die Identifikation des Protons hängen zusammen, sind aber nicht dasselbe Ereignis. Visible text: Die [Teilchengeschichte der Nobelpreisorganisation](https://www.nobelprize.org/prizes/physics/1990/9592-the-nobel-prize-in-physics-1990/) trennt diese Schritte: Rutherford deutete das Kernatom und wies freie Protonen nach. Die Entdeckung des Kerns und die Identifikation des Protons hängen zusammen, sind aber nicht dasselbe Ereignis. ## Neutronen schlossen die Massenlücke Nachdem Protonen die positive Ladung des Kerns erklärt hatten, blieb eine Lücke: Atommassen waren oft größer als die Masse der Protonen allein. Was fügte dem Kern Masse hinzu, ohne Ladung hinzuzufügen? In $$1932$$ zeigte James Chadwick Hinweise auf ein neutrales Teilchen mit fast der gleichen Masse wie ein Proton. Dieses Teilchen wird **Neutron** genannt. Neutral bedeutet, dass seine Ladung $$0$$ beträgt, sodass Neutronen einem Kern Masse hinzufügen können, ohne die elektrische Ladung des Atoms zu ändern. Visible text: In zeigte James Chadwick Hinweise auf ein neutrales Teilchen mit fast der gleichen Masse wie ein Proton. Dieses Teilchen wird **Neutron** genannt. Neutral bedeutet, dass seine Ladung beträgt, sodass Neutronen einem Kern Masse hinzufügen können, ohne die elektrische Ladung des Atoms zu ändern. Die [Nobelpreis-Fakten zu James Chadwick](https://www.nobelprize.org/prizes/physics/1935/chadwick/facts/) beschreiben seinen Nachweis: Mit Alphateilchen beschossenes Beryllium erzeugte eine Strahlung aus neutralen Teilchen, deren Masse ungefähr der Protonenmasse entsprach. Neutronen helfen auch bei der Erklärung von Isotopen. Isotope sind Atome desselben Elements mit unterschiedlicher Neutronenzahl. Das Element bleibt gleich, weil die Protonenzahl gleich bleibt, während die Masse unterschiedlich sein kann, weil die Neutronenzahl unterschiedlich ist. ## Vergleich der drei subatomaren Teilchen Die Tabelle verbindet für jedes Teilchen Ladung, Aufenthaltsbereich und Beitrag zur Atommasse. | Teilchen | Hauptbereich | Relative Ladung | Relative Masse | Bedeutung im Atom | | :------- | :------------ | :-------------- | :------------ | :---------------- | | Elektron | Raum um den Kern | $$-1$$ | Ungefähr $$\frac{1}{1800}$$ der Masse eines Protons | Ein negativer Ladungsmarker im Atomraum | | Proton | Kern | $$+1$$ | Über $$1\ \text{u}$$ | Das Teilchen, das die Elementidentität bestimmt | | Neutron | Kern | $$0$$ | Etwa $$1\ \text{u}$$ | Trägt Masse bei, ohne Ladung hinzuzufügen | Visible text: | Teilchen | Hauptbereich | Relative Ladung | Relative Masse | Bedeutung im Atom | | :------- | :------------ | :-------------- | :------------ | :---------------- | | Elektron | Raum um den Kern | | Ungefähr der Masse eines Protons | Ein negativer Ladungsmarker im Atomraum | | Proton | Kern | | Über | Das Teilchen, das die Elementidentität bestimmt | | Neutron | Kern | | Etwa | Trägt Masse bei, ohne Ladung hinzuzufügen | Ein neutrales Atom hat die gleiche Anzahl an Protonen und Elektronen. Wenn ein Atom beispielsweise $$6$$ Protonen hat und noch neutral ist, hat es auch $$6$$ Elektronen. Visible text: Ein neutrales Atom hat die gleiche Anzahl an Protonen und Elektronen. Wenn ein Atom beispielsweise Protonen hat und noch neutral ist, hat es auch Elektronen. ```math \text{neutrales Atom} \Rightarrow \text{Anzahl von} p^+ = \text{Anzahl von} e^- ``` Drei Beziehungen bilden den roten Faden: **Protonen bestimmen die Elementidentität**, **Neutronen tragen zur Masse bei** und **Elektronen prägen viele chemische Eigenschaften**. Damit lassen sich Ladung, Masse und Atomidentität gemeinsam lesen.