Hier erkläre ich mit einfachen Worten, was in einem Atom geschieht: die elektrische Ladung, das Atommodell von Bohr, Ionen. Dazu zeige ich die Atome von Kupfer und Aluminium.
Bohrsches Atommodell
Die kleinsten Teile eines Stoffes nennen wir Atome. Diese Atome bestehen aus Atomkern und Atomhülle. Sein Durchmesser beträgt etwa 10-9 m ( 1 / 1000.000.000 m.
Nahezu die gesamte Masse des Atoms ist im Atomkern konzentriert. Dieser Kern besteht erstens aus Protonen. Diese sind elektrisch positiv geladen. Das heißt, jedes Proton ist Träger einer bestimmten Elektrizitätsmenge, der elektrischen Elementarladung. Zweitens gibt es im Kern die Neutronen. Sie sind dagegen elektrisch neutral. Der Atomkern befindet sich im Mittelpunkt des Atoms und hat einen Durchmesser von etwa 10-14 m ( 1 / 100.000.000.000.000 m). Er ist also sehr klein.
Ferner umkreisen die Elektronen den Atomkern auf verschiedenen Bahnen. Im Gegensatz zu den Protonen sind sie elektrisch negativ geladen. Die Elektronenbahnen werden als Elektronenschalen (oder kurz als Schalen) bezeichnet. Jedes Elektron ist Träger der negativen elektrischen Elementarladung. Die Elementarladung eines Protons hat den gleichen Betrag, jedoch ein positives Vorzeichen:
Wenn ein Atom genau soviel positive Protonen wie negative Elektronen besitzt, dann ist es elektrisch neutral.
Atomaufbau:
Die Atome sind also wie folgt aufgebaut:
Im Atomkern befinden sich die Neutronen und Protonen.
In der Atomhülle sind die Elektronen.
Protonen sind elektrisch positiv.
Neutronen haben keine Ladung.
Elektronen sind elektrisch negativ.
Im Folgenden werde ich dies anhand des Kupferatoms veranschaulichen:
Das Kupferatom
Das Kupferatom verfügt beispielsweise über
29 Protonen,
29 Elektronen und
34 Neutronen.
Das Atom ist elektrisch neutral, da seine positive und negative Ladung gleich groß sind. Die Elektronen umkreisen den Atomkern mit sehr hoher Geschwindigkeit (ca. 2200 km/s). Trotz der geringen Masse des Elektrons entstehen wegen der hohen Geschwindigkeit aufgrund der Kreisbewegung große Fliehkräfte. Wenn es die Anziehungskraft zwischen ungleichnamigen elektrischen Ladungen nicht gäbe, so würden die Elektronen nicht auf ihrer Bahn um den Atomkern bleiben, sondern davonfliegen. Damit die Elektronen auf ihrer Bahn bleiben können, muss die elektrische Anziehungskraft genauso groß sein wie die Fliehkraft.
Kräfte, die auf ein Elektron wirken:
Die Zentrifugalkraft (Fliehkraft) ist genauso groß wie die elektrische Anziehungskraft.
Zusammenfassung
Zwischen Atomkern und Elektronen herrschen elektrische Kräfte. Ursache dieser elektrischen Kräfte ist die elektrische Ladung. Gleichnamige Ladungen stoßen sich ab; ungleichnamige Ladungen ziehen sich an.
Was sind Ionen und wie entsteht Ionisierung?
Ein Atom kann mehrere Elektronenschalen haben. Das heißt, die Elektronen bewegen sich auf verschiedenen Bahnen. Die Elektronen der inneren (kernnahen Schalen) sind in der Regel fest an den Atomkern gebunden. Die Elektronen der äußeren Schale wegen des größeren Kernabstandes hingegen weniger fest.
Valenzelektronen
Die Elektronen der äußeren Schale werden Valenzelektronen genannt. Dadurch bestimmen sie das elektrische Verhalten eines Stoffes.
Auf der äußeren Schale des Kupferatoms befinden sich drei Valenzelektronen
Aluminiumatom
Der Kern des Alumniumatoms besteht aus 13 Protonen und 14 Neutronen.
Seine Hülle besteht aus 13 Elektronen.
Deshalb ist auch dieses Atom elektrisch neutral.
Löst sich aus der Elektronenhülle eines neutralen Atoms ein Elektron, wird dem Atom eine Elementarladung entzogen. Das Atom erhält dadurch eine positive Überschussladung. Das heißt, es verliert dabei seine elektrische Neutralität und ist positiv geladen. Solche Atome werden positive Ionen genannt.
Ein neutrales Atom kann auch zusätzlich Elektronen aufnehmen. In diesem Fall überwiegt die negative Ladung. Deshalb werden solche Atome auch negative Ionen genannt.
Ein positives Ion entsteht durch Abgabe eines Elektrons.
Ein negatives Ion entsteht dagegen durch Aufnahme eines Elektrons.
Spannungserzeugung durch Ladungstrennung
Nach diesen Vorüberlegungen ist es nun relativ einfach, die elektrische Spannung zu erklären. Bekanntlich ziehen sich elektrische Ladungen unterschiedlichen Vorzeichens an (Hartgummi und Glasstab).
Allgemein kann man sagen:
Zwischen Ladungen unterschiedlichen Vorzeichens bestehen Kraftwirkungen. Sie haben das Bestreben sich auszugleichen. Das heißt, die Atome möchten ihren elektrisch neutralen Zustand wieder annehmen. Bei der technischen Spannungserzeugung werden unter Energieaufwand die in jedem Stoff enthaltenen positiven und negativen Ladungsträger voneinander getrennt. Dadurch bilden sich zwei Pole aus. Am positiven Pol herrscht Elektronenmangel, am negativen Pol dagegen Elektronenüberschuss.
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