Warum können Atome nur Elektronen aufnehmen oder abgeben und keine Protonen?

Die Energie, die erforderlich ist, um ein Elektron aus einem Atom zu entfernen, wird als Ionisierungsenergie bezeichnet . Typische Ionisierungsenergien sind fünf oder zehn Elektronenvolt. Ein sichtbares Lichtphoton trägt irgendwo darunter eine Energie$\rm3\,eV$und kann die meisten freien Atome nicht ionisieren. Es gibt genug ultraviolettes Licht im Sonnenlicht, dass Atome auf der Erde tagsüber bevorzugt ionisiert werden können, was eine Menge interessanter Chemie antreibt. Allerdings typische Temperaturen auf der Erde$(T=\rm300\,K$,$k_BT = \frac{1}{40}\rm eV)$sind niedrig genug, dass Atome normalerweise nicht spontan ionisieren. Die relative Stabilität von Atomen gegen Ionisierung ermöglicht die Existenz stabiler Moleküle.

Die Energie, die benötigt wird, um ein Proton aus einem Kern zu entfernen, wird als Protonentrennungsenergie bezeichnet . Typische Protonentrennungsenergien sind fünf oder zehn Millionen Elektronenvolt. In einer Umgebung, in der eine Protonentrennung stattfindet, würde so viel Energie herumwirbeln, dass alle Kerne vollständig ionisiert wären, ohne jegliche gebundene Elektronen. Wenn Sie als biologische Person aus Molekülen wie DNA und Proteinen eine solche Umgebung besuchen würden, wären Sie nach Ihrem Besuch nicht mehr aus Molekülen und hätten daher Ihre Frage vergessen.

Es ist nicht so, dass Protonen nicht übertragen werden können. Es ist nur so, dass wir, wenn wir an einem Ort leben würden, an dem Protonentransfer üblich wäre, eine ganz andere Perspektive auf die Chemie hätten.

Sie sind sich vielleicht tatsächlich einiger Konsequenzen einer Nukleonentransferreaktion bewusst. Energetische Strahlung aus dem Weltraum kann bei der Wechselwirkung mit der Erde Spallationen verursachen , entweder mit der Atmosphäre oder mit den schwereren Kernen unter der Erdoberfläche. Einige der Spallationsprodukte sind freie Neutronen, die thermalisieren und sich wie eine (sehr schwache) Komponente der Erdatmosphäre verhalten. Die häufigste Spezies in der Atmosphäre ist Stickstoff-14, der mit thermischen Neutronen durch wechselwirkt

Das Kohlenstoff-14 zerfällt zu Stickstoff mit einer Halbwertszeit von etwa 5000 Jahren. Wenn Sie also ein Objekt aus Kohlenstoff finden, können Sie das Verhältnis von Kohlenstoff-14 zu Kohlenstoff-12 messen und erfahren, ob dieser Kohlenstoff kürzlich aus der Atmosphäre destilliert wurde. Kohlenstoff verlässt die Atmosphäre hauptsächlich, um in lebenden Pflanzen (und in Fressern von kürzlich lebenden Pflanzen) konzentriert zu werden, während nicht organischer Kohlenstoff kein neues Kohlenstoff-14 ansammelt: Ein kohlenstoffhaltiges Objekt mit Kohlenstoff-14 darin war wahrscheinlich geologisch lebendig jüngsten Vergangenheit, und herauszufinden, wie neu ist einfach.

Wenn ein Atom ein Proton bekommen würde, würde es ein anderes Atom werden. Wenn zum Beispiel ein Wasserstoffatom ein Proton erhält, wird es zu einem Heliumatom (vergessen Sie für eine Sekunde, dass Helium, das Sie in der Natur finden, auch 2 Neutronen hat).

In Anbetracht dessen ist es durchaus möglich, einen Prozess zu haben, der die Anzahl der Protonen ändert, aber als Ergebnis erhalten wir ein anderes Atom (ein Teilchen mit einem anderen Namen).

Es ist auch wichtig zu beachten, dass es viel einfacher ist, Elektronen auszutauschen als Protonen. Dies liegt daran, dass wir ein Elektron durch Überwindung der Coulomb-Kraft extrahieren, während das Proton durch eine Kernkraft gebunden ist (daher werden die Prozesse, bei denen dies auftritt, als Kernprozesse bezeichnet).

Einige künstlich hergestellte Isotope können Protonen emittieren .

Ja, Atome (und Moleküle) können Protonen gewinnen oder verlieren. Es heißt "Chemie der Säuren".

Sie mischen eine Säure und Wasser. Ein Proton wird ausgetauscht und Sie haben jetzt ein negatives Ion (die Säure minus ein Proton) und ein positives Ion (ein Wassermolekül mit einem zusätzlichen Proton).

Haben Sie sich jemals gefragt, warum die starke Kraft "stark" genannt wird? Es ist viel stärker als die EM-Kraft (und alle anderen in dieser Größenordnung), und in Ihrem Beispiel ist es normalerweise viel einfacher, die EM-Kraft zu überwinden als die starke.

OK, die Quarks, aus denen die Protonen bestehen, besitzen eine EM-Ladung, und der Einschluss ist sehr kompliziert, und die EM-Kraft trägt zum gesamten Proton als gebundenem Quantenobjekt bei, aber was wir wirklich sagen können, ist, dass das Proton (seine Bestandteile) gebunden sind durch die starke Kraft. Genauso wie die Protonen und Neutronen durch die verbleibende starke (Kern-)Kraft gebunden sind. In diesem Fall trägt die EM-Kraft (die Ladung der Protonen) dazu bei, dass das Gesamtbild des Kerns ein gebundenes QM-Objekt ist, aber die Kernkraft ist das, was überwältigend dominiert.

Einfach gesagt, es ist viel einfacher, ein Elektron in Ihrem Beispiel von einem Atom abzureißen (und die EM-Kraft zu überwinden), sie ein Proton zu entfernen (und die starke Kraft zu überwinden).

Davon abgesehen ist es nicht unmöglich, wie Sie aus anderen Antworten (von @rob und @redgiant) sehen können, in Ihrem Beispiel ein Proton zu entfernen oder einem Atom hinzuzufügen, es ist nur so, dass wir zufällig in einem Universum leben wobei QM die zugrunde liegende Theorie ist und energetisch günstigere QM-Prozesse eher auftreten.

Sie können und tun die ganze Zeit. Die entweder benötigte oder freigesetzte Energie ist beträchtlich, so dass die Anforderungen in weitaus weniger Fällen erfüllt werden. Die Sonne nutzt dazu Quantentunneln, da Schwerkraft und Wärme allein nicht ausreichen.

Die Elektronen werden durch die elektromagnetische Kraft an den Kern gebunden, während ein Proton durch die starke Kernkraft an den Kern gebunden wird (zumindest in einem Atom mit mehreren Nukleonen; ein Kern könnte aus nur einem einzigen Proton bestehen, in dem es n gibt nicht wirklich ein Unterschied zwischen dem Proton, das das Elektron verliert, und dem Elektron, das das Proton verliert). Die starke Kernkraft ist, wie der Name schon sagt, stärker als die elektromagnetische Kraft. Außerdem ist die Reichweite viel kleiner; Protonen befinden sich direkt im Kern, während Elektronen weit entfernt sind. Es braucht also viel mehr Energie, um ein Proton aus einem Atom zu entfernen. Wenn ein Molekül enthält$^1$H, dann kann es "ein Proton verlieren", indem es das Wasserstoffatom ausstößt, aber das Elektron behält, was viel weniger Energie benötigt als ein Kern, der ein Proton verliert.

Ein weiterer regelmäßiger Weg, auf dem ein Atom "ein Proton verlieren" kann, ist, wenn ein inneres Elektron vom protonenreichen Kern eines natürlich vorkommenden radioaktiven Isotops eingefangen wird, wie z. B. Kalium-40, das sich in Argon-40 umwandelt.

p + e → n + v

(Die frühere Antwort von @akhmeteli bezog sich nur auf künstliche Isotope.)

Dies liefert auch eine teilweise Antwort auf die Frage Warum stürzen Elektronen nicht in die Kerne, die sie "umkreisen"? wobei auch Elektroneneinfang erwähnt wird.

Sie können Protonen abgeben und einfangen, aber diese Reaktionen treten unter normalen Bedingungen wahrscheinlich nicht auf. Beispielsweise passiert Alpha-Zerfall (oder {Multi-}Protonenemission) nur in radioaktiven, instabilen Atomen (zB bei Materiekollisionen von Teilchenbeschleunigern, auch in Kernreaktoren). Während der Protoneneinfang zum Beispiel ein schneller Protoneneinfangprozess nur unter Hochdruck- und/oder Temperaturbedingungen stattfindet, da die Protoneninjektion in den Kern eine große Coulomb-Barriere überwinden muss. Diese Bedingung ist – wenig überraschend – nur in Sternen und ähnlichen Umgebungen erfüllt.

Elektronen sind in Bewegung und umkreisen den Kern, in dem sich die Proutonen befinden. Daher ist es vergleichsweise einfach, dem Atom Elektronen hinzuzufügen oder zu entfernen, wodurch es ionisiert wird.