Atomhülle

äußerer aus Elektronen bestehender Teil eines Atoms
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Die Atomhülle oder Elektronenhülle besteht aus den Elektronen, die von einem Atomkern gebunden sind und ihn meistens bis zu einem Abstand von der Größenordnung 10−10 m umgeben. Atomkern und Atomhülle zusammen bilden das Atom. Die Atomhülle füllt nahezu das ganze Atomvolumen, denn ihr Durchmesser ist, je nach chemischem Element, 20.000- bis 150.000-mal größer als der des Atomkerns. Jedoch hat die Atomhülle nur etwa 1/2000 bis 1/5000 der Masse des gesamten Atoms. Abgesehen von der Masse sind daher die von außen zugänglichen Eigenschaften des Atoms fast ausschließlich von der Hülle bestimmt. Dazu gehören neben der Größe des Atoms seine verschiedenen möglichen Arten einer chemischen Bindung, die Möglichkeiten zur Bildung eines kristallinen Festkörpers, die Emission und Absorption von elektromagnetischer Strahlung bestimmter Wellenlängen in den Bereichen Infrarot, sichtbares Licht, Ultraviolett und Röntgenstrahlen.

Ein Heliumatom. Der Atomkern (dargestellt in Rosa) ist in eine vergleichsweise große Wolke der Elektronen (grau) eingebettet. Wäre die Darstellung maßstäblich, so hätte die graue Wolke ungefähr 5 m Durchmesser. Oben rechts noch einmal vergrößert der Kern, der in Wirklichkeit kugelsymmetrisch ist.

Die Unterteilung eines Atoms in Atomkern und Atomhülle geht auf Ernest Rutherford zurück, der 1911 in Streuexperimenten zeigte, dass Atome aus einem winzigen, kompakten Kern umgeben von einer viel leichteren Hülle bestehen.[1] Die Atomhülle eines neutralen Atoms besteht aus Elektronen, wobei durch die Größe der positiven elektrischen Ladung des Atomkerns gegeben ist und auch die chemische Ordnungszahl angibt. Atome mit mehr oder weniger als Elektronen sind negativ bzw. positiv geladen und werden als Ionen bezeichnet.

Für den Aufbau der Elektronenhülle wurden verschiedene Atommodelle entwickelt. Das erste in Teilen sehr erfolgreiche Modell war 1913 das Bohrsche Atommodell (nach Niels Bohr), das auch heute noch vielen populären Darstellungen zugrunde liegt. Es wurde ab 1925 durch die wesentlich umfassenderen und genaueren quantenmechanischen Atommodelle abgelöst, die bis heute die theoretische Grundlage der Atomphysik bilden.

Eigenschaften der gesamten HülleBearbeiten

BindungsenergieBearbeiten

Die Atomhülle besteht aus Elektronen, die aufgrund ihrer negativen elektrischen Ladung an den positiven Atomkern gebunden sind. Die gesamte Bindungsenergie der   Elektronen der Hülle beträgt bei einem neutralen Atom etwa   (eine genauere Näherung ist  ).[2] Die durchschnittliche Bindungsenergie pro Elektron nimmt daher mit steigender Teilchenzahl etwa gemäß   zu, sie steigt von   bei   auf   bei  . Dies Verhalten kontrastiert zur Situation im Kern, wo die durchschnittliche Bindungsenergie pro Nukleon nur bei kleinen Teilchenzahlen bis etwa 16 Nukleonen ( ) stark anwächst, im weiteren aber einen etwa konstanten Wert um 8 MeV behält. Diese Unterschiede werden durch die Eigenschaften jeweils vorherrschenden Wechselwirkung erklärt. Im Kern beruht sowohl die Stärke als auch die effektive Sättigung der Bindungsenergie auf der Starken Wechselwirkung zwischen je zwei Nukleonen, die zwar eine vergleichsweise sehr feste Bindung erzeugt, aber auch von sehr kurzer Reichweite ist, so dass sie kaum über die direkt benachbarten Nukleonen hinaus auch die weiteren Nukleonen anziehen kann. Demgegenüber ist die Hülle durch die elektrostatische Anziehungskraft des Kerns gebunden, die vergleichsweise viel schwächer ist aber aufgrund ihrer langen Reichweite alle Elektronen im ganzen Atom erreicht.

Im einfachsten Modell der Atomhülle wäre ein noch stärkeres Anwachsen der Bindungsenergie pro Elektron wie   zu erwarten, wenn man vom Bohrschen Atommodell ausgeht und annimmt, dass die Elektronen für alle   dasselbe Energieniveau besetzen und keine gegenseitige elektrostatische Abstoßung zeigen. Denn jedes der   Elektronen hätte dann die mit   anwachsende Bindungsenergie des Niveaus. Das schwächere Anwachsen mit   anstatt mit   erklärt sich dann daraus, dass bei ansteigender Elektronenzahl die neu hinzukommenden Elektronen wegen des Pauli-Prinzip auf die noch freien Plätze in immer weniger fest gebundenen Niveaus ausweichen müssen.[3] Ihre gegenseitige elektrostatische Abstoßung fällt demgegenüber weniger ins Gewicht. So ergibt sich das Anwachsen der Bindungsenergie pro Elektron mit   auch schon aus der Behandlung der Elektronenhülle als Fermi-Gas aus nicht wechselwirkenden Elektronen, die in einem ausgedehnten Potentialtopf mit gleichbleibender Tiefe gebunden sind (Thomas-Fermi-Modell). Der zusätzliche Korrekturfaktor der angegebenen genaueren Näherung geht wesentlich darauf zurück, dass die Bindung der innersten Elektronen extra behandelt wird. Sie befinden sich nahe dem spitzen Potentialminimum am Kernort, das in diesem Modell nicht vorgesehen ist.

Form und GrößeBearbeiten

Die Atomhülle hat keine scharf definierte Oberfläche, sondern zeigt im Außenbereich einen etwa exponentiellen Abfall der Elektronendichte. Größe und Form des Atoms werden üblicherweise durch die Fläche definiert, die einen Großteil (z. B. 90 %) der gesamten Elektronendichte enthält. Diese Fläche ist in den meisten Fällen annähernd kugelförmig, außer bei Atomen, die in einem Molekül oder manchen Kristallgittern chemisch gebunden sind, oder nach spezieller Präparation in Form eines Rydberg-Atoms. Zur Größe siehe Atomradius. Die gesamte Hülle kann gegen den Kern schwingen, wobei die Frequenz z. B. beim Xenon-Atom mit 54 Elektronen um 1017Hz (bzw. Anregungsenergie um 100 eV) liegt.[4]

DichteBearbeiten

Entgegen vielen populären Darstellungen ist die Atomhülle keineswegs ein im wesentlichen leerer Raum. Vielmehr variiert die mittlere Elektronendichte der Hülle je nach Element zwischen 0,01 und 0,1 kg/m3. Zum Vergleich: Luft hat diese Dichte bei einem Druck zwischen 10 und 100 mbar. Die Vorstellung der Hülle als eines (fast) leeren Raums würde sich ergeben, wenn zu jedem Zeitpunkt die Elektronen als nahezu perfekte Massenpunkte an bestimmten Stellen im Raum wären. Die Vorstellung von derart lokalisierten Elektronen im Atom ist aber nach der Quantenmechanik unzulässig.

DrehimpulsBearbeiten

Die Atomhülle eines freien Atoms besitzt in jedem Energieniveau einen bestimmten Drehimpuls. Er wird meist durch   bezeichnet, sein Betrag durch die Quantenzahl   und die Komponente zu einer frei gewählten z-Achse durch die magnetische Quantenzahl   mit  . In Elektronenhüllen mit einer geraden Anzahl Elektronen ist   eine ganze Zahl  , bei ungerader Elektronenzahl ist   halbzahlig. Der Betrag des Drehimpulses ist durch   gegeben, die z-Komponente durch  . Dabei ist   das reduzierte Plancksche Wirkungsquantum.[2]

LiteraturBearbeiten

Die Elektronenhülle eines Atoms wird in vielen einführenden Büchern zur Atomphysik ausführlich erklärt. Beispielhaft seien hier genannt

WeblinksBearbeiten

Commons: Atomhülle – Album mit Bildern, Videos und Audiodateien

EinzelnachweiseBearbeiten

  1. Atomhülle. In: Spektrum.de. Abgerufen am 13. Mai 2020.
  2. a b Julian Schwinger: Thomas-Fermi model: The leading correction. In: Phys. Rev. A. Band 22, 1980, S. 1827–1832, doi:10.1103/PhysRevA.22.1827.
  3. Jörn Bleck-Neuhaus: Elementare Teilchen. Von den Atomen über das Standard-Modell bis zum Higgs-Boson. 2., überarbeitete Auflage. Springer, 2013, ISBN 978-3-642-32578-6, ISSN 0937-7433, doi:10.1007/978-3-642-32579-3. S. 99
  4. S. Lundqvist, G. Mukhopadhyay: Collective Aspects of Atomic Dynamics. In: Physica Scripta. Nr. 21, 1980, S. 503–509, doi:10.1088/0031-8949/21/3-4/043.