Die Evolution des Atommodells: Von der Antike bis heute

Evolution der Atomtheorie ab dem 5. Jahrhundert v. Chr.

5. Jahrhundert v. Chr.: Leukippos und sein Schüler Demokrit vertraten die Idee, dass Materie aus kleinsten Teilchen besteht, den Atomen, welche als unteilbare Einheiten angesehen wurden. Diese Ideen wurden von einem der größten Denker der damaligen Zeit, Aristoteles, abgelehnt. Erst nach zwei Jahrtausenden wurde die Idee des Atoms als grundlegende Komponente der Materie wieder aufgegriffen.

John Dalton und die moderne Atomtheorie (1808)

1808: John Dalton schlug die Atomtheorie vor, die dem wissenschaftlichen Begriff „Atom“ neue Bedeutung und Geltung verlieh. Nach Dalton hatte das Atom eine kugelförmige Masse. Die Grundannahmen dieser Theorie sind:

• 1. Die Materie besteht aus unteilbaren und unzerstörbaren Teilchen: den Atomen.
• 2. Alle Atome eines Elements sind identisch.
• 3. Atome verschiedener Elemente haben unterschiedliche Massen und unterschiedliche Eigenschaften.
• 4. Atome werden weder neu erzeugt noch vernichtet; in einer chemischen Reaktion tritt nur eine Umverteilung von Atomen auf.
• 5. Atome in einer Verbindung sind durch eine Vereinigung von Atomen verschiedener Elemente gekennzeichnet; sie werden als „zusammengesetzte Atome“ bezeichnet.

Die Akzeptanz und die Auswirkungen dieser Theorie hingen damit zusammen, dass sie experimentelle Tatsachen erklären konnte, welche die Formulierung des Gesetzes von der Erhaltung der Masse erlaubten.

Amedeo Avogadro und die Moleküle (1811)

1811: Avogadro veröffentlichte einen Artikel, der Daltons Atomtheorie vervollständigte. Avogadro nahm an, dass die konstituierenden Teilchen der Stoffe keine einzelnen Atome waren, sondern eine Kombination aus einer ganzen Reihe von ihnen. Diese Cluster von Atomen nannte er Moleküle. Diese Entdeckung führte zur Geburtsstunde der atomar-molekularen Theorie.

Entdeckung des Elektrons durch Thomson (1897)

1897: Thomson entdeckte das Elektron. Sein Atommodell wurde als „Rosinenkuchenmodell“ (Plum Pudding Model) bekannt.

Rutherfords Kernmodell (1900/1911)

1900/1911: Rutherford ging davon aus, dass die Materie nicht gleichmäßig im Inneren der Atome verteilt ist, sondern dass der Großteil der Masse und die gesamte positive Ladung in einem zentralen Bereich konzentriert sind, den er als Kern bezeichnete. Er schlug das erste Modell des Kernatoms vor, in dem er die Existenz eines positiv geladenen Kerns von sehr kleiner Größe postulierte. Außerhalb des Kerns beschrieb er Elektronen, die sich auf Kreisbahnen bewegen. Dieses Modell war jedoch nicht völlig überzeugend, da es im Widerspruch zu den Gesetzen der klassischen Physik stand.

Das Bohrsche Atommodell (1913)

1913: Bohr entwickelte ein Atommodell, mit dem er die Probleme des Rutherford-Modells löste, während er die Idee beibehielt, dass Atomkerne positiv geladen sind. Bohr schlug vor, dass Elektronen zwar Bahnen beschreiben, aber nicht alle Bahnen stabil sind, sondern nur eine bestimmte Anzahl von ihnen. Jedes Elektron kreist in einem bestimmten Abstand vom Kern, basierend auf der jeweils besessenen Energie.

Subatomare Teilchen

Experimente zeigten, dass das Atom nicht der elementarste Bestandteil war, sondern wiederum aus kleineren Teilchen bestand, den subatomaren Teilchen:

• Das Elektron: Es war das erste Teilchen, das als subatomare Komponente identifiziert wurde. Im späten 19. Jahrhundert bestätigte Thomson die Existenz von Teilchen mit negativer elektrischer Ladung, die Elektronen genannt wurden.
• Das Proton: Rutherford bestätigte 1919 die Existenz dieses Teilchens mit positiver Ladung, das als Bestandteil aller Atome gilt und Proton genannt wird.
• Das Neutron: 1932 wies Chadwick die Natur dieser Strahlung nach und beschrieb sie als einen Strahl neutraler Teilchen, also ohne elektrische Ladung, mit der Masse des Protons. Diese wurden Neutronen genannt.

Grundbegriffe: Ordnungszahl, Massenzahl und Isotope

• Die Ordnungszahl: Sie wird mit dem Buchstaben Z dargestellt und links unten am Elementsymbol platziert. Sie gibt die Anzahl der Protonen an.
• Die Massenzahl: Sie wird durch den Buchstaben A dargestellt und oben links am Elementsymbol platziert. Sie gibt die Summe der Protonen und Neutronen an.
• Isotope: Dies sind Atome desselben Elements, die eine unterschiedliche Anzahl von Neutronen haben. Daher haben sie die gleiche Ordnungszahl, aber eine unterschiedliche Massenzahl.
• Ionen: Dies sind Atome, die elektrisch geladen sind und durch den Verlust oder Gewinn von Elektronen entstehen. Verlust von Elektronen führt zu Kationen (+), Gewinn von Elektronen zu Anionen (-).

Unterscheidung zwischen Teilchen und Wellen

• Teilchen: Sie sind in einer bestimmten Region des Weltraums zu finden und können sich von einem Ort zum anderen bewegen. Sie können in Bezug auf Position und Geschwindigkeit beschrieben werden.
• Wellen: Auch sie bewegen sich von einem Ort zum anderen, sind aber nicht an einem bestimmten Punkt lokalisiert.

Das heutige Atommodell und die Unschärferelation

1927: Heisenberg formulierte eines der bekanntesten Gesetze der Quantenmechanik: die Unschärferelation. Nach seinen Vorstellungen können sich Elektronen mit hoher Geschwindigkeit bewegen, ohne Probleme Energie aufzunehmen oder abzugeben, wobei man nicht mehr von festen Bahnen spricht. Man kann nur Bereiche bestimmen, in denen eine hohe Wahrscheinlichkeit besteht, dass sie sich um den Kern bewegen. Da man probabilistisch (wahrscheinlichkeitstheoretisch) spricht, wird die Position eines Elektrons im Hüllenbereich meist mit einem Dot-Plot (Punktwolke) einer Unschärfe dargestellt.