Die Entwicklung der Atommodelle: Von Dalton bis Bohr

Struktur des Atoms

Dalton formulierte seine berühmte Atomtheorie und postulierte, dass Materie aus Atomen besteht. Das Konzept der Atome als unteilbare Teilchen der Materie hielt sich erfolgreich für fast ein Jahrhundert. Becquerel entdeckte die natürliche Radioaktivität, die drei Arten von Teilchen umfasst: Alpha-Strahlen (positiv geladen), Beta-Strahlen (negativ geladen) und Gamma-Strahlen (ohne Ladung). Die Entdeckung der subatomaren Teilchen begann, als Entladungsrohre als Forschungswerkzeug zur Untersuchung der Materie eingesetzt wurden.

Elektron und das Thomson-Atommodell

Die Untersuchung der Leitfähigkeit von Gasen bei niedrigem Druck im Entladungsrohr ergab eine Lumineszenz an der Rohrwand gegenüber der Kathode. Die Ursache war ein Strahl negativ geladener Teilchen, die von der Kathode auszugehen schienen – die sogenannten Kathodenstrahlen.

• Sie bewegen sich in gerader Linie von der Kathode weg (Schattenwurf).
• Sie besitzen kinetische Energie (können kleine Räder antreiben).
• Sie verhalten sich wie ein elektrischer Strom, da sie in einem elektrischen Feld zu einer positiven Platte abgelenkt werden.

Es wurde gezeigt, dass Kathodenstrahlen unabhängig vom verwendeten Gas identisch sind, mit einem Ladungs-Masse-Verhältnis von q/m = -1,76 · 10¹¹ C/kg.

Das Proton und das Rutherford-Modell

Goldstein beobachtete eine Strahlung aus positiv geladenen Teilchen, die durch Kanäle in der Kathode traten (Kanalstrahlen). Diese bestehen aus ionisierten Gasatomen, denen Elektronen entzogen wurden.

Rutherford nutzte Alpha-Teilchen, um die interne Struktur des Atoms zu bestimmen:

• Die meisten Teilchen passierten die Folie ohne Ablenkung.
• Einige Teilchen wurden abgelenkt.
• Wenige Teilchen wurden zurückgeworfen.

Dies führte zum Kernmodell: Das Atom besteht aus einem positiv geladenen Kern (Protonen und fast die gesamte Masse) und einer Hülle, in der Elektronen kreisen.

Isotope und das Neutron

Isotope sind Atome desselben Elements mit gleichen chemischen Eigenschaften, aber unterschiedlichen Massen. Das Neutron wurde später identifiziert, um die Diskrepanz zwischen Ordnungszahl und Atommasse zu erklären (Masse ca. 1,674954 · 10^-27 kg).

Wichtige Kenngrößen

• Ordnungszahl (Z): Anzahl der Protonen im Kern.
• Massenzahl (A): Summe aus Protonen und Neutronen.
• Isotopenmasse: Masse eines spezifischen Atoms.
• Atommasse: Durchschnitt der Isotopenmassen eines Elements.

Quantentheorie und Spektren

Die Quantentheorie (Planck) besagt, dass Energie in Paketen, sogenannten Quanten, emittiert oder absorbiert wird (E = h · ν). Dies erklärt den Photoeffekt und die diskreten Emissionsspektren von Gasen.

Bohrs Atommodell

1913 postulierte Bohr:

• Elektronen bewegen sich auf stationären, quantisierten Bahnen.
• Ein Energieübergang erfolgt nur durch Absorption oder Emission eines Photons (ΔE = h · ν).
• Der Drehimpuls ist ein ganzzahliges Vielfaches von h/2π.