Atommodelle und Quantenmechanik

Thomson-Modell

Das Thomson-Modell besagt, dass die positive Ladung gleichmäßig in der Kugel verteilt ist.

Rutherford-Modell

Das Rutherford-Modell beschreibt den Aufbau eines Atoms wie folgt:

• Es gibt einen Atomkern, der im Vergleich zum Volumen des Atoms sehr klein ist. Er enthält nahezu die gesamte Masse des Atoms und hat eine positive Ladung.
• Die Atomhülle besteht aus Elektronen, die sich um den Kern bewegen, und zwar in einem großen Abstand zu ihm.

Neutron

Da die Masse der Atome stets größer ist als die Summe der Massen von Protonen und Elektronen, muss es ein weiteres Teilchen ohne elektrische Ladung geben: das Neutron. Es hat eine etwas höhere Masse als das Proton. Die Existenz von stabilen Kernen lässt sich dadurch erklären, dass die Protonen abstoßenden Kräften ausgesetzt sind. Die Funktion der Neutronen ist es, durch die Kernkräfte eine Anziehung zu erzeugen, die die elektrostatische Abstoßung überwiegt.

Wellenlänge (λ)

Die Wellenlänge ist der Abstand zwischen zwei Punkten, die sich im gleichen Schwingungszustand befinden. Sie wird in Nanometern gemessen.

Frequenz (ν)

Die Frequenz einer Welle ist die Anzahl der Schwingungen, die die Welle in einer Zeiteinheit ausführt. Sie wird in Hertz (Hz) gemessen.

Periode (T)

Die Periode einer Welle ist die Zeit, die die Welle benötigt, um eine vollständige Schwingung auszuführen.

Plancksche Theorie

Im Jahr 1900 stellte Planck fest, dass ein Körper, der Wärme abstrahlt, dies nicht kontinuierlich tut, sondern in Form von diskreten Energiepaketen, die als Photonen oder Quanten bezeichnet werden.

Photoeffekt

Im Jahr 1905 entdeckte Einstein den Photoeffekt. Wenn Licht einer bestimmten Frequenz auf ein Metall trifft, werden Elektronen aus dem Metall freigesetzt. Das Metall absorbiert Energie aus dem einfallenden Licht, und diese Energie wird verwendet, um Elektronen aus dem Metall zu lösen.

Bohr-Modell

Bohr modifizierte das Rutherford-Modell wie folgt:

1. Ein Elektron bewegt sich auf Kreisbahnen um den Atomkern.
2. Es sind nur bestimmte Bahnen erlaubt. Wenn sich das Elektron auf diesen Bahnen bewegt, strahlt es keine Energie ab. Diese Bahnen werden als stationäre Bahnen bezeichnet.
3. Wenn ein Elektron von einer erlaubten Bahn in eine andere springt, wird eine Energiemenge absorbiert oder emittiert, die der Energiedifferenz zwischen den beiden Bahnen entspricht.

Rutherford nahm an, dass ein Elektron jede beliebige Position einnehmen kann. Wenn sein Modell zuträfe, wäre das Spektrum des Atoms ein Kontinuum. Im Bohr-Modell erscheint nicht jede Frequenz im Spektrum, da nicht alle Bahnen erlaubt sind.

Sommerfeld-Korrektur

Das Bohr-Modell kann das Spektrum des Wasserstoffatoms erklären, aber nicht das von Mehrelektronenatomen. Es gibt Linien im Spektrum, die das Bohr-Modell nicht erklären kann. Sommerfeld nahm an, dass sich die Elektronen nicht nur auf Kreisbahnen, sondern auch auf elliptischen Bahnen um den Kern bewegen. Um eine Ellipse zu beschreiben, sind mehr Parameter erforderlich als für einen Kreis, weshalb neue Quantenbedingungen eingeführt wurden:

• l: Nebenquantenzahl; gibt die Form der Bahn an und ist mit der Hauptquantenzahl n verknüpft. n = 1: l = 0; n = 2: l = 0, 1 (s, p); n = 3: l = 0, 1, 2 (s, p, d); ...
• m_l: Magnetquantenzahl; gibt die räumliche Orientierung der Ellipse an. m_l = -l, ..., 0, ..., +l

Quantenmechanisches Modell

Schrödinger und Heisenberg formulierten eine Wellengleichung für das Elektron, die den dualen Charakter der Materie berücksichtigt. Wenn sich ein Elektron mit hoher Geschwindigkeit bewegt, kann es Welleneigenschaften aufweisen. In dieser Gleichung treten drei Parameter auf, die mit den drei Quantenzahlen übereinstimmen. Anstelle von Bahnen spricht man von Orbitalen, die Bereiche im Raum beschreiben, in denen die Aufenthaltswahrscheinlichkeit des Elektrons hoch ist. Aus physikalischer Sicht ist ein Orbital ein Energiezustand, der durch die Werte der drei Quantenzahlen bestimmt ist. Die s-Orbitale sind kugelförmig, während die p-Orbitale eine andere Form haben. Die Reihenfolge der Orbitale ist: 1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 4s, 3d, 4p, 5s, 4d, 5p, 6s, 4f, 5d, 6p, 7s, ...

s = 2 / p = 6 / d = 10 / f = 14

Periodensystem

Das Periodensystem ist eine Anordnung der bekannten Elemente in Spalten (Gruppen) und Zeilen (Perioden). Alle Elemente einer Gruppe haben die gleiche äußere Elektronenkonfiguration und ähnliche Eigenschaften. Alle Elemente einer Periode haben die gleiche Anzahl von Energieniveaus und damit den gleichen Abstand zum Kern. Der Unterschied zwischen einem Element und dem folgenden in seiner Periode besteht in einem zusätzlichen Elektron in der Hülle und einem zusätzlichen Proton im Kern. Es gibt 18 Gruppen und 7 Perioden. Die repräsentativen Elemente sind diejenigen, deren äußerste Elektronenkonfiguration s oder p entspricht. Sie befinden sich in den Gruppen 1, 2 und 13-18.