Die Struktur des Atoms: Bausteine und Modelle

Entdeckung subatomarer Teilchen

Im Jahre 1808 formulierte der englische Chemiker J. Dalton (1766-1844) seine berühmte Atomtheorie. Sie brach mit den traditionellen Vorstellungen und postulierte, dass Materie aus Atomen besteht. Das Konzept der Atome als unteilbare Teilchen der Materie hatte fast ein Jahrhundert Bestand.

Die zufällige Entdeckung der natürlichen Radioaktivität im Jahre 1896 durch den französischen Physiker Henri A. Becquerel (1852-1908) führte zur Kenntnis dreier Strahlungsarten: Alpha-Strahlen (positiv geladen), Beta-Strahlen (negativ geladene Teilchen) und einer dritten, ungeladenen und durchdringenden Art, den Gamma-Strahlen. Dies offenbarte, dass Atome doch nicht die unteilbaren Teilchen waren, für die man sie gehalten hatte.

Das Elektron und das Plum-Pudding-Modell

Die Untersuchung der Leitfähigkeit von Gasen bei niedrigem Druck in einer Entladungsröhre offenbarte ein Leuchten an der Rohrwand gegenüber der Kathode. Die Ursache dieser Lumineszenz war ein Strom negativ geladener Teilchen, die anscheinend von der Kathode ausgingen. Diese Teilchen wurden als Kathodenstrahlen bezeichnet. Es wurde festgestellt, dass Kathodenstrahlen, die mit verschiedenen Gasen erzeugt wurden, identisch waren und dass die Teilchen in allen Fällen ein identisches Verhältnis von Ladung zu Masse aufwiesen.

Im Jahr 1911 bestimmte der US-amerikanische Physiker R. A. Millikan (1868-1953) die Ladung der Teilchen, aus denen die Kathodenstrahlen bestehen, durch seinen berühmten Öltröpfchenversuch. Öl wurde in kleine Tröpfchen zerstäubt, von denen einige durch ein Loch in der oberen Platte in den Versuchsraum gelangten. Wenn diese mit Röntgenstrahlen bestrahlt wurden, nahmen sie negative Ladung auf. Durch Variation der Spannung zwischen den Platten konnte das Fallen der Tropfen gestoppt werden, wenn die elektrischen Kräfte, die Gravitationskraft und die Reibungskraft (Viskosität) im Gleichgewicht waren. Wenn man also die Masse des Tropfens und die Spannung zwischen den Platten kannte, konnte man die Ladung des Tropfens ableiten. Man konnte schlussfolgern, dass Elektrizität, wie die Materie, ebenfalls quantisiert ist, also nicht kontinuierlich betrachtet werden kann, sondern aus Elementarteilchen besteht, die als Elektronen bezeichnet werden.

Das Proton und das Rutherford-Modell

Goldsteins Kanalstrahlen

Im Jahre 1886 untersuchte der deutsche Physiker E. Goldstein (1850-1931) das Phänomen in der Entladungsröhre genauer. Indem er eine perforierte Kathode verwendete, beobachtete er eine Strahlung aus positiv geladenen Teilchen, die anscheinend aus den Kanälen in der Kathode kamen. Diese neue Strahlung wurde Kanalstrahlen genannt.

Die Eigenschaften dieser Strahlung sind wie folgt: Sie besteht aus positiv geladenen Teilchen. Das Verhältnis zwischen Ladung und Masse ist unterschiedlich, je nachdem, welches Gas im Rohr verwendet wird. Wie später festgestellt wurde, war die Ladung dieser Teilchen betragsmäßig gleich der des Elektrons, jedoch mit entgegengesetztem Vorzeichen. Da unterschiedliche q/m-Verhältnisse beobachtet wurden, deutete dies auf die Existenz eines weiteren positiv geladenen subatomaren Teilchens hin: des Protons.

Rutherfords Streuversuch

1919 entdeckten der neuseeländische Physiker E. Rutherford (1871-1937) und der englische Physiker J. Chadwick (1891-1974) erstmals das Proton durch den Beschuss bestimmter Atomkerne mit Alpha-Teilchen. Die Masse des Protons ist etwa 1840-mal größer als die Masse des Elektrons.

Im Jahr 1911 verwendete Rutherford Alpha-Teilchen, um die innere Struktur der Materie zu untersuchen. Er studierte das Verhalten dieser Teilchen, wenn sie dünne Metallfolien durchdrangen. Dabei wurde Folgendes beobachtet:

• Die meisten Teilchen durchdrangen die Folie ungehindert.
• Einige Teilchen (ca. 0,1 %) wurden von ihrer ursprünglichen Bahn abgelenkt.
• Sehr wenige Teilchen (eines von 20.000) wurden von der Folie zurückgeworfen.

Das von J. J. Thomson vorgeschlagene Atommodell (Plum-Pudding-Modell) ging davon aus, dass Atome aus einer gleichmäßigen Verteilung von positiver Ladung und Masse bestehen, in die die Elektronen eingebettet sind. Die Folie hätte demnach eine homogene innere Struktur haben müssen, und Alpha-Teilchen sollten beim Durchgang ein einheitliches Verhalten zeigen. Die beobachteten, sehr unterschiedlichen Ergebnisse widersprachen dem.

Das Kern-Hülle-Modell

Die überraschenden Ergebnisse veranlassten Rutherford zur Entwicklung eines innovativen, neuen Atommodells, das als Kern-Hülle-Modell (oder Kernmodell) bekannt ist. In diesem Modell besteht das Atom aus einem Kern und einer Hülle.

• Im Kern befindet sich die positive Ladung (die Protonen) und fast die gesamte Masse des Atoms.
• Die Hülle wird von den Elektronen gebildet, die den Kern umkreisen, ähnlich einem Miniatur-Sonnensystem.

Dieses neue Modell erklärte die beobachteten Ergebnisse:

• Materie ist größtenteils leerer Raum, da der Radius des Kerns etwa 100.000-mal kleiner ist als der Radius des Atoms. Die meisten Teilchen durchdringen die Hülle und werden auf ihrem Weg nicht beeinflusst.
• Teilchen, die nahe am Kern vorbeifliegen, werden durch die positive Ladung des Kerns abgestoßen und stark abgelenkt.
• Nur sehr wenige Teilchen treffen direkt auf den Kern. Diejenigen, die dies tun, erfahren eine quasi-elastische Kollision und prallen aufgrund des großen Massenunterschieds zwischen Alpha-Teilchen und den Kernen der Metallatome zurück.

Weitere Atombausteine und Eigenschaften

Isotope

Die Atome eines Elements sind nicht völlig identisch. Es kann Atome mit gleicher Protonenzahl (gleiche chemische Eigenschaften), aber unterschiedlicher Masse geben. Diese Atome werden als Isotope bezeichnet.

Das Neutron

Im Jahr 1914 untersuchte H. Moseley (1887-1915) die Röntgenstrahlen, die Elemente beim Beschuss mit hochenergetischen Elektronen aussenden. Die erzielten Ergebnisse ermöglichten es, die Anzahl der Protonen im Kern der Atome jedes Elements zu bestimmen, eine Größe, die er Ordnungszahl nannte.

Im Jahr 1930 fanden Bothe und Becker eine neue, sehr durchdringende Strahlung, als sie eine Probe Beryllium der Einwirkung von Alpha-Teilchen aussetzten. Im Jahre 1932 identifizierte J. Chadwick diese Strahlung als Teilchen ohne Ladung, die er Neutronen nannte, mit einer Masse, die der des Protons sehr ähnlich ist. Diese neuen Teilchen befinden sich zusammen mit den Protonen im Atomkern und tragen zu dessen Masse bei.

Atomparameter: Ordnungszahl und Massenzahl

Somit wird jedes Atom durch zwei Zahlen charakterisiert: seine Ordnungszahl und seine Massenzahl.

• Die Ordnungszahl (Z) gibt die Anzahl der Protonen im Kern an und bestimmt das Element, um das es sich handelt.
• Die Massenzahl (A) ist die Gesamtzahl der Nukleonen, also Neutronen und Protonen, aus denen sich der Kern zusammensetzt, und bestimmt das Isotop des Elements.

Die Notation für ein Isotop enthält die Massenzahl (A), die Ordnungszahl (Z) und das Elementsymbol (X) wie folgt: ^A_ZX.

Man darf die Atommasse eines Elements nicht mit der Masse eines bestimmten Isotops dieses Elements verwechseln. Wenn wir die Masse eines bestimmten Atoms eines Elements in atomaren Masseneinheiten angeben, erhalten wir die Masse des entsprechend gewählten Isotops (Isotopenmasse).

Die Atommasse eines Elements stellt den gewichteten Durchschnitt der Massen seiner natürlich vorkommenden Isotope dar.

Ursprünge der Quantentheorie

In der Mitte des neunzehnten Jahrhunderts entwickelte der schottische Physiker und Mathematiker James C. Maxwell die Theorie, die alles erklärte, was man damals über Licht wusste: die klassische Theorie des Elektromagnetismus.

Jedoch erzwangen zu Beginn des zwanzigsten Jahrhunderts eine Reihe von experimentellen Ergebnissen die Entwicklung neuer Theorien über das Licht. Diese wurden zunächst auf die Energie des Lichts angewandt (Quantenhypothese von Planck, photoelektrischer Effekt von Einstein). Anschließend wurden sie zur Entwicklung neuer Atomtheorien verwendet (z. B. Bohrsches Atommodell).

Nach der von Maxwell entwickelten Theorie ist Licht eine elektromagnetische Welle mit bestimmten Eigenschaften (wie Wellenlänge, Frequenz, Ausbreitungsgeschwindigkeit).