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Werkstofftechnik 1

Grundbegriffe

Die Metallographie ist eine Wissenschaft, die sich mit der qualitativen und quantitativen Beschreibung des Gefüges metallischer Werkstoffe mit Hilfe optischer Verfahren, wie bsp. Elektronenmikroskopen beschäftigt. Analog zur Metallographie spricht man bei Polymeren von der Plastographie und bei keramischen Werkstoffen von der Keramographie. 

Die Metallographie versucht aus dem mikroskopischen Aufbau eines Metalls auf dessen makroskopische Eigenschaften zu schließen. Im Folgenden werden daher einige grundlegende Begriffe aufgeführt und erklärt.

Atommodell nach Rutherford
Atommodell nach Rutherford

Atome - Eigenschaften und Aufbau

Als Atome bezeichnet man die Bestandteile/Bausteine, aus denen alle Stoffe unabhängig vom Aggregatszustand (gasförmig, flüssig, fest) bestehen. Die Eigenschaften der Atome und deren räumliche Anordnung sind ausschlaggebend für die Materialeigenschaften der aus ihnen „zusammengebauten“ Stoffe, sowie ihr Verhalten in chemischen Reaktionen.
Jedes Atom wird eindeutig einem chemischen Element zugeordnet und bildet dessen kleinste Einheit. Aktuell können 118 Elemente unterschieden werden. Wobei nur knapp 90 Elemente auch natürlich auf der Erde vorkommen.

Merke

Hier klicken zum AusklappenJedes Atom hat eine individuelle Größe, Masse und Reaktivität gegenüber anderen Atomen, die es klar von den anderen Atomen abgrenzt.

Atome bestehen aus einem Kern mit Protonen (positiver Ladung) und Neutronen (keine Ladung), welche man zusammenfassend auch Nukleonen nennt, sowie negativ geladenen Elektronen.

Elektronenhülle/Atomhülle

Die Elektronenhülle oder auch Atomhülle genannt, ist der äußere Teil eines Atoms und besteht aus Elektronen. Es war Ernest Rutherford, der erstmals ein Atom in einen Atomkern und in eine Atomhülle unterteilte. Dem war ein Streuexperiment vorangegangen, welches belegte, dass Atome aus einem kompakten Kern und einer ihn umgebenden Hülle bestehen.

Merke

Hier klicken zum AusklappenUnd kompakt ist der Kern im Vergleich zur Hülle, allemal. So ist die Elektronenhülle um das bis zu 150.000-fache größer als der von ihr umschlossene Atomkern.

Gleichzeitig macht die Elektronenhülle aber nur ein 1/2000 – 1/6000 der Masse des gesamten Atoms aus.

Der strukturelle Aufbau der Elektronenhülle bestimmt aber nicht nur die Ausmaße eines Atoms, sondern auch dessen chemische Eigenschaften.

In der Elektronenhülle befinden sich die negativ geladenen Elektronen, welche aufgrund ihrer unterschiedlichen Energiezustände auch unterschiedliche Abstände zu Kern besitzen.

Besonders der äußere Teil der Atomhülle hat Einfluss auf die chemische Bindung.

Kennzeichnung der Elemente 

Elementsymbol

Jedem Element wird zur Kennzeichnung ein oder zwei Buchstaben zugeordnet. Beispielsweise hat Kohlenstoff den Buchstaben C und Eisen die beiden Buchstaben Fe [Ferrum].

Massenzahl A

Mit der Massenzahl wird die Anzahl der Protonen und Neutronen im Kern eines Atoms beschrieben. Dabei sind die Massen von Protonen und Neutronen beinahe identisch.

Da es sich bei Protonen und Neutronen zusammen um Nukleonen handelt spricht man auch von der Nukleonenzahl/-anzahl.

Methode

Hier klicken zum AusklappenMassenzahl = Kerngröße A = Ordnungszahl (Z) + Neutronenzahl (N)

Protonenzahl Z

Die Protonenzahl Z entspricht im vollständigen Atom der Elektronenzahl und der Ordnungszahl.
Sie gibt die Stellung eines chemischen Elements im PSE an.

Neutronenzahl N

Die Neutronenzahl N wird nicht separat aufgeführt, lässt sich aber aus der Differenz von Massenzahl und Protonenzahl ermitteln.

Methode

Hier klicken zum AusklappenNeutronenzahl: N = A – Z

Merke

Hier klicken zum AusklappenMit Hilfe dieser drei Kennzahlen kann jedes Chemische Element eindeutig zugewiesen werden. 

Beispiel

Hier klicken zum AusklappenBeschreibe folgende Elemente: $ _{26}^{56}Fe, _{29}^{63} Cu $

$ _{26}^{56}Fe \rightarrow $ Hierbei handelt es sich um Eisen mit 26 Protonen und 30 [56-26= 30] Neutronen im Kern und 26 Elektronen in der Hülle.

$ _{29}^{63}Cu \rightarrow $ Hierbei handelt es sich um Kupfer mit 29 Protonen und 34 [63-29 = 34] Neutronen im Kern und 29 Elektronen in der Hülle. 

Reinelemente

Diese Elemente bestehen aus nur einer Atomart, die alle dieselbe Anzahl Protonen und Neutronen im Kern besitzen. Zu den Reinelementen zählen Elemente wie Gold, Arsen, sowie 20 weitere. 

Isotope

Elemente, die bei gleicher Protonenzahl in ihrer Neutronenzahl variieren. 

Grundeinheiten

Protonenmasse $ m_p $ = Neutronenmasse $ m_n $ = atomare Masse $ m_u $ = $ 1,66 \cdot 10^{-24} g $

Elektronenmasse $ m_e $ = $ 0,911 \cdot 10^{-27} g $ 

Stoffmenge eines Mols $ n = 6,023 \cdot 10^{23} = N_A = Avogadrosche Zahl $