Die Natur des Lichts und das Bohrsche Atommodell

Die Natur des Lichts

Natur des Lichtes: Newton sagte, Licht sei ein Strahl von Teilchen und besitze eine korpuskulare Natur, während Huygens die Wellennatur (undulatorisch) demonstrierte. Young schlug vor, dass Licht aufgrund seiner Art leicht gebeugt werden könne.

Definition einer Welle

Definition der Welle: Eine Welle ist die Ausbreitung einer Schwingungsstörung, die Energie überträgt, aber keine Materie. Jede Welle ist durch ihre Amplitude, Frequenz und Wellenlänge gekennzeichnet.

Elektromagnetische Theorie von Maxwell

Die elektromagnetische Theorie von Maxwell betrachtet das Licht als eine Welle immaterieller, elektromagnetischer Natur. Das sichtbare Licht nimmt dabei nur einen kleinen Bereich des elektromagnetischen Spektrums ein, welches durch die Wellenlänge der Strahlung definiert ist.

Das Atommodell von Bohr

Anatomisches Modell von Bohr:

Hintergrund und das Rutherford-Modell

Die Vorgeschichte ist das Rutherford-Modell, welches experimentelle Beweise gegen das Thomson-Modell lieferte. Detaillierte Studien über die Alpha-Strahl-Streuung durch sehr dünne Metallfolien verlangten, dass das Atom eine Kernstruktur besitzt. Das Rutherford-Modell hatte jedoch zwei Nachteile:

1. Jeder elektrisch geladene Körper in beschleunigter Bewegung würde Energie als Wärme abgeben, was wiederum eine spiralförmige Umlaufbahn um den Kern erzeugen und in einem Einsturz enden würde.
2. Zudem lieferte das Rutherford-Modell keine Erklärung für die Atomspektren.

Bohr schlug ein neues Atommodell vor, das eine Kombination aus klassischen und Quanten-Aspekten berücksichtigt.

Die Postulate von Bohr

• 1. Stationäre Zustände: Die Bahnen der Elektronen um den Kern sind nur in einem Satz fest erlaubter Bahnen möglich. Dies sind stationäre Zustände, in denen sie keine Energie absorbieren oder emittieren.
• 2. Drehimpuls: Von den unendlichen Möglichkeiten der klassischen Physik sind nur solche stationären Zustände akzeptabel, deren Wert des Drehimpulses L ein ganzzahliges Vielfaches von h/2π ist.
• 3. Quantensprünge: Elektronen können von einer erlaubten Bahn direkt in eine andere springen, wobei sie Energie absorbieren oder emittieren. Die Frequenz der ausgesandten Strahlung erfüllt dabei die Quantenbedingung von Planck: ΔE = h · f.

Stärken und Schwächen des Bohr-Modells

Stärken:

• Die Stabilität des Atoms wird durch die Existenz stationärer Bahnen gerechtfertigt.
• Einführung des Begriffs der Quantenenergie.
• Erklärung des Auftretens von Atomspektren (insbesondere Wasserstoff) durch die Hypothese der Quantensprünge.
• Bezieht die chemischen Eigenschaften der Elemente auf die elektronische Struktur und liefert eine erste Rechtfertigung für das Periodensystem.

Kontra:

• Die numerischen Ergebnisse für Atome mit mehreren Elektronen stimmten nicht mit den experimentell gemessenen Werten überein.
• Es fehlte an theoretischer Kohärenz in der Entwicklung.

Grundlagen der Quantenmechanik

Welle-Teilchen-Dualismus der Materie

Louis de Broglie dachte, dass, wenn Licht sowohl Welleneigenschaften als auch korpuskulare Eigenschaften zeigen kann, dies auch für andere Teilchen gelten müsse. Er schlussfolgerte, dass sich ein an den Kern gebundenes Elektron wie eine Welle verhält.

Schrödinger-Gleichung und Orbitale

Ein Atomorbital ist eine Region des Raumes, in der eine hohe Wahrscheinlichkeit besteht, das Elektron zu finden. Das Quadrat des Wertes der Wellenfunktion in einer bestimmten Region ist ein Indikator für die Wahrscheinlichkeit, das Teilchen in diesem Bereich anzutreffen.

Heisenbergsche Unschärferelation

Bei der Untersuchung des Verhaltens eines Teilchens ist es unmöglich, gleichzeitig mit Sicherheit den Wert der Position (x) und den Impuls (p = m · v) zu bestimmen.