Physikalische Geologie

Alle Materie, einschließlich Mineralkristalle, besteht aus Atomen, und alle Atome bestehen aus drei Hauptteilchen: Protonen, Neutronen und Elektronen. Wie in Tabelle 2.1 zusammengefasst, sind Protonen positiv geladen, Neutronen sind ungeladen und Elektronen sind negativ geladen. Die negative Ladung eines Elektrons gleicht die positive Ladung eines Protons aus. Sowohl Protonen als auch Neutronen haben eine Masse von 1, während Elektronen fast keine Masse haben.

Das Element Wasserstoff hat die einfachsten Atome mit jeweils nur einem Proton und einem Elektron. Das Proton bildet den Kern, während das Elektron um ihn herum kreist. Alle anderen Elemente haben sowohl Neutronen als auch Protonen in ihrem Kern, wie z. B. Helium (siehe Abbildung 2.2). Die positiv geladenen Protonen neigen dazu, sich gegenseitig abzustoßen, und die Neutronen helfen, den Kern zusammenzuhalten. Die Anzahl der Protonen ist die Ordnungszahl, und die Anzahl der Protonen plus Neutronen ist die Atommasse. Für Wasserstoff beträgt die Atommasse 1, da es ein Proton und keine Neutronen gibt. Für Helium sind es 4: zwei Protonen und zwei Neutronen.

Für die meisten der 16 leichtesten Elemente (bis zu Sauerstoff) entspricht die Anzahl der Neutronen der Anzahl der Protonen. Für die meisten verbleibenden Elemente gibt es mehr Neutronen als Protonen, da zusätzliche Neutronen benötigt werden, um den Kern zusammenzuhalten, indem die gegenseitige Abstoßung der zunehmenden Anzahl von Protonen, die auf sehr kleinem Raum konzentriert sind, überwunden wird. Zum Beispiel hat Silizium 14 Protonen und 14 Neutronen. Seine Ordnungszahl ist 14 und seine Atommasse ist 28. Das häufigste Isotop von Uran hat 92 Protonen und 146 Neutronen. Seine Ordnungszahl ist 92 und seine Atommasse ist 238 (92 + 146).

Der Punkt in der Mitte ist der Kern, und die umgebende Wolke stellt dar, wo sich die beiden Elektronen jederzeit befinden könnten. Je dunkler der Schatten, desto wahrscheinlicher ist es, dass ein Elektron dort ist. Ein Angström (Å) beträgt 10-10 m. Ein Femtometer (fm) beträgt 10-15 m. Mit anderen Worten, die Elektronenwolke eines Heliumatoms ist etwa 100.000 Mal größer als sein Kern.

Elektronen, die um den Kern eines Atoms kreisen, sind in Schalen angeordnet – auch als „Energieniveaus“ bekannt. Die erste Schale kann nur zwei Elektronen aufnehmen, während die nächste Schale bis zu acht Elektronen aufnehmen kann. Nachfolgende Schalen können mehr Elektronen aufnehmen, aber die äußerste Schale eines Atoms enthält nicht mehr als acht Elektronen. Die Elektronen in der äußersten Schale spielen eine wichtige Rolle Elemente, die eine vollständige äußere Hülle haben, sind insert, da sie nicht mit anderen Elementen unter Bildung von Verbindungen reagieren. Sie erscheinen alle in der rechten Spalte des Periodensystems: Helium, Neon, Argon usw. Elemente, die keine vollständige äußere Hülle haben, können die äußersten Elektronen mit den äußersten Elektronen benachbarter Atome interagieren, um chemische Bindungen zu erzeugen. Die Elektronenschalenkonfigurationen für 29 der ersten 36 Elemente sind in Tabelle 2.2 aufgeführt.