Die Entwicklung der Atommodelle: Von Dalton bis heute

Daltons Atomtheorie

Im 19. Jahrhundert griff der englische Chemiker John Dalton die Ideen von Leukipp und Demokrit auf und formulierte die Atomtheorie, in der er Folgendes feststellte:

• Die chemischen Elemente bestehen aus winzigen, unteilbaren Teilchen, die Atome genannt werden.
• Die Atome desselben Elements haben die gleiche Masse und die gleichen Eigenschaften.
• Atome verschiedener Elemente unterscheiden sich in ihrer Masse und anderen Eigenschaften.
• Atome verschiedener Elemente verbinden sich, um Verbindungen zu bilden.

Entdeckung des Elektrons

Michael Faraday versuchte, elektrische Entladungen in Vakuumgefäßen zu erzeugen. Er beobachtete eine schwache Lumineszenz, konnte jedoch nicht mehr erreichen, da das Vakuum im Gefäß nicht hoch genug war.

Im Jahr 1857 erfand Heinrich Geißler eine effizientere Vakuumpumpe. In einer damit verbundenen Röhre mit zwei Elektroden und einem elektrischen Generator konnte eine Lumineszenz zwischen den Elektroden beobachtet werden.

Im Jahr 1897 stellte Joseph John Thomson mithilfe einer Gasentladungsröhre, in der das Vakuum verbessert worden war, fest, dass bei hoher Spannung eine schwache Fluoreszenz am Boden der Röhre erschien. Dies geschah durch den Aufprall von Strahlen, die von der negativen Elektrode ausgingen und Kathodenstrahlen genannt wurden.

Das Elektron

Die Elektronen sind die konstituierenden Teilchen der Kathodenstrahlen; sie besitzen eine Masse und eine negative Ladung.

Das Proton

Das Proton ist ein Teilchen, dessen Ladung der des Elektrons entspricht, aber positiv ist, mit einer Masse, die fast zweitausendmal größer ist.

Thomsons Atommodell

Thomson war der Erste, der im Jahr 1904 annahm, dass das Atom eine interne Struktur besitzt. Er entwickelte ein Modell basierend auf seinen Erfahrungen mit Gasentladungsröhren.

Er stellte sich das Atom als eine kleine, einheitliche Sphäre aus positiv geladener Materie vor, in die Elektronen eingebettet waren, sodass das gesamte Gebilde elektrisch neutral war. Darüber hinaus besäßen die Elektronen eine winzige Masse, während die positive Ladung für fast die gesamte Masse des Atoms verantwortlich wäre.

Das Konzept der Ionen

Ein Atom ist neutral, wenn es die gleiche Menge an positiver und negativer Ladung besitzt. Wenn es ein Elektron verliert, entsteht eine positive Ladung; wenn es eines aufnimmt, überwiegt die negative Ladung.

Es gibt zwei Arten:

• Kation (positives Ion): Entsteht, wenn ein Atom oder eine Gruppe von Atomen ein Elektron verliert.
• Anion (negatives Ion): Entsteht, wenn ein Atom oder eine Gruppe von Atomen ein Elektron gewinnt.

Rutherfords Atommodell

Im Jahr 1911 entwarf Ernest Rutherford ein Atommodell auf der Grundlage von Experimenten, die in seinem Labor durchgeführt wurden. Dabei beschoss er eine sehr dünne Goldfolie mit Alpha-Teilchen, die aus radioaktivem Material stammten. Diese Teilchen mit großer Masse und positiver Ladung wurden als Projektile verwendet.

Die atomare Struktur nach Rutherford

• Ein kleiner innerer Bereich mit viel Masse und positiver Ladung, den er Kern nannte und in dem sich die Protonen befinden.
• Eine äußere Hülle, in der sich die Elektronen befinden.
• Die Hülle ist weit vom Kern entfernt, sodass dazwischen ein großer Hohlraum besteht.
• Elektronen umkreisen den Kern mit hoher Geschwindigkeit.

Ordnungszahl und Massenzahl

Ordnungszahl (Z)

Die Anzahl der Protonen in einem Atom ist charakteristisch für jedes Element. Sie wird durch das Symbol Z dargestellt.

Massenzahl (A)

Es ist die Summe der Anzahl der Protonen und Neutronen, die ein Atom besitzt. Sie wird durch das Symbol A dargestellt.

Isotope

Isotope sind Atome desselben Elements mit der gleichen Anzahl an Protonen (Z), aber einer unterschiedlichen Anzahl an Neutronen und somit einer unterschiedlichen Massenzahl (A).

• In der Medizin werden sie zur Behandlung von Tumoren eingesetzt.
• In der archäologischen Forschung dienen sie zur Altersbestimmung.
• In der Landwirtschaft werden sie zur Konservierung von Lebensmitteln genutzt.
• In der Industrie werden sie zur Qualitätskontrolle verwendet.

Beispiele für Wasserstoff-Isotope:

• Protium: Z=1, A=1
• Deuterium: Z=1, A=2
• Tritium: Z=1, A=3

Was ist ein Modell?

Ein Modell ist eine Annäherung an die Wirklichkeit. Es ist eine grafische oder mentale Darstellung. Je vollkommener das Modell ist, desto besser repräsentiert es die Realität.

Bohrs Atommodell

Bohr schuf 1913 ein neues Modell für das Atom, um Linienspektren zu erklären und die Probleme des Rutherford-Modells zu lösen. Er erkannte, dass die Energieabgabe chemischer Elemente nicht kontinuierlich, sondern in Stufen erfolgt.

Das quantisierte Modell

Zur Untersuchung des Atoms erkannte Bohr, dass es verschiedene Energieniveaus gibt. Elektronen absorbieren Energie, um von einer Ebene zur anderen zu springen, während sie sich ansonsten auf stabilen, kreisförmigen Bahnen bewegen.

Das Orbitalmodell (Ladungswolkenmodell)

Dies ist das aktuelle Modell:

Elektronen bewegen sich um den Kern, jedoch ohne vorgegebene Bahnen. Man kann die Position eines Elektrons zu einem bestimmten Zeitpunkt nicht exakt bestimmen, sondern nur den Bereich angeben, in dem es sich wahrscheinlich aufhält. Tatsächlich gibt es eine diffuse Wolke negativer Ladung um den Kern.

Das einfachste Atommodell ist das des Wasserstoffatoms. Wir nennen den Raum, in dem die Wahrscheinlichkeit, das Elektron zu finden, bei 99 % liegt, ein Orbital.

Befindet sich das Elektron des Wasserstoffatoms in seinem niedrigsten Energiezustand (Grundzustand), besteht eine 90%ige Wahrscheinlichkeit, dass es sich innerhalb eines gewissen Radius um den Kern befindet (s-Orbital). In einem Orbital können höchstens zwei Elektronen existieren. Atome haben verschiedene Energieniveaus. Jedes Level hat einen Satz von Orbitalen und Unterstufen. Die Energie steigt nach außen hin an.

Die Verteilung der Elektronen auf die verschiedenen Schichten nennt man Elektronenkonfiguration. Es gibt vier Typen von Orbitalen: s, p, d und f. Jede Ebene kann nur eine bestimmte maximale Anzahl an Elektronen aufnehmen.

Eigenschaften der Atome

• Alle Atome eines Elements haben die gleiche Anzahl an Protonen.
• Atome verschiedener Elemente haben unterschiedliche Protonenzahlen.

Gewichteter Durchschnitt

Hierbei wird das Verhältnis der Stoffe berücksichtigt, wie sie in der Natur zu 100 % vorkommen (Isotopenhäufigkeit).