Werkstofftechnik 1 - Teil I Grundlagen

A Struktureller Aufbau von Werkstoffen (S. 15-16)

1 Atomare Struktur

1.1 Atomaufbau und Periodensystem der Elemente

1.1.1 Atomare Elementarteilchen

Materie – sowohl natürlichen als auch synthetischen Ursprungs – lässt sich auf 92 verschiedene chemische Grundstoffe, die sog. Elemente, zurückführen. Jede Elementsubstanz besteht aus einer für sie typischen Atomsorte. Alle Atome setzen sich aus drei verschiedenen Elementarteilchen, den Elektronen, Protonen und Neutronen zusammen. Jede Atomsorte unterscheidet sich von einer anderen nur durch eine abweichende Zahl dieser Elementarteilchen. Die Atome der Elemente 1 bis 92 enthalten außer einer gewissen Anzahl von Neutronen jeweils 1 bis 92 Protonen und ebenso viele Elektronen. Die Protonenzahl dient als Ordnungszahl der Elemente. Als weiteres Elementarteilchen ist noch das faktisch masselose Quant des elektromagnetischen Feldes, das Photon, zu nennen.

Seit etwa 1930 wurden neben diesen vier klassischen Elementarteilchen nicht nur deren Antiteilchen, sondern auch eine Vielzahl weiterer, zumeist instabiler Elementarteilchen gefunden, die sich als atomare Zerfalls- bzw. Sekundärprodukte in der kosmischen Strahlung und vor allem bei kernphysikalischen Reaktionen nachweisen lassen. Entsprechend ihrer Masse werden diese Elementarteilchen in schwere Baryonen, mittelschwere Mesonen und leichte Leptonen unterschieden. Hierbei zählen Protonen und Neutronen als sog. Nukleonen zur Gruppe der Baryonen, während Elektronen den Leptonen zuzuordnen sind.

Nach heutigem Kenntnisstand wiederum bestehen die Kernbausteine Protonen und Neutronen aus nur noch sechs verschiedenen, außerordentlich kleinen Urbausteinen, den sog. Quarks. Der experimentelle Nachweis von Quarks ist nur auf indirektem Wege möglich und auch erst in jüngster Zeit vollständig gelungen. Ein derart komplizierter Aufbau der Materie verwundert auch nicht, wenn man bedenkt, dass Masse und Energie nur zwei unterschiedliche Erscheinungsformen des gleichen Phänomens „Materie" darstellen und chemische Reaktionen, insbesondere Kernreaktionen mit Umwandlungen von Masse in Energie verbunden sind. Für unsere Belange genügt aber das einfache, anschauliche Bild der klassischen Elementarteilchen, die sich zunächst hinsichtlich ihrer elektrischen Ladung und ihrer Masse gravierend unterscheiden. Elektronen tragen eine negative Ladung, Protonen dagegen eine positive. Elektronen besitzen eine sehr geringe Masse, sie beträgt nur den etwa 2000sten Teil der Masse eines Protons oder eines Neutrons. Die Elementarteilchen zeigen innerhalb eines Atoms eine ungewöhnliche Anordnung. Die die eigentliche atomare Materie tragenden Protonen und Neutronen sind in einem außerordentlich dicht gepackten Kern konzentriert, der um einen Faktor 10-4 bis 10-5 kleiner als das eigentliche Atom ist. Die negativ geladenen Elektronen umgeben den Kern hüllenartig und bilden die äußere Begrenzung des Atoms. Würden die Größenverhältnisse von Atom und Atomkern in vorstellbare Dimensionen übertragen, so entspräche einem Kerndurchmesser von 1 cm ein Atomdurchmesser von 100 bis 1000 m. Die Packungsdichte innerhalb eines Atoms ist damit geringer als in unserem Planetensystem, wenn der Atomkern mit der Sonne und die Elektronen mit den die Sonne umgebenden Planeten verglichen werden. Das von einem Atom eingenommene Volumen ist also von Materie im engeren Sinne weitgehend frei, zwischen Elektronenhülle und Atomkern bestehen jedoch energetischeWechselbeziehungen, die eine „Kompression" des Atomvolumens praktisch nicht zulassen.

Da ein Atom immer die gleiche Zahl positiver Protonen im Kern und negativer Elektronen in der Hülle enthält, erweist es sich nach außen hin elektrisch neutral und zeigt in einem elektrischen Feld keine nach außen erkennbaren Reaktionen. Verliert ein neutrales Atom ein oder mehrere Elektronen, so wird es zu einem ein- bzw.mehrwertig positiv geladenen Ion, nimmt es hingegen zusätzlich Elektronen auf, so entsteht ein entsprechend negativ geladenes Ion. Positive Ionen (Kationen) bewegen sich in einem elektrischen Feld zur negativen Elektrode (Kathode) hin, negative Ionen (Anionen) zur positiven Elektrode (Anode). Werden einem Atom bei einer Reaktion Elektronen genommen, so handelt es sich um eine Oxidation, die Aufnahme von Elektronen bedeutet dagegen eine Reduktion.

1.1.2 Aufbau der Elektronenhülle

Das Atom selbst stellt den letzten Baustein dar, aus dem man sich noch in anschaulicher Weise Materie aufgebaut vorstellen kann. Diese Anschaulichkeit geht bei einer Beschreibung des Verhaltens kleinerer Teilchen, also der zuvor genannten subatomaren Elementarteilchen, verloren. Für sie gewinnt nämlich das vom Photonenverhalten her bekannte dualistische Teilchen/Welle-Prinzip zunehmend an Bedeutung, wofür quantentheoretische, wenig anschauliche mathematisch formulierte Beschreibungen erforderlich werden.