Subatomare Teilchen und die Entwicklung der Atommodelle

Subatomare Teilchen

Atome bestehen aus winzigen Bausteinen, den sogenannten subatomaren Teilchen.

Das Elektron

• Entdeckung: 1897 durch Thomson beim Studium von Kathodenstrahlen, die in einem evakuierten Glasrohr bei einer Spannung von etwa 10.000 Volt erzeugt wurden.
• Eigenschaften: Negativ geladenes Teilchen.
• Ladung: Größenordnung von 10^-19 Coulomb.
• Masse: Größenordnung von 10^-31 kg.

Das Proton

• Entdeckung: 1919 durch Rutherford.
• Eigenschaften: Positiv geladenes Teilchen.
• Ladung: Gleicher Betrag wie die Elementarladung des Elektrons.
• Masse: Etwa 1840-mal größer als die Masse des Elektrons.

Das Neutron

• Entdeckung: 1932 durch Chadwick. Er arbeitete mit der Strahlung, die emittiert wurde, als Beryllium mit Alpha-Teilchen (aus radioaktiven Emissionen) bombardiert wurde.
• Eigenschaften: Neutrales Teilchen (keine Ladung).
• Masse: Etwa gleich der Masse des Protons.

Historische Atommodelle

Mit der Entdeckung der subatomaren Teilchen wurde es notwendig zu wissen, wie diese innerhalb des Atoms angeordnet sind.

Thomsonsches Atommodell

Thomson schlug ein Modell vor, in dem das Atom als eine kompakte Kugel positiver Ladung betrachtet wurde, in die Elektronen eingebettet waren.

Rutherfordsches Atommodell

Im Jahr 1911 entdeckte Rutherford durch den Beschuss einer dünnen Goldschicht mit Alpha-Teilchen, dass die meisten Teilchen ohne Ablenkung hindurchflogen. Er schloss daraus, dass das Atom größtenteils leer war und einen positiven zentralen Kern besaß, um den die Elektronen in kreisförmigen Bahnen kreisten.

Das aktuelle Atommodell und seine Entwicklung

Bohrsches Schalenmodell

Niels Bohr untersuchte 1913 das von erhitzten Atomen emittierte Licht und schlug daraufhin die Verteilung der Elektronen in Schalen vor:

• Die Elektronen befinden sich nur auf zulässigen Energieniveaus (Schalen), die er als K, L, M, ... bezeichnete.
• Je weiter eine Schale vom Kern entfernt ist, desto mehr Energie besitzt sie.
• Elektronen können von einer Ebene in eine andere wechseln, indem sie die Energiedifferenz absorbieren oder emittieren.

Dieses Modell war sehr nützlich für das Wasserstoffatom, konnte jedoch bestimmte Merkmale des von anderen Atomen ausgestrahlten Lichts nicht erklären.

Erweiterung durch Sommerfeld

Arnold Sommerfeld postulierte, dass die Bahnen nicht immer kreisförmig sein müssen, sondern auch elliptisch sein können. Innerhalb derselben Ebene könnten die Bahnen verschiedene Formen und Neigungen aufweisen.

Die Elektronen sind in bestimmten Regionen lokalisiert, die als Orbitale bezeichnet werden (genannt s, p, d und f).

Aufbau des neutralen Atoms

Neutrale Atome besitzen die gleiche Anzahl von Elektronen und Protonen sowie eine bestimmte Anzahl von Neutronen.

• Kern: Enthält die positiv geladenen Protonen und die neutralen Neutronen.
• Atomhülle: Enthält die Elektronen, die in Energieebenen angeordnet sind und innerhalb dieser Ebenen in verschiedenen Orbitalen.
• Elektronen können durch die Absorption oder Emission von Energie von einer Ebene in eine andere springen.