Atommodelle, Elektronen und Spektren – Thomson & Rutherford

Thomson-Modell und Entdeckung des Elektrons

Thomson-Modell war die Erklärung der Entdeckung des Elektrons als Teilchen mit sehr geringer Masse und negativer Ladung. Thomson nahm an, dass alle Atome Elektronen enthalten. Da das Atom neutral ist, muss der Rest der Materie positiv geladen sein. Als Protonen entdeckt wurden, haben sie die gleiche Ladungsgröße wie das Elektron, jedoch mit positiver Vorzeichen, und ihre Masse entspricht ungefähr der des Wasserstoffkerns.

Rutherfords Kernmodell

Nuklear- oder Rutherfords Modell: Experimentell stellte Rutherford fest, dass sich fast die gesamte Masse eines Atoms in einem zentralen Bereich konzentriert, den er Kern nannte. Dieser Kern enthält die positiven Ladungen (Protonen), und die Elektronen umkreisen den Kern außerhalb in annähernd kreisförmigen Bahnen. Später wurde das Neutron entdeckt (Chadwick): ein Teilchen ohne elektrische Ladung und mit einer Masse ähnlich der des Protons; es befindet sich im Kern. Das war das erste Modell, das klar zwischen Kern und elektronischer Hülle unterschied.

Ordnungszahl und Isotope

Ist das Atom neutral, ist die Anzahl der Protonen gleich der Anzahl der Elektronen. Die Ordnungszahl wird mit dem Buchstaben Z bezeichnet. Alle Atome desselben Elements haben dieselbe Ordnungszahl Z; daher bestimmt der Wert von Z das Element. Zwei Atome desselben Elements können eine unterschiedliche Massenzahl haben; in diesem Fall spricht man von Isotopen.

Elektronenbahnen und -strukturen

Elektronenstrukturen beschreiben, wie Elektronen den Kern in annähernd kreisförmigen Bahnen umkreisen. Die Schalen können mehrere Elektronen aufnehmen und haben jeweils einen charakteristischen Radius. Die Kräfte, die die Elektronen im Atom halten, beruhen auf der Anziehung zwischen den negativ geladenen Elektronen und den positiv geladenen Protonen.

Coulomb-Kraft

Experimentell wurde von Coulomb ermittelt, dass die Kraft zwischen zwei Ladungen proportional zum Produkt der Ladungswerte und umgekehrt proportional zum Quadrat des Abstands zwischen ihnen ist. Die Kraft wirkt entlang der Verbindungslinie der Ladungen, ist anziehend bei entgegengesetztem Vorzeichen und abstoßend bei gleichem Vorzeichen.

Energie der Elektronen und Strahlung

Je größer der Radius einer Umlaufbahn, desto höher ist die Energie, die ein Elektron in diesem Orbit besitzt. Beim Übergang eines Elektrons von einer höheren in eine niedrigere Bahn geht Energie verloren; diese Energie wird als Strahlung in Form von Licht emittiert. Die Strahlung kann auf einem Schirm oder Film aufgezeichnet werden.

Spektrallinien und charakteristische Verteilung

Durch Auswertung dieser Aufzeichnungen stellte man fest, dass, wenn die Strahlung von einzelnen Atomen eines Elements im gasförmigen Zustand stammt, der Film nur einige wenige Linien zeigt. Die Verteilung dieser Linien ist für jedes Element charakteristisch.

Spektrum der Strahlung

Spektrum der Strahlung: Für jede Art von emittierter Strahlung lässt sich ein Spektrum bestimmen; die charakteristischen Linien dienen zur Identifikation der Elemente.