Warum sind die Elektronen nicht am Atomkern gebunden?
Zwischen den Elektronen und den Protonen wirkt eine elektromagnetische Wechselwirkung. Beide ziehen sich an. Warum sind dann die Elektronen nicht nahe des Atomkerns. Ich stelle mir das so vor das die Elektronen mit den Protonen verbunden sind.
Danke im Voraus.
8 Antworten
Mit gehöriger Verspätung:
Enige Leute haben Dir hier gute ANtworten gegeben, die aber vielleicht einen Tick zu detailliert sind. Deshalb erzähle ich Dir dasselbe nochmals, aber etwas qualitativer und gröber, dafür aber (hoffe ich) weniger verwirrend.
Nach der klassischen Physik würde man erwarten, daß die Elektronen einfach an den Protonen des Kernes kleben. Quantenmechanisch geht das aber nicht, weil Teilchen in der Quantenmechanik nicht an einem Ort festgehalten sein wollen; das kannst Du Dir qualitativ mit dem Unschärfeprinzip erklären (sie brauchen eine „Unschärfe“ bezüglich des Orte) oder mit dem Welle/Teilchen-Dualismus (sie haben den Charakter einer ausgedehnten Welle), letztlich ist das eh ± äquivalent.
Weil die Platz brauchen, haben sie eine Tendenz, sich vom Kern entfernen zu wollen. Weil sie aber auch dessen Anziehung spüren, wollen sie auch knapp am Kern sein. Weil beides nicht gleichzeitig geht, kommt als Resultat ein Kompromiß heraus, nämlich ein endlicher aber nicht besonders großer Abstand. Die äußeren Elektronen spüren am wenigsten Anziehung und sind so ungefähr 10⁻¹⁰ m vom Kern entfernt, die inneren können viel knapper dransitzen (≈10⁻¹² m bei schweren Atomen).
Jetzt könntest Du einwenden: Ja, aber was ist mit dem Kern? Der besteht ja auch aus Teilchen (Protonen und Neutronen), und die kleben sehr wohl aneinander, wieso können die das? Das liegt an ihrer Masse: So ein Proton oder Neutron ist knapp 2000 mal schwerer als ein Elektron, und nach den Regel der Quantenmechanik bedeutet das, daß sie wesentlich weniger „ausgedehnt“ sind. Außerdem sind die Kräfte, die sie aneinanderhalten, viel stärker als die zwischen Kern und Elektronen. Deshalb passen sie leicht in das winzige Kernvolumen (≈10⁻¹⁵ m).
Dafür, dass das Elektron nicht mit dem Kern verschmilzt sorgen die Unschärferelation und das Pauli-Prinzip. Die Unschärferelation besagt, dass die mittlere Geschwindigkeit eines Elektrons um so größer wird, je kleiner der Bereich ist, in dem sich das Elektron aufhält. Damit kostet es Energie, ein Elektron im Kern zu halten. Die Orbitale sind Aufenthaltsbereiche, in denen die Energie des Gesamtsystems optimiert ist. Das Pauliprinzip schließt zusätzlich aus, dass zwei Elektronen den gleichen Zustand einnehmen. Damit sorgt es dafür, dass Atome mit vielen Elektronen größer sind und nicht alle Elektronen im s-Orbital direkt am Kern sein können.
Eine Vereinigung von Elektron und Proton ist nicht möglich, weil die Zahl der Leptonen und der Baryonen in der Natur erhalten sind. Würde also ein Proton mit einem Elektron verschmelzen, so müssten ein Neutron und ein Neutrino entstehen. Ersteres um die Zahl der Baryonen zu erhalten, letzteres um die Leptonenzahl-Erhaltung zu gewährleisten. In großen Atomen kommt solch ein Elektroneneinfang vor, er kostet aber Energie, weil ein Neutron schwerer ist, als Proton und Elektron zusammen.
...aus dem netz gefischt...
...klar soweit? :-)))
Naja, eine "Natur" ohne die Quantengesetze (welche andere Antwortende schon erwähnt haben) wäre vermutlich äußerst langweilig und definitiv einfach absolut tot. Das Universum bestünde dann wohl aus einem einzigen, für ewig in sich ruhenden Partikel. Das wäre das perfekte "Null-Universum".
Wie wär´s, wenn du deine Antwort,
- sauber zitierst und
- die Quelle angibst?
Warum sind dann die Elektronen nicht nahe des Atomkerns.
Sind Dir 0,1 bis 0,2 Nanometer (Atomradien der meisten Elemente) nicht nah genug?
https://de.wikipedia.org/wiki/Atomradius
Ich stelle mir das so vor das die Elektronen mit den Protonen verbunden sind.
Oh, das sind sie auch. Man benötigt einige Energie, um sie zu trennen.
Meinst du mit der Energie ein anderes Ion das eine stärkere positivere Ladung hat und somit das Elektron stärker zu sich bindet?
Das ist eine Möglichkeit, die hat man z.B. bei der Dissoziation in wässriger Lösung, siehe die Liste der Ionen auf dem Etikett einer Mineralwasserflasche. Die Energie kann aber auch von ionisierenden Strahlen kommen, siehe Strahlenschutz beim Röntgen oder im Umgang mit Radioaktivität. Oder von einem starken elektrischen Feld, oder von Zusammenstößen mit hoher Geschwindigkeit, siehe Sonne, Gasentladungslampe, Lichtbogen, UV-Lampen und Ozongeruch.
Hallo Anonym638384,
ich verstehe Deine Frage nicht ganz:
Beide ziehen sich an. Warum sind dann die Elektronen nicht nahe des Atomkerns.
Sind sie doch. Je niedriger ihre Energie ist, desto näher sind sie. Vielleicht meinst Du: Warum stürzen sie nicht in den Atomkern?
Atommodell Mini- PlanetensystemNachdem RUTHERFORD 1911 entdeckt hatte, dass die positive Ladung im Atom – und fast seine ganze Masse – in einem winzigen Kern konzentriert ist, glaubte man, die Elektronen bewegten sich auf Orbits um die Atomkerne, wie Planeten um einen Stern. In dem Fall hielte sie die Drehimpulsbarriere von einem Sturz in den Kern ab, wie bei Planeten auch. Oder auch nicht, denn das System Elektron- Atomkern würde elektromagnetische Wellen abstrahlen, und das Elektron würde in den Kern stürzen.
Weil das offensichtlich nicht passiert, kann an dem Modell etwas nicht stimmen. BOHR schlug 1913 vor, dass Elektronen im Atom einen Mindest- Drehimpuls ħ ≈ 1,054×10⁻³⁴ Nms haben müsse und sich überhaupt nur auf Bahnen mit einem Vielfachen von ħ strahlungsfrei bewegen könnten. Zwischen solchen Bahnen würden sie unter Abgabe oder Aufnahme eines Quants elektromagnetischer Strahlung (eines Photons) springen (das ist in der Physik mit "Quantensprung" gemeint).
PhotonenSeit dem 19. Jahrhundert ist etabliert, dass Licht aus elektromagnetischen Wellen besteht die sich mit dem Tempo c ausbreiten. Monochromatisches Licht hat dabei eine bestimmte Wellenlänge λ und eine bestimmte Kreisfrequenz ω = 2πc⁄λ.
Dass dies aus Quanten ("Portionen") der Energie ħω besteht, postulierte zunächst PLANCK 1900 zur Erklärung des Gesetzes zur Temperaturstrahlung eines schwarzen Körpers und bestätigte EINSTEIN 1905 und konnte so den Photoelektrischen Effekt erklären (dafür bekam er 1922 den Nobelpreis für 1921 zuerkannt).
Wenn eine Lichtwelle eine klare Ausbreitungstrichtung hat und damit auch einen klaren Wellenvektor k› mit dem Betrag ⎜k›⎟ = 2π⁄λ, haben ihre Photonen auch einen einheitlichen Impuls p› = ħk›.
Das Elektron als WelleDE BROGLIE kam 1924 auf die Idee, das Prinzip von Licht rückwärts auf Materieteilchen anzuwenden: Sie sind nicht kleine Kügelchen, sondern wie Photonen elementare Anregungen des elektromagnetischen Feldes sind, sind auch Materieteilchen elementare Anregungen von Feldern mit Wellencharakter.
Ein Teilchen mit Energie E und Impuls p› hat die Kreisfrequenz ω = E⁄ħ und den Wellenvektor k› = p›⁄ħ. Damit erklärte er zunächst die BOHRschen Bahnen ganz natürlich: "Erlaubt" sind nur Bahnen, auf die ein Elektron als Stehende Welle passt.
Mit dieser Wellenvorstellung lässt sich auch ganz natürlich HEISENBERGs Unbestimmtheitsrelation von 1925 erklären: Ein kompaktes Wellenpaket hat eine halbwegs klar definierte Position, stellt aber dafür eine Überlagerung sehr vieler verschiedener Impulse dar. Ein sehr stark auseinandergezogenes Wellenpaket, das einer Ebenen Welle nahekommt, hat einen relativ klar definierten Impuls, dafür aber keine klare Position.
OrbitaleSCHRÖDINGER gelang es 1926, eine Art Wellengleichung für Materieteilchen aufzustellen, die sich sehr viel langsamer als mit c bewegen. Sie beschreibt das Elektron gar nicht mehr auf einer Bahn, sondern es bildet eine räumliche Stehende Welle um den Atomkern, ein Orbital. Die App 'Electron Orbitals' visualisiert das farblich, wobei die Farbe für die sog. Komplexe Phase steht. Was das ist, erkläre ich gern an anderer Stelle.
Anders als bei Planeten kann das Elektron auch einen Drehimpuls 0 haben, ohne in den Kern zu stürzen. Seine Wellenfunktion ist dann eine räumliche fallende Exponentialfunktion, d.h., nach außen hin nimmt die Amplitude exponentiell ab.
Abb. 1: Zwei Beispiele für Orbitale eines Elektrons in einem Atom, erstellt mit der App 'Electron Orbitals'
Hallo, weil diese den Atomkern umkreisen...
In Leitern wie den Metallen sind die Elektronen frei beweglich und können zwischen den Atomen umherwandern, während in Nichtleitern die Elektronen nur ihren eigenen Atomkern umkreisen können und nicht zwischen den Atomen umherwandern können...Sie haben keine "Reisefreiheit" zwischen den Atomen...
Ich frage mich warum die Natur die Vereinigung von Protonen und Elektronen nicht zu lässt. Also das Problem dieser Vereinigung kann ich irgendwie nicht nachvollziehen . Trotzdem Danke für deine Hilfe.