How big is Wasserstoffatom?

Ein Wasserstoffatom ist das einfachste Atom: ein einzelnes Elektron, gehalten von einem einzelnen Proton. Es ist etwa 0,11 Nanometer breit, also 110 Pikometer, gemessen als das Doppelte des Bohrschen Radius. Ein Nanometer ist ein Milliardstel eines Meters, ein Pikometer ein Tausendstel eines Nanometers.

Größe

Ein Atom hat keinen festen Rand. Sein Elektron folgt keiner festgelegten Bahn wie ein Planet. Die Quantenphysik beschreibt es stattdessen als Wahrscheinlichkeitswolke: Am wahrscheinlichsten befindet sich das Elektron in einer bestimmten Entfernung vom Kern, mit zunehmender Entfernung wird es unwahrscheinlicher. Chemiker legen die Größe eines Atoms deshalb auf verschiedene Weisen fest, und jede ergibt eine andere Zahl.

Die hier angegebene Zahl ist das Doppelte des Bohrschen Radius. Der Bohrsche Radius, 52,9 Pikometer, ist die Entfernung vom Proton, in der sich das Elektron am wahrscheinlichsten befindet. Das Doppelte davon sind 106 Pikometer, aufgerundet 110. Der Name geht auf Niels Bohr zurück, der das Elektron in seinem Atommodell von 1913 auf einer Kreisbahn mit genau diesem Radius ansiedelte.

Andere Definitionen ergeben andere Größen. Verbinden sich zwei Wasserstoffatome zu einem Molekül, liegen ihre Mittelpunkte 74 Pikometer auseinander. Ein weiteres Maß, der Van-der-Waals-Radius, beruht darauf, wie nah sich zwei getrennte Atome kommen können, bevor sie sich gegenseitig abstoßen. Nach diesem Maß ist ein Wasserstoffatom etwa 220–240 Pikometer breit.

Größenvergleiche

• Das Proton im Zentrum eines Wasserstoffatoms ist etwa 1,7 Femtometer breit; das Atom selbst ist damit etwa 60.000-mal so breit. Ein Femtometer ist ein Millionstel eines Nanometers.
• Wäre ein Wasserstoffatom auf die Länge eines amerikanischen Footballfelds vergrößert, 110 Meter einschließlich der Endzonen, wäre sein Proton weniger als 2 Millimeter breit.
• Etwa 750.000–950.000 Wasserstoffatome, nebeneinandergelegt, würden die Breite eines Menschenhaares ergeben.
• Ein Wasserstoffatom ist 1,06 Ångström breit, etwas mehr als eins. Das Ångström, 100 Pikometer, ist eine Einheit für die Größe von Atomen und die Länge chemischer Bindungen.
• Kein gewöhnliches Lichtmikroskop kann ein Wasserstoffatom zeigen. Das feinste Detail, das ein solches Mikroskop erkennen kann, ist etwa 0,2 Mikrometer groß, fast 2.000-mal so breit wie das Atom. Ein Mikrometer ist ein Millionstel eines Meters.

Das häufigste Element

Wasserstoff ist das häufigste Element im Universum. Die Sonne besteht der Masse nach zu etwa 75 % aus Wasserstoff. Bei den hohen Temperaturen der Sonne verschmelzen Wasserstoffkerne zu Helium und setzen dabei gewaltige Mengen an Energie frei. Auf der Erde kommt der meiste Wasserstoff in Wasser vor.

Schwerere Formen von Wasserstoff

Atome desselben Elements mit unterschiedlicher Neutronenzahl heißen Isotope. Bei mehr als 99,97 % der Wasserstoffatome auf der Erde besteht der Kern aus einem einzelnen Proton ohne Neutronen. 1931 entdeckten Harold Urey und seine Kollegen an der Columbia University eine seltenere Form: Deuterium, mit etwa der doppelten Masse.

Eine dritte Form, Tritium, besitzt neben seinem Proton zwei Neutronen. Es ist radioaktiv, und von jeder Probe zerfällt alle 12,3 Jahre die Hälfte. Tritium entsteht auf natürliche Weise hoch in der Atmosphäre, wenn kosmische Strahlung auf Stickstoffmoleküle in der Luft trifft.

Quellen

• Bohr Radius. NIST, CODATA 2022.
• Theoretical Calculation of Absolute Radii of Atoms and Ions. Part 1. The Atomic Radii. Ghosh and Biswas, International Journal of Molecular Sciences, 2002.
• The Bohr Model. In Chemistry 2e. OpenStax, 2019.
• The Hydrogen Atom. In University Physics Volume 3. OpenStax, 2016.
• Hydrogen: Radii of Atoms and Ions. WebElements, University of Sheffield.
• Hydrogen. Royal Society of Chemistry, Periodic Table.
• Helium. Royal Society of Chemistry, Periodic Table.
• Atomic Weight of Hydrogen. Commission on Isotopic Abundances and Atomic Weights.
• Radionuclide Basics: Tritium. U.S. Environmental Protection Agency.
• The International System of Units (SI). 9th edition, version 4.01. BIPM, 2026.
• Proton RMS Charge Radius. NIST, CODATA 2022.
• 2026 NFL Rulebook. National Football League, 2026.
• Just How Small Is "Nano"?. National Nanotechnology Initiative.
• The Nobel Prize in Chemistry 2014: Press Release. Royal Swedish Academy of Sciences, 2014.