Wieso explodiert ein Atom nicht? + + --?
Der Lehrer hat uns die Aufgabe in Chemie gegeben zu googlen wieso ein Atom nicht explodiert, ''obwoh es ja so sein müsste'' wenn da plus und minus ist also Elektrone und Protone, die berühren sich nicht ik. Der Lehrer meint dass das so ein kleiner abstand ist, und das es explodieren sollte, er hat noch irgendein beispiel an Magneten gesagt.
4 Antworten
Es gibt zwei Arten von Kräften, die anscheinend wirken (ganz vereinfacht dargestellt). Überlege mal, welche das sind und in welche Richtungen die wirken.
Moin,
also wenn dein Lehrer wirklich etwas von kleinem Abstand als Grund fürs „Explodieren” und von Magnetismus gesagt hat, dann hat der Gute einfach mal keine Ahnung. Das wäre sehr traurig.
Magnetismus hat damit gleich gar nichts zu tun. Der Abstand ist zwar ein interessanter Aspekt, aber nur nebenbei.
Normalerweise würde ich jetzt von dir erwarten, dass du das recherchierst, um es dann zu verstehen (so wie es ja auch der Auftrag eures Lehrers vorsieht). Aber in diesem speziellen Fall ist es so, dass selbst deine Recherche wahrscheinlich zu Seiten oder Videos... führt, auf / in denen das alles zwar erklärt wird, du aber trotzdem kaum etwas verstehst, einfach weil das alles recht schwierig zu verstehen ist. Darum will ich versuchen, dir das zu erklären, obwohl es schwirig zu verstehen ist.
Was für die Stabilität eines Atomkerns eine Rolle spielt, sind zwei Kräfte, die hier wirken, nämlich die Coulomb-Kräfte und die Kernkraft. Die spielen hier die entscheidende Rolle. Das andere, was hier eine Rolle spielt, ist die Heisenbergsche Unschärferelation. Aber dazu später mehr. Zuerst schauen wir uns die Kräfte an...
Die Coulomb-Kräfte sind (etwas vereinfacht erklärt): die Anziehungs- und Abstoßungskräfte zwischen Ladungsträgern.
Dabei ziehen sich entgegengesetzt geladene Teilchen gegenseitig an, während sich gleich geladene Teilchen voneinander abstoßen.
An dieser Stelle hat dein Lehrer offenbar die Assoziation von dem Magneten, bei dem sich ja die unterschiedlichen Enden Nord- und Südpol gegenseitig anziehen, während sich gleiche Pole (Nord- und Nordpol bzw. Süd- und Südpol) voneinander abstoßen. Aber noch einmal: das ist etwas vollkommen anderes und erzeugt in der Vorstellung leider ein falsches Bild. Also vergiss den Schwachsinn, bitte!
Das erste Interessante ist nun die Frage, dass ein Atomkern doch dann aufgrund der Coulomb-Abstoßungskräfte auseinanderfliegen („explodieren”) müsste, wenn er aus mehr als einem Proton besteht. Denn zwei Protonen auf engem Raum müssten sich doch eigentlich voneinander abstoßen, da sie beide die gleiche Ladung haben.
„Lustigerweise” tun sie das auch, wenn sie einen bestimmten Abstand zueinander haben. Das ist ein Grund, warum es so etwas wie Radioaktivität gibt, denn wenn in einem Atomkern zu viele Protonen vorkommen (wenn der Kern also zu groß wird), dann haben die am Außenrand liegenden Protonen einen so großen Abstand zueinander, dass hier die Coulomb-Kräfte wirksam werden und den Kern zerfallen lassen (Radioaktivität = Veränderung des Atomkerns; häufig der Kernzerfall).
Aber wenn der Kern nur ein paar Protonen enthält, passiert das nicht. Warum nicht? Tja, hier kommt die andere Kraft ins Spiel, die Kernkraft.
Wenn man nämlich zwei Protonen so stark einander annähert, dass sie die Coulomb-Abstoßungskraft überwinden, dann passiert etwas ganz Merkwürdiges: dann ziehen sich die Protonen plötzlich gegenseitig sogar an!! Dann wirkt auf beide die Kernkraft. Und die Kernkraft ist eine seeehr starke Wechselwirkung. Viel stärker als die Coulomb-Kraft. Darum bleiben zwei Protonen im Kern beieinander, obwohl sie die gleichsinnige Ladung haben.
Spätestens hier bricht das Bild mit dem Magneten zusammen, denn zwei Nord- oder Südpole ziehen sich nicht plötzlich gegenseitig an, wenn ich sie nur mit Gewalt aufeinander drücke und so zusammenzwinge. Also nochmal: vergiss das Scheißbild mit dem Magneten. Magnetismus ist etwas völlig anderes als die Coulomb- und die Kernkraft.
Manche sagen auch, dass die Neutronen so eine Art „Klebstoff” für die Protonen seien. Auch das ist eine merkwürdige Analogiemetapher. Die Neutronen sorgen dafür, dass die Protonen in einem engen Abstand zueinander bleiben, so dass die starke Kernkraft erhalten bleibt. Insofern stabilisieren die Neutronen tatsächlich den Kern, aber sie sind kein „Klebstoff”.
Okay. Nun weißt du, wie der Zusammenhang beim Kern ist. Die Protonen stoßen sich aufgrund ihrer gleichsinnigen Ladung elektrostatisch voneinander ab (Coluomb-Kraft). Die Coulomb-Kraft wirkt bis zu einem gewissen Abstand und wird größer, je näher du die gleich geladenen Ladungsträger einander annäherst.
ABER: wenn du die Protonen sehr stark einander annäherst, übernimmt eine andere Kraft die Führung, nämlich die Kernkraft. Sie ist eine viel größere Kraft als die Coulomb-Kraft und bewirkt, dass gleich geladene Protonen zusammengehalten werden. Coulomb-Abstoßung zwingt die Protonen auseinander, aber die größere Kernkraft hält sie zusammen.
Die Kernkraft wirkt aber nur über eine extrem kurze Distanz. Wenn die Protonen einen größeren Abstand als diese Minidistanz haben, dann wirkt die eigentlich stärkere Kernkraft nicht mehr, sondern es übernimmt dann wieder die Coulomb-Kraft der Abstoßung die Regie (so dass zu große Kerne radioaktiv zerfallen).
Hier hast du auch die Erklärung dafür, warum man Atomkerne spalten kann. Wenn du nämlich einen Atomkern mit sehr schnellen Teilchen (zum Beispiel Neutronen) beschießt, dann treffen diese Neutronen manchmal einen Atomkern so, dass sie die Protonen darin kurzzeitig so weit auseinanderdrücken, dass der vergrößerte Abstand dazu führt, dass die Kernkraft nicht mehr wirkt, sondern die Coulomb-Abstoßung wirksam wird. Folge: der Kern wird gespalten...
Okay, das wäre jetzt wohl geklärt. Ich hoffe, du hast alles verstanden.
Nun gibt es aber noch eine zweite interessante Frage: warum stürzt ein Elektron (immerhin eine Minusladung) nicht in den Atomkern (der ja immerhin positiv geladene Protonen enthält). Eigentlich müsste das doch aufgrund der Coulomb-Anziehungskraft zwischen entgegengesetzt geladenen Teilchen passieren?!
Tja, hier kommt nun die Heisenbergsche Unschärferelation ins Spiel. Sie besagt nämlich, dass man nicht gleichzeitig die Energie (den Impuls) eines Elektrons UND den Aufenthaltsort des Elektrons mit beliebiger Genauigkeit festlegen kann.
Oder etwas anders ausgedrückt: Wenn du den Ort eines Elektrons genau kennst, kannst du dessen Energiewert nicht mehr sinnvoll angeben (zum Beispiel 0,3 eV ± 1.000.000 eV). Oder anders herum: Wenn du den Energiegehalt eines Elektrons genau festlegst, kannst du den Aufenthaltsort nicht mehr wissen (nah am Atomkern oder irgendwo im Weltraum).
Die mikroskopische Welt der Atome ist so eigenartig, dass wir sie uns nur schlecht vorstellen können. Elektronen sind zum Beispiel nicht wirklich kleine Kugeln mit einer negativen Ladung, die sich bewegen und um sich selbst drehen. Sie sind auch nicht nur eine stehende Welle mit einer bestimmten Wellenlänge und einem festgelegten Abstand zum Atomkern. Sie sind beides gleichzeitig (deBroglies Teilchen-Welle-Dualismus)!! Elektronen verhalten sich manchmal wie kleine Teilchen (Teilchencharakter), aber bei anderen Gelegenheiten auch wie Wellen (Wellencharakter). Und das beides gleichzeitig! Das ist so „verrückt”, dass man sich das am besten gar nicht versucht vorzustellen. Sagen wir lieber, dass ein Elektron einfach da ist. Was das Elektron dabei ist, bleibt besser unbeantwortet. Es ist einfach da!
Und wenn du das akzeptiert hast, bist du auch weg von der Vorstellung, dass sich das Elektron um den Atomkern bewegt. Es kreist nicht um den Atomkern. Und es bildet auch keine stehende Welle mit bestimmtem Abstand zum Kern. Es ist einfach da! Oder da! Oder da!
Wenn du Momentaufnahmen von einem Atom machen könntest, dann würdest du ein Elektron an einer bestimmten Stelle öfter sehen als an einer anderen Stelle. Wenn du hunderte solcher Momentaufnahme-Bilder übereinander legen könntest, dann ergäbe sich für ein einziges Elektron vielleicht dieses Bild:
Das Elektron könnte also mal ziemlich nah am Kern sein, mal etwas weiter weg, aber am häufigsten in einem hier ringartigen Gürtel (der in Wirklichkeit eine dreidimensionale Kugel um den Atomkern im Zentrum ist). Wie gesagt, das sind nicht viele Elektronen, sondern EIN Elektron in hunderten von Einzelmomenten.
Für jeden einzeln Punkt hat das Elektron einen anderen Ort und eine andere Energie. Beide Werte kann man nicht gleichzeitig mit beliebiger Genauigkeit messen (also feststellen).
Wenn dich das genauer interessiert, schau mal hier:
https://www.youtube.com/watch?v=deEyG4Nm9MA
oder auch hier:
https://www.youtube.com/watch?v=behQ3O97DXw
Was aus diesen Erklärungen am Ende hervorgeht, ist, dass ein Elektron nicht in den Atomkern stürzen kann (also das Atom kann nicht kollabiert), weil du Energie aufwenden musst, um das Elektron und die Protonen im Kern extrem anzunähern. Die Elektronen haben bei einem bestimmten Abstand ihren niedrigsten Energiegehalt. Und jedes System (also auch ein Atom) strebt immer den energieärmsten Zustand an, weil dieser Zustand am stabilsten ist.
Fazit all dessen:
- Atomkerne fliegen nicht auseinander („explodieren”), weil die dabei wirksame Coulomb-Kraft kleiner ist als die zusammenhaltende Kernkraft.
- Erst bei zu großen Atomkernen, bei denen der Abstand einzelner Protonen am Außenrand des Kerns so groß ist, dass die Kernkraft nicht mehr wirkt und so die Coulomb-Kraft an Bedeutung gewinnt, fallen die Kerne auseinander (Radioaktivität).
- Auch der Beschuss eines Atomkerns mit sehr stark beschleunigten subatomaren Teilchen kann zur Kernspaltung führen.
- Atome kollabieren aber auch nicht (indem die Elektronen in der Hülle durch die Coulomb-Anziehungskraft zwischen entgegengesetzt geladenen Teilchen in den Kern stürzen), weil das System bei einem bestimmten Abstand zwischen Elektron und Kern eine Energiesenke (einen energieärmsten Zustand) erreicht, so dass du unmäßig viel Energie aufbringen müsstest, um Elektron und Proton noch stärker anzunähern.
- Das alles hat NICHTS mit Magnetismus zu tun.
Alles klar?
LG von der Waterkant
Du meinst: "Warum stürzt ein Elektron nicht in den Protonenkern?"
Das dürfte sich mit der Heisenbergschen Unschärferelation herleiten lassen, soweit ich das recherchiert habe.
Je genauer sich der Ort bestimmen lässt, an dem sich das Elektron aufhält, desto größer ist die mittlere Geschwindigkeit des Elektrons.
Eine höhere Geschwindigkeit bedeutet mehr Energie. Man müsste dem Atom also Energie zuführen, damit das Elektron sich näher am Kern befinden kann.
Ohne Energiezufuhr kann das Elektron also ni9cht nah an den Kern.
Es bräuchte im Übrigen auch Energie, um das Elektron mit einem Proton verschmelzen zu lassen.
Will heißen: Es kann schon sein, dass ein Elektron mit dem Kern verschmilzt, dafür müsste man aber Energie zuführen. Wird das Atom dadurch instabil, dann kann es auch zerfallen/explodieren.
Die Prämisse der Frage ist somit fehlerhaft.
Siehe auch:
https://de.wikipedia.org/wiki/Elektroneneinfang
http://www.quantenwelt.de/faq/pauli.html
https://home.uni-leipzig.de/pwm/teaching/ExPhys4_SS09/script/EP4_apr23_09.pdf
Der Kern explodiert nicht, weil die Neutronen die positive Ladung egalisieren. Die Elektronen wiederum befinden sich auf einer Bahn, die genau ihrem Energieniveau entspricht. Und auch nicht immer vorhersehbar an exakt einer Stelle. Die sog. Wellenfunktion von Elektronen beschreibt das. Quantenphysik, krasser Schei...🥳 Jedenfalls ist es nicht möglich die kleinste Bahn in Richtung Kern zu verlassen, das widerspricht dem Wesen der Elektronen.
Die Neutronen dienen zum Ausgleich der positiven Protonen. Damit diese sich nicht abstossen Das Wasserstoff Atom braucht das nicht da es nur ein Proton hat. Das Elekron wird durch das Proton auf seiner Bahn gehalten.
Ein Neutron ist neutral, wie soll das eine Ladung ausgleichen....
Es ist genial, es hat ein Kernkraft die der Abstoßung der Protonen entgegen wirkt und sie damit im Kern hält. Es ist neutral damit sie sich gegenseitig nicht beeinflussen.
Das ist schon richtig, dass die Neutronen zusätzliche Kernkräfte einbringen, aber zu sagen sie würden die Ladung neutralisieren, stimmt halt nicht.
Qualitativ ist die Aussage richtig. Aber ja, sorry, ich werde die Quanten und Wellentheorie hier nicht in wenigen Worten exakt wiedergeben können.
Dann müssten Wasserstoffatome platzen. Die haben nämlich kein Neutron.