Die Entwicklung der Atommodelle und subatomare Teilchen

Experimente zur Teilbarkeit des Atoms

Im späten 19. und frühen 20. Jahrhundert wurden Beweise für die Teilbarkeit des Atoms durch zwei Arten von Experimenten gefunden:

• Elektrische Entladungen durch Gase bei niedrigem Druck.
• Beschuss von Gasen und radioaktiven Stoffen mit Teilchen auf dünne Metallbleche oder andere Stoffe.

Entdeckung der subatomaren Teilchen

• 1897: Joseph John Thomson entdeckt das Elektron.
• 1911: Ernest Rutherford benennt den Wasserstoff-Kern als Proton.
• 1932: James Chadwick entdeckt das Neutron.

Das Plumpudding-Modell

Das Atom wird als ein Bereich positiver elektrischer Ladung verstanden, in den negativ geladene Elektronen in einer ausreichenden Anzahl eingebettet sind, um die positive Ladung zu neutralisieren.

Der Atomkern und seine Kennzahlen

• Ordnungszahl: Die Anzahl der Protonen.
• Massenzahl: Die Anzahl der Protonen plus die Anzahl der Neutronen.
• Isotope: Atome mit der gleichen Ordnungszahl, aber unterschiedlicher Massenzahl.
• Isobaren: Atome mit der gleichen Massenzahl, aber unterschiedlicher Ordnungszahl.
• Atommasse: Der gewichtete Durchschnitt der Massen der Isotope eines Elements.

Das Rutherford-Modell

• Das Atom besitzt einen positiven Kern, in dem fast die gesamte Masse konzentriert ist.
• Die negativen Elektronen kreisen um den Kern in konzentrischen Kreisbahnen.
• Es gibt einen großen, leeren Raum im Atom; der Kern ist rund 10.000-mal kleiner als das gesamte Atomvolumen.
• Das Atom ist elektrisch neutral.

Plancks Quantentheorie

Die Energie, die ein Atom gewinnt oder verliert, muss ein exaktes Vielfaches der Quantenenergie sein. Es gilt die Formel: E = h × n

• h = 6,626 · 10⁻³⁴ J s
• n = Frequenz der Strahlung

Das Bohr-Modell

• Das Atom hat einen positiven Kern, in dem fast die gesamte Masse konzentriert ist.
• Die negativen Elektronen kreisen strahlungsfrei in konzentrischen Bahnen, wobei nicht jeder beliebige Radius möglich ist. Nur bestimmte Bahnen sind erlaubt.
• Das Atom absorbiert oder emittiert Energie in Form von elektromagnetischer Strahlung, wenn ein Elektron von einer Bahn auf eine andere wechselt.

Vektor-Modell des Atoms

Vier Größen bestimmen die Energie des Elektrons: der mittlere Radius der Umlaufbahn, die Exzentrizität, die Neigung und der Spin des Elektrons. Diese werden durch vier Quantenzahlen beschrieben:

• Hauptquantenzahl (n): n = 1, 2, 3, ...
• Nebenquantenzahl (l): l = 0, 1, 2, ..., n - 1
• Magnetquantenzahl (m): m = -l, ..., 0, ..., +l
• Spinquantenzahl (s): s = 1/2, -1/2

Energieebenen und Unterstufen

• Ebene oder Schicht: Diese wird durch n definiert.
• Sub-Level oder Unterschicht: Diese wird durch n und l definiert.
• Orbital: Dieses wird durch n, l und m definiert.

Hundsche Regel der maximalen Multiplizität

In einer Unterebene besetzen Elektronen die Orbitale so, dass die Anzahl der ungepaarten Elektronen mit gleichem Spin maximal wird; sie vermeiden es also, Paare im selben Orbital zu bilden, solange noch leere Orbitale verfügbar sind.

Madelung-Regel

Ein Orbital hat eine geringere Energie, wenn die Summe von n + l niedriger ist. Falls n + l gleich sind, hat das Orbital mit dem niedrigeren n die geringere Energie.

Das Aufbauprinzip

Die Elektronen werden nacheinander in die Orbitale in der Reihenfolge zunehmender Energien eingeordnet.