MINT lernen

Aufbau eines Atoms

Zwei Aufgaben im Stil der schriftlichen Abiturprüfung — Atombau, Elementarladung und Leitungsvorgänge mit Operatoren und vollständigem Erwartungshorizont.

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Kupferkabel — wo die Ladung sitzt

AFB I

Ein Kupferkabel besteht aus einem Metallkern und einem Kunststoffmantel. Material M1 zeigt einen vereinfachten Längsschnitt: Die Atomrümpfe sitzen fest im Kristallgitter, die abgelösten Außenelektronen bewegen sich ungeordnet durch das gesamte Metallstück. Im Mantel bleibt dagegen jedes Elektron fest an sein Atom gebunden.

M1Kupferkabel im Längsschnitt
+ Kunststoffmantel Kupfer Atomrumpf — positiv, ortsfest im Gitter freies Elektron — negativ, frei beweglich Im Mantel ist jedes Elektron fest an sein Atom gebunden.

Im Metall bewegen sich die abgelösten Elektronen frei zwischen den ortsfesten Atomrümpfen; der Kunststoffmantel enthält keine beweglichen Ladungsträger.

  1. Nennen Sie die drei Bausteine eines Atoms und geben Sie zu jedem Baustein Ladung und Ort im Atom an.
  2. Ein zunächst neutrales Kupferstück gibt beim Aufladen \(n = 5{,}0 \cdot 10^{13}\) Elektronen ab. Berechnen Sie die Ladung \(Q\) des Kupferstücks und geben Sie ihr Vorzeichen an. (Elementarladung: \(e = 1{,}602 \cdot 10^{-19}\ \mathrm{C}\))
  3. Erklären Sie, warum das Kupferstück in M1 trotz der frei beweglichen Elektronen nach außen neutral wirkt.
Hinweis zu Aufgabe a)
Ordne nach Kern und Hülle: Was sitzt fest, was ist beweglich?Der Operator „nennen“ verlangt nur die Aufzählung — eine ausführliche Erklärung ist hier nicht gefordert, dafür aber Vollständigkeit.
Hinweis zu Aufgabe b)
Jedes Elektron trägt genau eine Elementarladung, es gilt also \(Q = n \cdot e\). Achte auf das Vorzeichen: Das Kupferstück gibt Elektronen ab.
Hinweis zu Aufgabe c)
Zähle nicht die beweglichen Elektronen, sondern vergleiche zwei Summen: die positive Ladung aller Atomrümpfe und die negative Ladung aller Elektronen.„Neutral“ heißt nicht „ohne Ladung“, sondern „gleich viel positive wie negative Ladung“.