Atomstruktur und Quantenmechanik: Eine Einführung

Grundlagen der Atomstruktur

Was ist ein Atom?

Ein Atom ist die kleinste Einheit eines chemischen Elements, die dessen charakteristische Eigenschaften und Identität beibehält. Es ist nicht möglich, Atome durch chemische Prozesse zu verändern oder zu zerlegen.

Elektronen und Energieniveaus

Elektronen befinden sich in bestimmten Energieniveaus, die auch als Schichten oder Schalen bezeichnet werden. Jedes dieser Niveaus besitzt eine unterschiedliche Energielücke.

Elektronen-Unterschalen und Besetzungsreihenfolge

Innerhalb der Energieniveaus gibt es Unterschalen, die eine maximale Anzahl von Elektronen aufnehmen können:

• Die 's'-Unterschale fasst bis zu 2 Elektronen.
• Die 'p'-Unterschale fasst bis zu 6 Elektronen.
• Die 'd'-Unterschale fasst bis zu 10 Elektronen.
• Die 'f'-Unterschale fasst bis zu 14 Elektronen.

Die Reihenfolge der Besetzung dieser Unterschalen (nach dem Aufbauprinzip) ist:

1s / 2s 2p / 3s 3p 4s / 3d 4p 5s / 4d 5p 6s / 4f 5d 6p 7s / 5f 6d 7p / 6f 7d / 7f

Evolution des Atommodells

Das Bohr-Modell und seine Grenzen

Das Bohr-Modell des Atoms funktionierte gut zur Beschreibung des Wasserstoffatoms. Bei der Beobachtung der Spektren anderer Atome stellte man jedoch fest, dass Elektronen innerhalb einer einzelnen Energieebene unterschiedliche Energieniveaus aufwiesen. Dies deutete darauf hin, dass das Modell unvollständig war. Die Schlussfolgerung war, dass es innerhalb derselben Energieebene weitere Unterstufen geben musste.

Sommerfelds Erweiterung (1916)

Im Jahr 1916 nahm Arnold Sommerfeld wichtige Änderungen am Bohrschen Atommodell vor. Er schlug vor, dass Elektronen nicht nur in kreisförmigen, sondern auch in elliptischen Bahnen kreisen könnten. Hierfür wurde eine neue Quantenzahl eingeführt: die azimutale Quantenzahl (dargestellt durch den Buchstaben 'l'). Diese Zahl bestimmt die Form der Orbitale und nimmt Werte von 0 bis n-1 an, wobei 'n' die Hauptquantenzahl ist.

De Broglies Wellen-Teilchen-Dualismus (1923)

Im Jahr 1923 schlug Louis de Broglie vor, dass Elektronen sowohl Wellen- als auch Teilcheneigenschaften besitzen. Dieser bahnbrechende Vorschlag bildete die Grundlage der modernen Quantenmechanik.

Heisenbergsche Unschärferelation

Als direkte Konsequenz des dualen Verhaltens von Elektronen (Welle und Teilchen) formulierte Werner Heisenberg das Prinzip, das als Heisenbergsche Unschärferelation bekannt ist. Es besagt:

"Es ist unmöglich, gleichzeitig und genau die Position und die Geschwindigkeit eines Elektrons zu bestimmen."

Warum ist das so?

Um die Position eines Elektrons zu beobachten, müsste man es mit Licht bestrahlen. Wenn dieses Licht viel Energie besitzt, würde es die Geschwindigkeit des Elektrons erheblich verändern. Würde man hingegen Licht mit geringerer Energie verwenden, würde die Geschwindigkeit des Elektrons nicht stark beeinflusst und könnte gemessen werden, aber seine genaue Position könnte nicht beobachtet werden.

Das Atomorbital: Eine neue Perspektive

Um dieses grundlegende Problem zu lösen, wurde ein neues Konzept eingeführt: das Atomorbital.

Ein Orbital ist der Raumbereich um den Atomkern, in dem die Wahrscheinlichkeit, ein Elektron zu finden, am größten ist.