Wie funktioniert der Atombau?

Moin,

ein Atom kannst du dir so vorstellen, dass es einen winzig kleinen Kern hat und eine riesige (wirklich riesig riesige) Hülle. Wenn die Atomhülle die Ausmaße eines Fußballstadions hätte, dann läge die Größe des Atomkerns zwischen der Größe eines Fußballs, eines Tennisballs oder eines Pingpongballs (je nach betrachteter Atomsorte).

Im Atomkern findest du immer positive Ladungsträger, die man Protonen nennt. Außerdem findest du hier praktisch immer ungeladene Teilchen, die man als Neutronen bezeichnet. Beide Teilchen (Protonen und Neutronen) haben ungefähr die gleiche Masse. Aber weil diese Masse so klein ist, dass sie nur sehr unhandliche Werte ergäbe, wenn man sie in Gramm oder Kilogramm angeben würde, hat man den Maßstab der Atommasse eingeführt. Danach wiegen Protonen und Neutronen beide ungefähr jeweils 1 u.

Die Hülle besteht im Grunde aus Nichts! Ja, du hast richtig gelesen: aus Nichts! Sie ist einfach nahezu leerer Raum. Nahezu? Ja, denn in der Hülle findest du negative Ladungsträger, die Elektronen nämlich.
Nun darfst du dir das nicht so denken, als habe ein Atom eine Hülle mit einer klar definierten Außengrenze. Es ist vielmehr so, dass sich die Elektronen in der Hülle verteilen. Dabei reicht ihre Wirkung bis in bestimmte Bereiche, die dann im Grunde eine mehr oder weniger offene Abgrenzung ergeben.
Die Elektronen haben zwar eine negative Ladung (und stellen somit ein Gegenstück zu den positiv geladenen Protonen im Kern dar), aber sie haben vergleichsweise so gut wie keine Masse. Sie wiegen ungefähr 2000-mal weniger als ein Proton. Das heißt, dass du ungefähr 2000 Elektronen bräuchtest, um auf die gleiche Masse zu kommen wie sie ein Proton (oder ein Neutron) hat. Darum kannst du sagen, dass sich im Grunde die gesamte Masse eines Atoms im Atomkern konzentriert.

Oft kommt jetzt die Frage, warum man nicht durch Wände gehen kann, wo doch die Atome der Wand und die Atome in meinem Körper zum größten Teil aus Nichts bestehen. Tja, hier kommt etwas ins Spiel, dass mit elektrostatischer Anziehung und Abstoßung zu tun hat. Du musst wissen, dass sich gleich geladene Teilchen anziehen, während sich ungleich geladene Teilchen anziehen. Wenn sich also zwei Atomhüllen einander annähern, dann fangen irgendwann die darin enthaltenen Elektronen an, die Elektronen der jeweils anderen Hülle abzustoßen, weil sich gleiche Ladungen nun einmal abstoßen. Und diese Abstoßung wird umso stärker, je näher sich die beiden Atome kommen. Darum kannst du sagen, dass sich Atome gegenseitig abstoßen und darum nicht durchdringen, obwohl ihre Hülle eigentlich aus Nichts besteht und noch nicht einmal eine festgelegte Grenze hat.
Und nun kommt an dieser Stelle oft die Frage, wieso dann mehrere Elektronen in einer Hülle vorkommen können, obwohl sie doch alle gleich geladen sind?! Nun, das liegt daran, dass im Kern die positiv geladenen Protonen sind. Diese ziehen die entgegengesetzt geladenen Elektronen an und halten sie in der Nähe des Atomkerns. Je mehr Protonen in einem Kern sind, desto mehr positive Ladung hast du und umso mehr Elektronen können gehalten werden. In einem Atom sind immer gleich viele Protonen und Elektronen vorhanden (wohlgemerkt, diese Aussage bezieht sich auf ein Atom; es gibt auch andere Teilchen, wo das anders ist, aber dann nennt man diese Teilchen Ionen). Die Elektronen in der Hülle verteilen sich und streben tatsächlich danach, möglichst weit voneinander entfernt zu sein. In Wirklichkeit ist das alles ein bisschen komplizierter, aber für deine Belange kannst du dir das erst einmal so merken.
Als letztes könnte dir nun noch auffallen, das es dann aber merkwürdig ist, dass die Protonen im Kern, die ja auch alle die gleiche Ladung haben und im Grunde in einen winzigen Raum zusammengepfercht sind, nicht auseinanderfliegen, sondern zusammen bleiben. Das liegt nun wiederum daran, dass es zwar stimmt, dass sich gleich geladene Teilchen voneinander abstoßen, aber wenn du es schaffst, die Abstoßungskräfte zwischen den Protonen zu überwinden und eine bestimmte Grenze des Abstandes zueinander dabei unterschreitest, dann ziehen sich die gleich geladenen Protonen plötzlich sehr stark an. Diese Anziehung zwischen direkt benachbarten Protonen nennt man Kernkraft. Die Kernkraft ist viel größer als die elektrostatische Abstoßungskraft. Deshalb bleiben die Protonen im Kern beieinander. Als zusätzliche Hilfe kommen noch die Neutronen hinzu. Sie stabilisieren einen Kern. Manche sagen dazu, dass die Neutronen quasi als "Klebstoff" die Protonen zusammenhalten. Na ja, wenn man das so sagen will, meinetwegen...

Übrigens kannst du mit Hilfe der Kernkraft auch verstehen, wieso es in Kernkraftwerken zur Spaltung von Atomkernen kommt und warum es so ungeheuer schwer ist, zwei Atomkerne soweit einander anzunähern, dass sie miteinander zu einem größeren Kern verschmelzen (Kernfusion). Im ersten Fall beschießt du große Atomkerne mit Neutronen. Das führt dazu, dass sich die Protonen in dem Kern etwas weiter voneinander entfernen, wenn der Kern von dem Neutron getroffen wird (wie Billardkugeln, die in einem Haufen lagen, bevor sie von der weißen Kugel getroffen wurden). Wenn durch das Sich-voneinander-entfernen die oben beschriebene kritische Entfernung überschritten wird, wird plötzlich die elektrostatische Abstoßungskraft größer als die Kernkraft, der Kern spaltet sich und setzt den entsprechenden Teil der Kernkraft als Energie frei.
Im anderen Fall musst du die kritische Entfernung unterschreiten, damit die Kernkraft wirksam werden kann. Dazu musst du viel Energie aufwenden, um die vorher wirksame elektrostatische Abstoßung zu überwinden.

Nun gibt es noch mehr Feinheiten (zum Beispiel wie sich die Elektronen in der Hülle verteilen), aber das ist ein anderes Thema. Du merkst dir:
Atom - Kern-Hülle-Modell; Protonen und Neutronen im Kern, Elektronen in der Hülle. Masse und positive Ladung konzentrieren sich im Kern, negative Ladungsträger wiegen fast nichts.

Alles klar?

LG von der Waterkant.