Vier Teilchen im Vergleich
AFB I–IIIn der Tabelle sind vier Teilchen mit ihrer Anzahl an Protonen, Neutronen und Elektronen aufgeführt. Die Gesamtladung lässt sich mit \(Q = (N_\mathrm{p} - N_\mathrm{e}) \cdot e\) berechnen; dabei ist \(e\) die positive Elementarladung. Geben Sie die Ergebnisse als Vielfache von \(e\) an.
| Teilchen | Protonen | Neutronen | Elektronen |
|---|---|---|---|
| A | 3 | 4 | 3 |
| B | 3 | 4 | 2 |
| C | 8 | 8 | 10 |
| D | 8 | 9 | 8 |
- Geben Sie an, welche Ladung ein Proton, ein Neutron und ein Elektron jeweils trägt.
- Berechnen Sie für alle vier Teilchen die Gesamtladung \(Q\) und geben Sie an, welche Teilchen zum selben Element gehören.
Hinweise
Hinweis zu Aufgabe a)
Hinweis zu Aufgabe b)
Erwartungshorizont
Erwartungshorizont zu Aufgabe a)
Proton: positiv geladen, \(+e\). Elektron: negativ geladen, \(-e\). Neutron: ungeladen, \(0\).
Erwartungshorizont zu Aufgabe b)
A: \(Q = (3-3)\cdot e = 0\) – ungeladenes Atom.
B: \(Q = (3-2)\cdot e = +1\,e\) – Elektronenmangel, positiv geladen.
C: \(Q = (8-10)\cdot e = -2\,e\) – Elektronenüberschuss, negativ geladen.
D: \(Q = (8-8)\cdot e = 0\) – ungeladenes Atom.
Zum selben Element gehören A und B (je 3 Protonen) sowie C und D (je 8 Protonen). Die unterschiedliche Neutronenzahl von C und D ändert weder Element noch Ladung.
„Dann gibt man ihm eben Protonen“
AFB II–IIIEin Kunststoffstab wird an einem Wolltuch gerieben und ist danach negativ geladen. Tom erklärt seiner Sitznachbarin: „Klar – beim Reiben nimmt der Stab Elektronen auf. Und wenn ich ihn positiv aufladen will, gebe ich ihm eben Protonen dazu.“
Zur Erinnerung: Die Protonen sitzen fest im Atomkern, die äußeren Elektronen sind dagegen vergleichsweise leicht ablösbar.
- Begründen Sie, warum sich die Ladung eines Körpers im Alltag ausschließlich durch Elektronen ändert.
- Erklären Sie, warum ein Körper nach außen ungeladen wirkt, obwohl er aus geladenen Bausteinen besteht.
- Beurteilen Sie Toms Erklärung.
Hinweise
Hinweis zu Aufgabe a)
Hinweis zu Aufgabe b)
Hinweis zu Aufgabe c)
Erwartungshorizont
Erwartungshorizont zu Aufgabe a)
Protonen sind im Atomkern durch sehr starke Kräfte gebunden; sie lassen sich mit Reiben, Berühren oder Erden nicht aus dem Kern lösen. Die äußeren Elektronen dagegen sind nur schwach gebunden und können von einem Körper auf einen anderen übergehen.
Deshalb gilt: Aufladen bedeutet immer Verschieben von Elektronen, nie ein Verändern der Protonenzahl. Ein Körper mit Elektronenüberschuss ist negativ, einer mit Elektronenmangel positiv geladen.
Erwartungshorizont zu Aufgabe b)
In einem neutralen Atom ist die Protonenzahl gleich der Elektronenzahl. Zu jeder positiven Ladung \(+e\) gehört also genau eine negative Ladung \(-e\); in der Summe ergibt sich \(Q = 0\).
Die Ladungen sind nicht verschwunden – sie heben sich in ihrer Wirkung nach außen gerade auf. Erst ein Überschuss oder Mangel an Elektronen macht die Ladung von außen bemerkbar.
Erwartungshorizont zu Aufgabe c)
Toms Erklärung ist zur Hälfte richtig.
Richtig ist der erste Teil: Der Stab wird negativ, weil er beim Reiben Elektronen vom Wolltuch aufnimmt.
Falsch ist der zweite Teil. Protonen lassen sich nicht hinzufügen – sie sitzen fest im Kern. Positiv wird ein Körper dadurch, dass er Elektronen abgibt. Es entsteht ein Elektronenmangel, und die unverändert vorhandenen Protonen überwiegen.
Als Merksatz: Nicht die positive Ladung wandert, sondern die negative.