Die Entwicklung der Atommodelle: Von Thomson bis Bohr

Das Thomsonsche Atommodell (Plumpudding-Modell)

Das Plumpudding-Modell, auch als „Rosinenkuchen-Modell“ bekannt, ist eine Theorie über die atomare Struktur, die 1904 von Joseph John Thomson, dem Entdecker des Elektrons, vor der Entdeckung von Protonen und Neutronen vorgeschlagen wurde. In diesem Modell besteht das Atom aus negativ geladenen Elektronen in einer positiven Ladungsmasse, ähnlich wie Rosinen in einem Pudding. Man ging davon aus, dass Elektronen gleichmäßig im Atom verteilt waren.

Thomson erhielt 1906 den Nobelpreis für Physik für diese Entdeckung. Da das Atom eine bestimmte Menge an innerer Energie enthält, führt dies zu einem Grad der Schwingung der Elektronen innerhalb der atomaren Struktur. Aus dieser Sicht kann das Thomsonsche Atommodell als dynamisches Modell aufgrund der Mobilität der Elektronen interpretiert werden. Betrachtet man das Modell jedoch aus einer makroskopischen Sicht, kann man eine statische Struktur angeben, da die Elektronen in der Masse der positiven Ladung eingebettet und gefangen sind.

Das Rutherfordsche Atommodell

Das Modell wurde nach dem Rutherford-Experiment, bei dem der Atomkern entdeckt wurde, überholt. Das Rutherfordsche Atommodell ist eine Theorie über die interne Struktur des Atoms, die der britische Chemiker und Physiker Ernest Rutherford 1911 nach den Ergebnissen seines „Goldfolien-Experiments“ vorschlug.

Zuvor nahmen Physiker an, dass elektrische Ladungen in einem Atom mehr oder weniger einheitlich verteilt waren. Rutherford untersuchte die Streuung von Alpha-Teilchen an einer dünnen Goldfolie. Die Ablenkungswinkel der Teilchen sollten Aufschluss über die Ladungsverteilung im Atom geben. Man erwartete, dass die meisten Teilchen die Folie mit nur sehr geringer Ablenkung durchlaufen würden.

Obwohl dies für die Mehrheit der Alpha-Teilchen zutraf, erlitt eine beträchtliche Anzahl von ihnen Ausschläge von bis zu 180°, sie prallten also praktisch in die entgegengesetzte Richtung zurück. Rutherford schätzte, dass dieser Anteil der Teilchen nur erklärt werden konnte, wenn man von einer hohen Konzentration positiver Ladungen im Atom ausging.

Das Bohr-Modell (Bohr-Rutherford-Modell)

Das Rutherfordsche Modell wurde bald durch das Bohr-Modell ersetzt. Es handelt sich um ein quantisiertes Modell des Atoms, das Niels Bohr 1913 vorschlug, um zu erklären, wie Elektronen stabile Umlaufbahnen um den Kern einnehmen können. Dieses planetenartige Modell ist ein funktionales Modell, das das Atom nicht als physisches Objekt darstellt, sondern dessen Verhalten durch Gleichungen erklärt.

Bohr basierte seine Arbeit auf dem Wasserstoffatom. Er versuchte, ein atomares Modell zu entwickeln, das die Stabilität der Materie sowie die Emissions- und Absorptionsspektren von Gasen erklären konnte. Er beschrieb das Wasserstoffatom mit einem Proton im Kern und einem Elektron auf einer Umlaufbahn. Das Modell basierte konzeptionell auf dem Rutherford-Modell und den neuen Ideen der Quantisierung, die durch Max Planck und Albert Einstein eingeführt wurden.

Aufgrund seiner Einfachheit wird das Bohr-Modell häufig als Vereinfachung der Materiestruktur verwendet. Bohr nahm an, dass der Drehimpuls jedes Elektrons quantisiert ist und nur ganzzahlige Vielfache der reduzierten Planck-Konstante annehmen kann. Über die Hauptquantenzahl wird der Abstand berechnet, in dem sich ein Elektron auf einer der erlaubten Bahnen im Wasserstoffatom befindet.