Atom-Modell
Übersicht
Dalton: kompaktes Modell
Bohr: Planetenmodell
de Boglie: Kern-Hüllen-Modell (Schalendefinition)
Chadwich: Kern = Protonen+Neutronen, Hüllen = Schalen
Atomtheorie über Postulate
• Jedes Element besteht aus kleinsten Partikeln, den Atomen.
• Atome unterschiedlicher Elemente haben verschiedene Eigenschaften.
• Alle Atome eines Elementes sind untereinander gleich.
• Atome sind chemisch nicht veränderbar/ umwandelbar
• Verbindungen bestehen aus mind. 2 Komponenten.
• Die relative Anzahl der Atome in einer Verbindung ist konstant.
à Erhaltung der Masse (Lavoisier)
Masse der Produkte = Masse der Edukte bei E = mc² (Einstein)
à Konstante Proportionen (Proust)
Massenverhältnis von sich verbindenden Elementen bleibt erhalten.
à multiple Proportionen (Dalton)
Nuklide
Bez. für Atomarten (Atome einschließlich Elektronenhülle), die charakterisiert sind durch die Anzahl der Protonen u. Neutronen im Kern, d.h. durch Ordnungszahl u. Massenzahl (Zahl der Neutronen = Massenzahl–Ordnungszahl). Es sei darauf hingewiesen, daß man im Schrifttum auch heute noch gelegentlich den Terminus Isotop in der Bedeutung von „N.“ verwendet findet. Bei den Radionukliden kennt man auch angeregte (metastabile) N. Durch Kernumwandlungen können neue Radionuklide, wobei insbes. die neutronenreichen od. neutronenarmen N. extrem kurze HWZ haben. Zur besseren Übersicht über die Vielzahl der N. u. ihrer Kernreaktionen hat man ein Koordinationssyst. entwickelt (sog. Nuklidkarten), das auf der Abszisse die Neutronenzahl, auf der Ordinate die Protonen- (Kernladungs- od. Ordnungszahl) zeigt. Isotope N. stehen in waagrechten Reihen, isotone N. in senkrechten Reihen u. isobare N. in Diagonalreihen der Nuklidkarte.
Elementarteilchen
Der Begriff E. wurde zu Beginn der 30er Jahre geprägt, als man experimentell lediglich das Proton, das Elektron u. – als Strahlungsquant – das Photon kannte. Inzwischen ist die Liste der E. auf mehrere hundert angestiegen u. der Begriff „elementar“ ist zu relativieren. Die modernen physik. Theorien der E. versuchen, mit wenigen Grundbausteinen auszukommen u. legen verstärktes Gewicht auf fundamentale Symmetrien u. Wechselwirkungen; die meisten Vertreter des „Elementarteilchenzoos“ sind demnach Teilchen mit innerer Struktur od. angeregte Zustände anderer E. Trotz vielfältiger Anstrengungen u. beachtlicher Erfolge in den letzten Jahren liegt noch keine allg. akzeptierte umfassende Theorie der E. bei beliebigen Energien vor. Nach dem Standardmodell gibt es als Grundbausteine der Materie 6 Quarks u. 6 Leptonen, dazu jeweils ihre Antiteilchen. Man kennt z.Z. 4 fundamentale Kräfte, die Gravitationskraft, die elektromagnetische Kraft, die schwache Kraft u. die starke Kraft. Die starke Kraft bindet die Quarks z.B. zu Protonen od. Neutronen; die noch verbleibende starke Kraft vermag Protonen u. Neutronen zu Atomkernen zu binden. E., die der starken Kraft unterliegen, nennt man auch Hadronen. Die schwache Kraft ist für bestimmte Arten des Kernzerfalls verantwortlich (Beta-Zerfall). Starke u. schwache Kraft sind kurzreichweitiger Natur; sie erstrecken sich lediglich über die Dimension eines Atomkerns. Die langreichweitige elektromagnetische Kraft bindet Atomkerne u. Elektronen zu Atomen; auch die Bildung exotischer Atome ist möglich, wobei z.B. an die Stelle von Elektronen Müonen treten. Die verbleibende elektromagnetische Kraft bindet Atome zu Mol. Ebenfalls langreichweitiger Natur ist die Gravitationskraft. Nach A. Einsteins spezieller Relativitätstheorie breitet sich eine physik. Wirkung höchstens mit Lichtgeschwindigkeit aus. Die zwischen 2 Teilchen wirkende Kraft wird daher durch den Austausch von Teilchen, sog. Austauschteilchen, erklärt, welche die zur Diskussion stehende Kraft mit endlicher Geschwindigkeit übertragen. Experimentell sind z.Z. 3 Arten von Austauschteilchen, auch Eichbosonen genannt, bekannt: Photonen, die Vektorbosonen W+, W– u. Z° – die Träger der schwachen Kraft – u. die die starke Kraft vermittelnden Gluonen. Die Träger der Gravitationskraft, als Gravitonen bezeichnet, konnten experimentell bisher nicht nachgewiesen werden; in Anbetracht der Kleinheit der Gravitationskraft in atomaren u. subatomaren Dimensionen ist dies aber nicht verwunderlich.
Obwohl die Suche nach freien Quarks bisher vergeblich blieb, sind die Indizien für ihre Existenz überwältigend. In Tab. 1 sind die Bezeichnungen u. einige Eigenschaften der 6 als gesichert geltenden Quarks u. ihrer Antiteilchen aufgeführt.
Jeweils 2 Quarks bilden eine Quark-Familie, der jeweils eine aus einem geladenen u. einem neutralen Lepton bestehende Lepton-Familie zugeordnet ist. Die Minimalzahl von Quark- bzw. Lepton-Familien ist 3; ob dies gleichzeitig die Maximalzahl ist, ist noch nicht geklärt. Die erste Quark-Familie wird vom up- u. down-Quark gebildet; die zugehörige Lepton-Familie umfaßt das Elektron u. das Elektron-Neutrino. Das up-Quark trägt die Ladung 2/3 (in Einheiten der Elementarladung); das down-Quark hat die Ladung –1/3 . Ein Proton (p) mit der Ladung 1 stellt man sich aus zwei up-Quarks u. einem down-Quark aufgebaut vor. Analog setzt sich ein elektrisch neutrales Neutron (n) aus zwei down-Quarks u. einem up-Quark zusammen. Proton u. Neutron zählt man zu den Baryonen. Das Proton ist stabil u. hat eine mittlere Lebensdauer von wenigstens 1035 s; ob es eine – wenn auch winzig kleine – endliche Zerfallswahrscheinlichkeit hat, ist z.Z. noch ungeklärt. Das freie Neutron hat eine mittlere Lebensdauer von ca. 15 Minuten u. zerfällt durch die schwache Kraft in ein Proton, ein Elektron u. ein Elektron-Antineutrino (s. Beta-Zerfall).
Am Aufbau anderer Baryonen ist auch das 3. Quark beteiligt, das strange-Quark (s) genannt wird u. die Ladung –1/3 trägt. Seine Ruhemasse ist eine Größenordnung größer als die des down-Quarks. 3 strange-Quarks bilden das Omega-minus-Teilchen (W–), welches von Murray Gell-Mann 1962 aufgrund theoretischer Überlegungen postuliert wurde u. für welches er eine Ruhemasse m0 von ca. 1680 MeV vorhersagte. Diese Vorhersage wurde 1964 am Brookhaven National Laboratory (BNL) eindrucksvoll bestätigt; für m0 (W–) wurde ein Wert von 1672 MeV erhalten. Neben Baryonen, die sich aus Tripletts von Quarks zusammensetzen, gibt es auch E. aus Quark-Paaren, die man zu den Mesonen zählt; die Begriffe Baryonen u. Mesonen wurden vor der Entwicklung des Quark-Modells geprägt.
Moderne physikalische Theorien versuchen die 4 Grundkräfte zu vereinigen. Die Vereinheitlichung von elektromagnetischer u. schwacher Wechselwirkung durch Glashow, Salam u. Weinberg (Nobelpreis 1979) zur sog. elektroschwachen Eichfeldtheorie gelang bereits 1969. Die Vereinigung von starker u. elektroschwacher Kraft wird in den „Großen Vereinigungstheorien“ (abgek. GUT) u. den sog. supersymmetrischen Theorien vorgenommen. Z.Z. existieren eine ganze Reihe konkurrierender Theorien. Eine experimentelle Überprüfung ist überaus schwierig, da die „Große Vereinigung“ erst bei Energien von über 1015 GeV od. Temp. oberhalb von 1028 Grad auftritt. Ein enger Zusammenhang besteht zwischen den Theorien der E. u. Theorien zur Entstehung des Universums. Man nimmt an, daß zum Zeitpunkt des Urknalls alle 4 Grundkräfte vereinigt waren u. die Differenzierung erst bei Abkühlung des Universums erfolgte.
Protonen
[Symbol p od. H+; Name von Prot(o)...]. Neben den Neutronen als Nukleonen zur Familie der Baryonen gehörende Elementarteilchen mit einer pos. elektr. Elementarladung. Wie bei Elementarteilchen besprochen, sind P. aus drei Quarks zusammengesetzt.
P. u. Neutronen, die sich von den P. nur durch die Ladung u. einen geringfügigen Unterschied in der Ruhemasse unterscheiden (man betrachtet beide als zwei verschiedene Zustände des Nukleons), bilden die Atomkerne der chem. Elemente; vom Wasserstoff-Atom an (1 P. im Kern) steigt die Zahl der P. im Atomkern von Element zu Element regelmäßig um 1 an. Bei elektr. neutralen Atomen entspricht die Zahl der P. (Protonen-, Ordnungs-, Kernladungszahl) der Zahl der Elektronen. Stabile Isotope mit gleich viel P. wie Neutronen sind bis p=n=20 bekannt.
Ungebundene P. finden sich in großen Mengen in Sternen, interstellarer Materie, kosm. Strahlung u. Nordlichtern; auch die Magnetosphäre der Erde (van Allen-Gürtel) besteht größtenteils aus Protonen. Als Kern-Reaktionen des P. kennt man den Antineutrino-Einfang, den Beta-Zerfall (s. Neutrinos), die Bldg. von Deuteronen sowie thermonukleare Reaktionen, z.B. in der Sonne.
In der Chemie meint man mit „Proton“ das Wasserstoff-Ion H+ u./od. dessen Hydrate, die sich in wäss. Syst. durch Anlagerung von H2O bilden. 1986 wurde auch über ein zweifach protoniertes Wasser-Mol. berichtet.
Antiproton
1955 entdecktes Antiteilchen zum Proton. Das A. besitzt die gleiche Masse wie das Proton (m = 1,6726·10 –27 kg) u. hat betragsmäßig die gleiche Ladung, allerdings mit entgegengesetztem, negativem Vorzeichen (q=–1,602189·10 –19 C). Im Labor ist es gelungen, aus A. Positronen Atome der Antimaterie herzustellen.
Neutronen
(Symbol n, Name von lat.: neutrum = keines von beiden, d.h. weder pos. noch neg. elektr. geladen). Als Nukleonen zur Familie der Baryonen gehörende Elementarteilchen, die von Chadwick 1932 bei der Wiederholung u. rechner. Auswertung der bereits von Bothe u. Becker (1930) sowie Joliot-Curie u. Joliot (1931) studierten Kernreaktion zwischen Beryllium-Atomen (94Be) u. Alpha-Teilchen (42He) entdeckt wurden. Bei dieser Reaktion wird die Emission einer außerordentlich durchdringenden neutralen Strahlung beobachtet, die zunächst als Gammastrahlung interpretiert wurde. Ausgehend von einer Vermutung Sir E. Rutherfords aus dem Jahre 1920, daß es neben Protonen auch elektr. neutrale Teilchen innerhalb der Atomkerne geben sollte, stellte Chadwick gezielte Streuexperimente mit dieser Strahlung an u. konnte zeigen, daß sie aus elektr. neutralen Teilchen von annähernd gleich großer Masse wie der Protonen bestand.
Die Ruhemasse eines N. beträgt 1,6749286(10)·10 –27 kg od. 1,008664904(14) u. Ein N. hat den Spin 1/2 u. ist damit ein Fermion. Das freie N. ist instabil u. zerfällt mit einer mittleren Lebensdauer von ca. 900 s in ein Proton, ein Elektron u. ein Elektron-Antineutrino(s.a. Beta-Zerfall u. Neutrinos). Das Antiteilchen des N., Antineutron n genannt, ist ebenfalls elektr. neutral u. wurde 1956 beim Beschuß von Materie mit Antiprotonen entdeckt.
Die Wechselwirkung der N. mit Materie hängt stark von ihrer kinet. Energie ab, weshalb es üblich ist, N. nach ihrer Energie in Gruppen einzuteilen.
Da N. elektr. neutral sind, kann man sie nicht nachbeschleunigen u. ihre kinet. Energie ist zunächst durch den Erzeugungsprozeß bestimmt; Abbremsung ist allerdings möglich.
Kalte u. therm. N. können zur Unters. der Strukturen von Festkörpern verwendet werden; Näheres s. Neutronenbeugung. Therm. N. werden durch Abbremsung schneller N. aus N.-Quellen od. Kernreaktoren in sog. Moderatoren (z.B. Paraffin, Wasser od. Graphit) gewonnen. Therm. N. befinden sich im therm. Gleichgew. mit dem sie umgebenden Medium Sie können manche Stoffe ohne wesentliche Schwächung durchdringen (z.B. 50 cm dicke Bleiwände).
Elektronen
(Symbole e, e– od. –). Elektrisch negativ geladene Elementarteilchen aus der Familie der Leptonen. Der Name Elektron ist von dem griechischen Wort für Bernstein abgeleitet u. geht wahrscheinlich auf den englischen Physiker Stoney zurück.
In der Natur kommen E. meist in gebundenem Zustand vor – in der Elektronenhülle eines Atoms. Nahezu freibewegliche E. sind die Leitungselektronen von Metallen. Durch Zufuhr von Energie lassen sich E. aus dem Atomverband ablösen. Solche freien E. erzeugt man durch Glühemission aus Drähten von Metallen mit niedriger Ionisationsenergie (s. Glühen), durch Einstrahlung von Licht (Photoeffekt) od. Röntgenstrahlen, durch Stoßprozesse, durch Reibung, durch Anlegen starker elektrischer Felder usw. Freie E. entstehen auch beim spontanen Zerfall bestimmter instabiler Atomkerne (s. Beta-Zerfall); die aus E. bestehende Strahlung, die dabei ausgesandt wird, bezeichnet man als Beta-Strahlung (s. Beta-Strahlen).
Alle bisherigen Experimente deuten darauf hin, daß E. unteilbar u. damit wirklich elementar sind. Isolierte E. haben vermutlich eine unbegrenzte Lebensdauer. E. haben wie alle Mikroteilchen sowohl Korpuskel- als auch Welleneigenschaften, die sich z.B. in der Schwärzung von Photoplatten bzw. der Elektronenbeugung äußern.
E. der äußeren Atomhüllen bestimmen das chem. Verhalten der Atome u. sorgen dafür, daß sich die Atome zu Mol. verbinden können. Die Stromleitung in elektr. Leitern beruht auf der Ggw. der E., die sich im Metall nahezu frei – wie ein Elektronengas – zwischen den Kristallgitterbausteinen (Metallkationen) bewegen. In Halbleitern wird die elektrische Leitfähigkeit durch E. u. sog. Defektelektronen vermittelt. In supraleitenden Materialien spielen Paare von E., sog. Cooper-Paare, eine wichtige Rolle.
Neutrinos
(Symbol n). Zur Familie der Leptonen gehörende Elementarteilchen, die elektr. neutral sind, den Spin 1/2 u. allenfalls eine sehr kleine Ruhemasse besitzen. Die Existenz von N. wurde 1931 von W. Pauli postuliert, um den Energiedefekt beim Beta-Zerfall zu erklären. Der Name „N.“ (italien. = kleines Neutron) stammt von Fermi (1933), der den Beta-Zerfall quantenfeldtheoret. beschrieb u. hierbei das Konzept der schwachen Wechselwirkung aufstellte. Der Nachw. u. die Unters. der Eig. von N. sind ungewöhnlich schwierig, da sie Materie nahezu wirkungslos durchdringen. Erst 1956 gelang C. Cowan (geb. 1920) u. F. Reines (geb. 1918) der Nachw., daß Antineutrinos (die Antiteilchen der N.) Wechselwirkungen auslösen können. Sie studierten den inversen Beta-Zerfall u. fanden zwei wie von der Theorie geforderte zeitlich um 5,5 Mikrosek. versetzte Ausstöße von Gammastrahlung (s. Gammastrahlen), wovon der erste durch die gegenseitige Vernichtung des Positrons mit einem Elektron u. der zweite, später erfolgende beim Einfang eines Neutrons durch einen Cadmium-Kern in Becken voller Cadmiumchlorid erfolgte.
N. sind von enormer Bedeutung für die Astrophysik. Wegen ihrer hohen Durchdringungsfähigkeit kann ihre Unters. Aufschluß über im Innern der Sonne u.a. Sterne ablaufender Kernprozesse liefern. Infolge der geringen Wahrscheinlichkeit von N.-Ereignissen erfordert der Nachw. kosm. N. riesige Detektoren weit unterhalb der Erdoberfläche. Bereits vor mehr als 20 Jahren sagten theoret. Astrophysiker voraus, daß die Explosion einer Supernova eine riesige Anzahl von N. freisetzt. Tatsächlich konnten am 27.2.1987 der Kamiokande-II-Detektor in der Kamioka-Zinkmine u. der IMB-Detektor in der Morton-Salzmine zweifelsfrei N.-Ereignisse registrieren, die von der Supernova-Explosion herrührten, die vor ca. 165000 Jahren in der Großen Magellanschen Wolke stattfand.
Isotope
Von griech.: isos = gleich u. topos = Platz (da an gleicher Stelle im Periodensystem stehend) abgeleitete Bez. für Nuklide ein u. desselben chem. Elementes. I. sind also Nuklide gleicher Kernladungs- od. Ordnungszahl (Protonenzahl), die sich nur durch die Anzahl der im Atomkern enthaltenen Neutronen unterscheiden, s. dagegen Isotone od. Isobare. Isotop sind somit Atomkerne, die gleich viele Protonen, aber infolge der unterschiedlichen Neutronenzahl verschiedene Massen (Atomgewicht = Massenzahl) haben; sie verhalten sich (von geringfügigen Abweichungen bei den leichtesten Elementen abgesehen) chem. gleichartig. Physikal. unterscheiden sich isotope Atomkerne jedoch außer in ihrer Masse durch den Drehimpuls (Spin), das magnet. Moment u. ihr Vol. Die Existenz von I. ist auch z.T. verantwortlich für die Hyperfeinstruktur der Spektren. Mit der chemischen Zeichensprache kennzeichnet man die einzelnen Nuklide – auch in markierten Verbindungen – durch links vom Elementsymbol stehende Ziffern, u. zwar die Massenzahl (Atomgew.) als Hochzahl u. die Kernladungszahl (Ordnungszahl) als Tiefzahl. Die Nomenklatur der isotop. modifizierten Verb. ist in Sektion H der IUPAC-Regeln festgelegt.
Man kennt neben stabilen, in der Natur vorkommenden I. auch instabile I., die ebenfalls natürlich auftreten können, meist aber durch Kernreaktionen künstlich hergestellt werden. Die instabilen u. metastabilen I. werden als Radionuklide bezeichnet; daneben findet man noch die Bez. Radioisotope. Es ist allerdings unzulässig, einen radioakt. Stoff allg. „Isotop“ zu nennen, da dieser Begriff mit der Eig. der Radioaktivität nichts zu tun hat. Alle instabilen I. zerfallen spontan nach charakterist. Halbwertszeiten – oft über weitere radioakt. Zwischenprod. – in andere stabile I., die von den Ausgangs-I. chem. verschieden sind. Eine Aufstellung vieler I. mit Angaben über HWZ u. natürliche Häufigkeit findet man in Tabellenwerken. Natürlich können solche Verzeichnisse nicht aktuell sein, denn künstliche I. werden ständig neu hergestellt, wenn auch die Zuwachsraten abnehmen – schließlich lassen sich Nuklide mit unverhältnismäßig wenigen od. vielen Neutronen nicht beliebig herstellen. Alle übrigen natürlichen Elemente sind Mischelemente, die sich aus zwei od. mehr (im Höchstfall – beim Zinn – 10) verschiedenen I. zusammensetzen. Sämtliche I. haben fast genau ganzzahlige Atom-Gew. (bezogen auf C = 12,00). Durch Mischung der I. kommen die „Bruchzahlen“ bei den Atom-Gew. zustande, es ergibt sich ein durchschnittliches Atom-Gew.
Mit Hilfe der Massenspektroskopie lassen sich Zahl, Häufigkeit u. das Atom-Gew. von I. eines Mischelementes bestimmen. Ca. 70 Atom-Gew. erscheinen mehrfach (Isobare). Durch das Vorliegen von mehreren I. erklären sich auch einige Besonderheiten des Periodensystems; so hat z.B. das zu den Edelgasen gehörende Argon ein höheres Atom-Gew. als das in die Alkali-Spalte gehörige Kalium, weil beim Argon zufällig das Isotop 40, beim Kalium dagegen das Isotop 39 am häufigsten ist.
Zur Gewinnung bzw. Isolierung von I. bedient man sich verschiedener Meth. der Isotopentrennung u. ggf. der Kernreaktionen auch mit Schwerionen.
Verw.: Die stabilen I. werden in der chem., medizin. u. biol. Forschung in sehr vielfältiger Weise eingesetzt. Sie dienen in sog. Isotopen-Austauschreaktionen zur Herst. markierter Verbindungen, die sich – nicht nur qual. mit der sog. Tracer-Meth., sondern auch quant. in der Isotopenverdünnungsanalyse – zur Verfolgung von Reaktionsabläufen eignen, v.a. dann, wenn bei Verw. von an sich geeigneten radioakt. I. Strahlenschäden zu befürchten sind. Man spricht hier oft von Isotopenindikatoren u. Leitisotopen. Die wichtigsten Markierungs-I. für Chemie, Biologie u. Technik sind H, C, N, O; allein von der Cyansäure (HOCN) sind 24 verschiedene nichtradioakt. Isotopomere denkbar.
Wasserstoff
(chem. Symbol H, von griech.-lat.: hydrogenium=Wasserbildner). Gasförmiges Element, Ordnungszahl 1. Natürliche Isotope (in Klammern evtl. benutzte Eigennamen u. prozentuale Häufigkeit):
1 (Protium, 99,985),
2 (Deuterium, 0,015),
3 (Tritium, Spuren; radioakt. mit 12,3 a HWZ).
In das Periodensystem läßt sich W. nicht eindeutig einordnen: seine Elektronegativität stellt ihn zwischen Bor u. Kohlenstoff, zum anderen zeigt er Ähnlichkeit mit den Alkalimetallen (H gibt pos. geladene Ionen, Protonen), aber auch mit den Halogenen, weshalb man ihm die Oxid.-Stufen +1 (Proton), 0 (atomarer W., H-Radikal) u. –1 (Hydrid-Ion) zuspricht. In wäss. Syst. liegen die Protonen nicht in freier, sondern in hydratisierter Form vor, hauptsächlich als H3O+ (Oxonium). Analoges gilt für Deuterium u. Tritium. Atomarer W. wird aufgrund seines quantenmechan. Verhaltens als sog. Quantengas aufgefaßt . Das H-Atom besteht aus dem Proton als Kern u. einem Elektron (1 s1) in der Schale. Normalerweise liegt W. jedoch als Molekül H 2 vor. Da W. das leichteste aller Elemente ist, hat man nach J. Daltons Vorschlag lange Zeit das relative Atomgew. des W. als 1 festgelegt. Das geringe Gew. des W. erklärt auch das hohe Diffusions- u. Effusionsvermögen dieses Gases.
Physiologie: Im Stoffwechsel laufen zahlreiche, durch Enzyme (Dehydrogenasen, Hydrogenasen, Oxidoreduktasen) katalysierte W.-Transfer-Reaktionen ab, wobei Coenzyme (NAD, FAD) als intermediäre Wasserstoff-Akzeptoren bzw. - Donatoren fungieren. W. ist biol. außerordentlich wichtig; weitaus die meiste Muskelenergie, die von Organismen entwickelt wird, stammt nicht etwa aus der Oxid. des C zu CO2, sondern aus einer stufenweisen Oxid. des an C-Ketten (in Kohlenhydraten, Fetten) gebundenen W., der im menschlichen Organismus einen Anteil von 10% des Körpergew. hat: Ein 70 kg schwerer Mensch enthält also ca. 7 kg W., gebunden in org. Verb. u. Wasser.
Überwiegend tritt W. gebunden auf, so v.a. als Wasser, ferner in Säuren, Laugen sowie in fast allen org. Verb.; in den letzteren ist W. an Kohlenstoff gebunden, darüber hinaus auch an O, S, N, P u.a. Elemente. Mit bestimmten Reagentien kann man derart aciden u. aktiven Wasserstoff analysieren. Eine Bindung ganz bes. Art liegt in den sog. Wasserstoff-Brückenbindungen vor. Beim sog. Extra- od. indizierten Wasserstoff handelt es sich um einen Begriff aus der Nomenklatur.
W. kommt in Stahlflaschen (Bomben, Farbe rot, Linksgewinde) od. Flaschenbündeln unter z.B. 200 bar Druck in den Handel, od. er wird flüssig (kyrogen) bei –253° in hochisolierten Drucktankwagen transportiert. Im Rhein-Ruhr-Gebiet wird ein über 200 km langes (Druck-)Rohrleitungsnetz im Verbund mit 14 W. erzeugenden u. verbrauchenden Werken betrieben. Der größte Teil des produzierten W. wird direkt beim Erzeuger weiterverarbeitet.
Deuterium
(von griech.: deuteros = der Zweite), chem. Symbol D od. (systemat.) 2 H. Stabiles, natürliches Isotop des Wasserstoffs. Gewöhnlicher Wasserstoff ist ein Gemenge aus 99,985 Mol-% H u. 0,015 Mol-% D, u. das gleiche Verhältnis gilt auch für alle natürlichen Verb. des Wasserstoffs. Auch im Weltraum ist D. nachgewiesen worden, wenn auch das H/D-Verhältnis von dem irdischen abweicht. Während sich die Isotope der meisten Elemente höchstens um 10 Gew.-% voneinander unterscheiden, ist D aufgrund seines Mehrgehalts von 1 Neutron etwa doppelt so schwer wie H. Daher treten hier ziemlich deutliche physikal. u. physikal.-chem. Unterschiede (Isotopie-Effekte) zutage, die auch zu seiner Entdeckung führten: Der amerikan. Nobelpreisträger Urey entdeckte 1931 im Wasserstoff-Spektrum zwei sehr schwache Linien, deren Lage mathemat. erfaßt werden konnte, wenn man in die Formel für die gewöhnlichen sog. Balmer-Linien den doppelten Massenwert für H einsetzte. Seither wird D auch als Schwerer Wasserstoff bezeichnet.
Eine der wichtigsten Deuterium-Verb. ist das sog. Schwere Wasser od. Deuteriumoxid von der Formel D 2 O. Baut man D als Leitisotop in eine org. Verb. ein, so läßt sich der Weg dieses Stoffes in Organismen genau verfolgen; auf diese Weise hat man biolog. u. physiolog.-chem. Probleme gemeistert.
Tritium
(von griech.: tritos = der Dritte).Bez. für das schwerste, einzige radioakt. Isotop des Wasserstoffs, für das – außer in Formeln von tritiierten Verbindungen – die Symbole T od. 3 H verwendet werden können. Das (selten auch Überschwerer Wasserstoff genannte) T. enthält in seinem Atomkern (Triton) 2 Neutronen u. 1 Proton. Die K-Schale ist wie beim gewöhnlichen Wasserstoff mit einem 1 s-Elektron besetzt; das Ion 3 H – heißt Tritid. Seit 1974 ist auch das Antitritium bekannt. T. ist ein schwacher Beta-Strahler, HWZ 12,3 Jahre, der sich unter Aussendung eines Elektrons in das Helium-Isotop 32 He umwandelt. T. verbindet sich mit Luftsauerstoff zu Überschwerem Wasser (Tritiumoxid), meist jedoch zu HTO, u. nimmt als solches am Kreislauf des Wassers teil. Stoffe, die sich am Kreislauf des Wassers nicht mehr beteiligen können, müssen einen geringeren T-Gehalt aufweisen, da dessen T im Lauf von 12,3 Jahren zur Hälfte zerfällt u. kein T-Nachschub von außen erfolgen kann. Diese sog. Tritium-Uhr ermöglicht Altersbestimmungen bis zu 100 Jahren. T ist infolge seiner Radioaktivität schon in viel geringeren Mengen nachweisbar als Deuterium. Infolge der großen Massenunterschiede können Atome von H, D u. T auch chem. verschieden reagieren, obwohl sie zum gleichen Element gehören. Bei der Elektrolyse von Wasser wird T ähnlich angereichert wie Deuterium, was bei analyt. Unters. mit D 2 O berücksichtigt werden muß. Im Organismus verteilt sich HTO gleichmäßig im gesamten Körperwasser; die biolog. HWZ beträgt beim Menschen ca. 10–12 Tage. Zu einem kleinen Teil wird T auch im Körper durch Austauschreaktionen an Amino -, Hydroxy -, Thiol-Gruppen od. mit C-acidem Wasserstoff in org. Verb. eingebaut, aus denen es mit einer HWZ von 40–600 Tagen nur sehr langsam eliminiert wird.
Verw.: In der Isotopentechnik dient T häufig als Radioindikator od. Tracer zur Markierung von org. Verb.; eine große Anzahl solcher tritiierter Verbindungen ist kommerziell erhältlich.
Isotopie-Effekte
Aus Massenunterschieden von Isotopen, die an chem. Bindungen beteiligt sind, resultierende Unterschiede in den Nullpunktsenergien der Bindungen. Diese bes. an markierten Verbindungen beobachtbaren Effekte äußern sich u.a. in verschiedenartigen Reaktionsgeschw. (kinetische I.-E.) u. in der Aufspaltung von Spektrallinien (Hyperfeinstruktur). Die Effekte sind um so kleiner, je kleiner die Massendifferenzen sind, also umgekehrt bei H/D/T angesichts der Massenverhältnisse 1/2/3 am größten. Die I.-E. sind von Bedeutung bei präparativ od. analyt. genutzten Austauschreaktionen, bei kinet. Unters., beim Studium von Gleichgew.-Reaktionen, enzymat. Reaktionen, Eliminierungs- od. Substitutions-Reaktionen etc. Auch die physik. Eig. der Verb. unterliegen dem Einfluß der I.-E., z.B. die Molvol., Dampfdrücke, die spinabhängigen Spektroskopie-Verf., chromatograph. Eig.
Strahlung
Bez. für die gerichtete, räumliche u. zeitliche Ausbreitung von Energie in Form von Wellen (Wellenstrahlung) u./od. Teilchen (Korpuskular -, Partikel -, Teilchenstrahlung). Beim Durchgang der S. durch Materie erfolgen
Refraktion, Schwächung u. Ablenkung durch Beugung,
Streuung durch Stoßprozesse,
Absorption u. Emission, an die sich chem. Reaktionen anschließen können,
sowie Ionisation.
Bei allen Arten von Strahlung treten ferner Dissipations -, Desaktivierungs- u. Energieübertragungsprozesse auf. Die Kenntnis der Wechselwirkung zwischen S. u. Materie bildet die wissenschaftliche Grundlage für Photo- u. Strahlenchemie sowie -biologie, für die Kernenergie-Gewinnung, die Spektroskopie u. zahllose andere techn. Prozesse; auch das Klima ist eine Funktion der S. (der Sonne).
Während Schall eine Ausbreitung von Dichteschwankungen in Materie ist, handelt es sich bei Radiowellen, Mikrowellen, sichtbarem Licht, Ultraviolett- u. Röntgenstrahlung um elektromagnetische Strahlung, die sich mit einer Geschw. von
c=299792458 m·s –1 (Lichtgeschw.)
im Vak. ausbreitet.
Am Anfang würde mit der Wellenlänge ¥ u. der Frequenz 0 der Gleichstrom stehen. An das Gebiet der gewöhnlichen Wechselströme schließen sich das Gebiet der Hochfrequenztechnik, die langen, kurzen u. ultrakurzen Radiowellen, ferner die durch Schwingung von Resonatoren erzeugten Dezi -, Zenti - u. Millimeterwellen (Mikrowellen) an. Diese reichen in das Gebiet, in dem die Schwingungen der Mol. liegen, nämlich das Gebiet der sog. Wärmestrahlung, da man meistens die Wärmebewegung der Mol. zu ihrer Erzeugung benutzt. Daran schließt sich das Gebiet der Infrarotstrahlung an. Es grenzt an das „sichtbare“ Spektrum. Nach kürzeren Wellen folgt das Gebiet der Ultraviolettstrahlung. Um diese zu erhalten, muß man die Atome od. Mol. schon stärker als durch Wärmebewegung anregen, z.B. durch Beschießen mit schnellen Elektronen od. anderen Korpuskularstrahlen. Weiter gelangt man in das Gebiet der Röntgenstrahlung. Hieran schließt sich das Gebiet der Gammastrahlen (g-Strahlen) an, die jedoch nicht von der Elektronenhülle der Atome, sondern während des radioakt. Zerfalls vom Atomkern ausgehen. Den Anschluß bildet die kosmische Strahlung mit äußerst kurzen Wellenlängen. Spezielle Arten von elektromagnet. S. sind Brems-S., Synchrotron-S. u. Çerenkov-Strahlung. Unter der Korpuskularstrahlung (Partikel- od. Teilchenstrahlung) versteht man meist schnell bewegte Teilchen, insbes. Elementarteilchen, wie Elektronen (manchmal nach ihrer Herkunft in Beta -, Delta- u. Kathoden-S. unterteilt). Protonen u. Neutronen als Bestandteile der sog. Kernstrahlung, Mesonen, Neutrinos u.a. Teilchen aus der Höhenstrahlung, Ionen wie a-Teilchen, Deuteronen, Kanalstrahlen od. Schwerionen aus Teilchenbeschleunigern, ferner Atomstrahlen u. Molekülstrahlen.
Allg. Angaben über Strahlenquellen lassen sich an dieser Stelle nicht machen, man vgl. daher die Sonnenstrahlung, soweit sie für chem., biol., medizin. Anw. od. für die Spektroskopie in Frage kommen. Ebenso unterschiedlich wie die Erzeugung der S.-Arten ist ihre Erfassung u. Messung. Im allg. sind spezif. Sensoren u. Detektoren bei den einzelnen Strahlenarten erwähnt od. in Einzelstichwörtern kurz behandelt wie z.B. Bolometer, Aktinometer, Pyrometer, Photozellen, Photoelemente, Photomultiplier, photographische Schichten, Szintillationszähler, Zählrohre, Blasenkammer, Wilson-Kammer etc.; häufig beruht der S.-Nachw. auf der Ionisation der Meßmedien, s.a. Dosimetrie.
b -Strahler
Substanz, die aufgrund des Beta-Zerfalls Beta-Strahlen emittiert. In der Natur vorkommende Substanzen emittieren b–-Strahlen (Elektronen), während künstlich erzeugte radioakt. Substanzen auch b+-Strahlen (Positronen) aussenden können. Für Kalibrierungszwecke eignen sich die Nuklide, bei denen die den Beta-Zerfall begleitende Gammastrahlung niedrige Energie u. geringe Intensität besitzt, so daß sie nicht stört.
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