Grundlagen der Atomphysik und Atommodelle

Kathodenstrahlröhren: Elektronen

Das Studium elektrischer Entladungen durch Gase war der Ursprung der Entdeckung des Elektrons. Gase bei Normaldruck leiten keinen elektrischen Strom und sind nahezu perfekte Isolatoren. Um bei Luft einen elektrischen Funken zwischen zwei getrennten Sphären von 1 cm Abstand zu erzeugen, ist ein enormes Potenzial von 30.000 V erforderlich. Wenn der Abstand erhöht wird, steigt die benötigte Potenzialdifferenz (DDP) für den Funkenüberschlag.

Gase werden hingegen zu besseren Leitern, wenn der Druck sinkt und sie einer hohen Potenzialdifferenz von 5.000 bis 10.000 V ausgesetzt sind. Bei einem Druck von etwa 5 mm Hg in der Röhre beobachtet man eine Leuchterscheinung, die den gesamten Raum zwischen Kathode und Anode füllt. Sinkt der Gasdruck weiter, verschwindet die Leuchterscheinung im Inneren der Röhre, und die Wand gegenüber der Kathode emittiert grünes Licht – das Glas wird fluoreszierend. Dadurch entsteht ein grüner Lichtstrahl, die sogenannte Kathodenstrahlung. Diese breitet sich in geraden Linien aus, ist negativ geladen und besitzt kinetische Energie.

Kathodenstrahlröhren: Protonen

Im Jahre 1886 beobachtete Goldstein bei der Verwendung von Röhren mit perforierter Kathode, dass Strahlung von der Anode durch die Perforationen der Kathode gegen die gegenüberliegende Wand stieß. Diese Strahlung nannte man positive Strahlen oder Kanalstrahlen.

Diese Strahlen werden durch elektrische Felder zum negativen Pol und durch Magnetfelder abgelenkt. Dies zeigt, dass diese Teilchen eine positive Ladung tragen und eine größere Masse als Elektronen besitzen. Im Jahr 1911 berechnete Thomson das Verhältnis q/m für positive Strahlen und stellte fest, dass dieses vom Gas in der Röhre abhängt. Bei Wasserstoffgas bestehen die Kanalstrahlen aus Wasserstoffatomen, die ein Elektron verloren haben – diese positiven Teilchen werden Protonen genannt. Die Ladung des Protons entspricht der des Elektrons mit umgekehrtem Vorzeichen, aber seine Masse ist 1841-mal höher. Die Entdeckung dieser Bausteine führte Thomson zu den ersten Atommodellen.

Thomsons Atommodell

Thomson hatte gezeigt, dass Elektronen Bestandteile des Atoms sind. Da das Atom nach außen elektrisch neutral ist, schloss er, dass es positiv geladene Teilchen enthalten müsse. Da die Masse der Elektronen im Vergleich zur Atommasse sehr klein ist, musste der Großteil der Masse positiv geladen sein.

Thomson entwickelte ein Atommodell, bei dem das Atom eine Kugel aus positiver Ladung mit einem Durchmesser von ca. 10^-10 m ist, in der die Elektronen eingebettet sind, um elektrische Neutralität zu gewährleisten.

Rutherfords Atommodell

Um das Modell experimentell zu überprüfen, beschoss Rutherford eine dünne Goldfolie mit Alpha-Teilchen aus einer radioaktiven Quelle. Hinter der Folie befand sich ein Schirm mit Zinksulfid, der bei jedem Aufprall eines Alpha-Teilchens fluoreszierte.

Die Ergebnisse waren unerwartet: Die meisten Alpha-Teilchen passierten die Folie ohne Ablenkung, einige wurden jedoch abgelenkt und wenige sogar zurückgeworfen. Rutherford schloss daraus, dass die positive Ladung und die Masse des Atoms in einem winzigen Bereich konzentriert sein müssen: dem Atomkern.

• Die Abmessungen des Kerns sind im Vergleich zum Atom vernachlässigbar.
• Der Raum zwischen Kern und Elektronen ist leer.
• Die Elektronen befinden sich in der sogenannten Atomhülle.

Klassifikation der Spektren

a) Emissionsspektren

Diese entstehen durch die Lichtemission bestimmter Stoffe:

• Kontinuierliche Spektren: Alle Wellenlängen sind vorhanden (z. B. glühende Festkörper oder Flüssigkeiten).
• Intermittierende (Linienspektren): Serie von hellen Streifen auf dunklem Hintergrund, beobachtet bei Gasen in einer Flamme. Jede Linie entspricht einer spezifischen Wellenlänge und Frequenz.

b) Absorptionsspektren

Jeder Stoff absorbiert genau die Strahlung, die er auch emittieren kann. Wenn weißes Licht durch ein Gas (z. B. Wasserstoff) geleitet wird, absorbiert das Gas bestimmte Wellenlängen. Im Spektrum erscheinen an diesen Stellen dunkle Streifen, die exakt den Positionen der hellen Linien im Emissionsspektrum entsprechen.

Interpretation der Atomspektren

Die atomare Strahlung entsteht, wenn Atome durch thermische oder elektrische Energie angeregt werden. Die Tatsache, dass Atome nur bestimmte Frequenzen absorbieren oder emittieren, ist mit der klassischen Physik nicht erklärbar. Nach dem Rutherford-Modell müssten Elektronen auf einer Kreisbahn Energie verlieren, in den Kern stürzen und das Atom instabil machen.

Bohrsches Atommodell

Im Jahr 1913 schlug Bohr basierend auf der Quantentheorie von Planck eine neue Theorie zur Stabilität des Wasserstoffatoms vor. Er postulierte, dass Elektronen sich nur auf bestimmten stabilen Bahnen bewegen können, ohne Energie abzustrahlen, was die beobachteten Spektralserien des Wasserstoffs erklärte.