Kernkraftwerk Isar, Deutschland

Abgebrannten Kernbrennstoff Pool

Turbine eines Kernkraftwerks

Struktur des Atoms

Struktur des Atoms

Die Grundlage für alles, was mit der Atomenergie zu tun hat, liegt im Atom, da die Kerntechnologie auf der Nutzung der in den Atomen enthaltenen inneren Energie beruht. Um zu verstehen, wie Kernreaktionen ablaufen (Kernspaltung oder Kernfusion), ist es daher hilfreich zu verstehen, wie ein Atom aufgebaut ist.

Ein Atom ist die kleinste konstituierende Einheit der gewöhnlichen Materie, die die Eigenschaften eines chemischen Elements besitzt.

Das Atom besteht aus einem Kern und einem oder mehreren an den Kern gebundenen Elektronen. Der Kern besteht aus einem oder mehreren Protonen und typischerweise aus einer ähnlichen Anzahl von Neutronen; Protonen und Neutronen werden als Nukleonen bezeichnet.

Die Protonen des Atomkerns werden durch sehr starke Bindungen vereint, bei denen eine große Menge Energie erzeugt wird, wenn sie gebrochen oder erzeugt werden. Die Kernenergie beruht auf der Schaffung oder dem Bruch dieser Verbindungen.

Subatomare Teilchen

Der Ursprung des Wortes Atom stammt aus dem Griechischen und bedeutet unteilbar. Der Begriff des Unteilbaren stammt aus der Antike, als man glaubte, dass das Atom das kleinste Element sei, das existieren könnte. Wir wissen jedoch jetzt, dass das Atom aus noch kleineren Partikeln besteht: subatomaren Partikeln.

Das Atom enthält Protonen, Neutronen und Elektronen mit Ausnahme von Wasserstoff-1 und dem Wasserstoffkation. In diesem Fall enthält Wasserstoff-1 keine Neutronen und das Wasserstoff- oder Hydronenkation enthält keine Elektronen. Die Protonen und Neutronen des Atoms werden Nukleonen genannt, weil sie Teil des Atomkerns sind.

Die Elektronen umkreisen. Das Elektron ist das hellste Teilchen, aus wie vielen Atomen das Atom besteht. Es hat eine negative elektrische Ladung, deren Größe als elementare elektrische Ladung definiert ist, und wird ignoriert, wenn es eine Unterstruktur hat, also wird es als Elementarteilchen betrachtet. Die Masse eines Protons ist 1836-mal größer als die Masse des Elektrons. Die Ladung des Protons ist positiv. Das Neutron hat eine 1839-fache Masse des Elektrons. Das Neutron hat eine neutrale elektrische Ladung (weder positiv noch negativ).

Elektronenmasse: 9,11 · 10 -31 kg 
Masse eines Protons: 1,67 · 10 -27 kg 
Masse eines Neutrons: 1,69 · 10 -27 kg

Das Proton und das Neutron sind keine Elementarteilchen, sondern eine Zusammensetzung aus anderen Teilchen, die als Quarks bezeichnet werden. Subatomare Teilchen bilden einen gebundenen Zustand der Quarks u und d. Ein Proton enthält zwei Quarks u und ein Quark d, während das Neutron zwei d und a u enthält, was der Ladung beider entspricht. Die Quarks werden von der starken Kernkraft zusammengehalten, die durch Gluonen vermittelt wird. Neben diesen Partikeln gibt es im Standardmodell noch weitere subatomare Partikel: weitere Arten von Quarks, geladene Leptonen (ähnlich dem Elektron) usw.

Ein Quark ist ein grundlegendes Teilchen, das im Standardmodell der Teilchenphysik gesammelt wird. Die Quarks haben elektrische Ladungen von +2/3 bzw. -1/3 in Bezug auf die Elementarladung.

Der Atomkern

Der Atomkern ist der zentrale Teil des Atoms, der aus miteinander verbundenen Nukleonen besteht. Das Nukleon ist eine subatomare Teilchenkomponente des Kerns, dh ein Proton oder ein Neutron. Die Massennummer eines Atoms ist die Anzahl der Nukleonen in seinem Atomkern.

Das Volumen des Kerns ist ungefähr proportional zur Gesamtzahl der Nukleonen, der Massenzahl. Die Nukleonen werden durch die Kernkraft zusammengehalten, die bei kurzen Entfernungen viel stärker ist als die elektromagnetische Kraft, wodurch die elektrische Abstoßung zwischen den Protonen überwunden werden kann.

Ein Atom besteht aus einem sehr dichten zentralen Kern, der Protonen und Neutronen enthält, und aus Elektronen, die sich in relativ großer Entfernung um den Kern bewegen.

Die Atome desselben Elements haben die gleiche Anzahl von Protonen, die als Ordnungszahl bezeichnet wird und durch Z dargestellt wird. Die Atome eines gegebenen Elements können eine unterschiedliche Anzahl von Neutronen haben: Man spricht dann von Isotopen. Bei der Urananreicherungsaktion wird die Anzahl der Neutronen in einem Uranatom geändert, um ein instabileres Isotop zu erhalten, um Kettenreaktionen der Kernspaltung zu begünstigen. Beide Zahlen zusammen bestimmen das Nuklid.

Der Atomkern kann im Vergleich zu chemischen Reaktionen durch sehr energetische Prozesse verändert werden. Instabile Kerne wie Uran und Plutonium, die als Kernbrennstoff verwendet werden, leiden unter Zerfall, wodurch die Anzahl der Protonen und die Strahlung emittierenden Neutronen verändert werden können. Ein schwerer Kern kann in einer Kernreaktion oder spontan in andere leichtere Kerne gespalten werden. Mit einer ausreichenden Energiemenge können zwei oder mehr Kerne zu einem schwereren zusammengeführt werden, in diesem Fall wäre es eine Kernfusionsreaktion.

In Atomen mit niedriger Ordnungszahl neigen Kerne mit einer unterschiedlichen Menge an Protonen und Neutronen dazu, sich mit gleichmäßigeren, stabileren Anteilen in Kerne aufzulösen. Für höhere Werte der Atomzahl erfordert die gegenseitige Abstoßung der Protonen jedoch einen größeren Anteil an Neutronen, um den Kern zu stabilisieren.

Elektronenwolke

Das Elektron ist ein stabiles Elementarteilchen mit der kleinsten negativen Ladung, die in der Natur vorhanden ist. Diese Ladung wird als Elementarladung bezeichnet, da sich jede trennbare elektrische Ladung aus einer ganzen Anzahl von ihnen zusammensetzt.

Die Elektronen mit negativem Vorzeichen werden von den Protonen mit positivem Vorzeichen im Atom durch die elektromagnetische Kraft angezogen. Aufgrund dieser elektromagnetischen Kraft ist eine externe Energiequelle erforderlich, um sie freizugeben. Je näher sich ein Elektron am Kern befindet, desto größer ist die Anziehungskraft und desto größer ist die zum Entweichen notwendige Energie.

Elektronen neigen dazu, eine bestimmte Art stehender Welle um den Atomkern zu bilden. Jede dieser Wellen ist durch ein Atomorbital gekennzeichnet, eine mathematische Funktion, die die Wahrscheinlichkeit beschreibt, das Elektron an jedem Punkt im Raum zu finden. Die Menge dieser Orbitale ist diskret, das heißt, sie kann gezählt werden, wie es in jedem Quantensystem richtig ist. Die Elektronenwolke ist die von diesen Wellen besetzte Region, die als negative Ladungsdichte um den Kern sichtbar wird.

Jedes Orbital entspricht einem möglichen Energiewert für die Elektronen, die unter ihnen verteilt sind. Das Prinzip des Ausschlusses von Pauli verbietet, dass sich mehr als zwei Elektronen im selben Orbital befinden. Es können Übergänge zwischen verschiedenen Energieniveaus auftreten: Wenn ein Elektron ein Photon mit ausreichender Energie absorbiert, kann es zu einem höheren Niveau springen; Auch von einer höheren Ebene aus kann man auf einer niedrigeren Ebene landen und die restliche Energie in ein Photon strahlen. Die Energien, die sich aus den Unterschieden zwischen diesen Werten ergeben, sind die in den Spektrallinien des Atoms.

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Geändert am: 14. März 2019