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Atommodell


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Ein Atommodell ist ein Modell das auf der Grundlage beobachtbarer Eigenschaften Materie und experimentell ermittelter Daten den Aufbau Atome beschreibt.

Die Modelle der Atomphysik konnten im der Zeit immer mehr Beobachtungen erklären wurden auch komplizierter. Heute ist man in der Atome mit Hilfe der Quantenmechanik zu beschreiben.

Inhaltsverzeichnis

Geschichte

Der Atombegriff der Antike

Die ersten Atomvorstellungen stammen von den Vorsokratikern Leukipp und Demokrit . Sie postulierten unteilbare kleinste Teilchen als der Materie. Sie konnten sich jedoch gegen Vorstellung einer kontinuierlichen Materie nicht durchsetzen. Demokrit Abdera (ca. 460-370 v. Chr.): Nur in der Meinung besteht das Süße das Bittere ... das Warme das Kalte Farbe. In Wahrheit gibt es nur Atome den leeren Raum .

Atommodelle der Neuzeit

  • Voraussetzungen:
    • Daniel Sennert (1618): Gesetz der Erhaltung der Elemente. Bei einer chemischen Reaktion gehen Elemente weder noch werden Elemente neu geschaffen.
    • Antoine Laurent de Lavoisier (1785): Gesetz der Erhaltung der Massen. Die Summe der Massen der Edukte ist gleich der Summe der Masse der Produkte.
    • Jeremias Benjamin Richter (1791/92): Gesetz der äquivalenten

Erste experimentelle Hinweise auf Atome gibt erst Ende des 18. Jahrhunderts als John Dalton sein Gesetz der multiplen Proportionen findet. Aufgrund seiner sagt er das Gesetz der konstanten Proportionen welches von Joseph Louis Proust 1826 formuliert

Das Massemodell von John Dalton (1804)

Die Atome der verschiedenen Elemente unterscheiden sich Masse und Größe. Die Atome eines Elements untereinander gleich. Über die Struktur der Atome ist nichts bekannt.
Die einfachste Annahme ist dass Atome Kugeln homogener Masseverteilung seien. Mit diesem Atombegriff arbeitet kinetische Gastheorie und werden die chemischen Gasgesetze sowie Molkonzept erklärbar. Nicht erklärbar ist die Bindung Atome im Molekül ihre Wertigkeit und die Stöchiometrie chemischer Reaktionen.

  • weitere Entdeckungen:
    • Versuche zur Elektrolyse von Michael Faraday
    • Hermann von Helmholtz (1881) formuliert seine Atomtheorie der Elektrizität (Elektrizität ist in elementare geteilt die sich wie Atome verhalten.)
    • Stoney führt für die Elementarladung den Begriff Elektron ein.
    • Joseph John Thomson (Lord Kelvin ) entdeckte 1897 dass die Kathodenstrahlung aus Teilchen besteht die aus den Atomen kommen. musste die Idee vom unteilbaren Atom aufgegeben Man kann offenbar Teilchen die man Elektronen aus dem Atom herauslösen. Er erweitert das von Dalton zum Masse-Ladung-Modell: Atome sind kugelförmige Gebilde mit homogener Masseverteilung homogener Verteilung elektrisch positiver Ladung. In diese Masse sind die Elektronen ohne festes Ordnungsprinzip
    • John Stark erweitert dieses Modell dadurch dass einige Elektronen auf der Oberfläche der Kugel Sie werden Valenzelektronen genannt. Ihre Anzahl ist gleich der Sie sind für die chemische Bindung verantwortlich. übrigen inneren Elektronen dagegen nehmen an der Bindung nicht teil.
    • Eine Weiterentwicklung dieses Atommodells durch Thomson geht noch immer von einer homogenen Verteilung der Ladung aus die inneren Elektronen werden aber verschiedenen Schalen angeordnet. Damit lässt sich der des Periodensystems (1868/69 entwickelt von Dmitri Iwanowitsch Mendelejew und Lothar Julius Meyer) erklären.
    • Ebenfalls durch Experimente mit Kathodenstrahlung motiviert entwickelte Philipp Lenard 1903 das Dynamidenmodell das sich jedoch nicht durchsetzen konnte.

Das Kern-Hülle-Modell von Ernest Rutherford (1911) ( siehe auch: Rutherfordsches Atommodell )

  
Atome bestehen aus einem Atomkern in dem die gesamte Masse des Atoms konzentriert ist der von einer nahezu masselosen Atomhülle umgeben Der Radius des Atomkerns ist etwa um Faktor 10.000 kleiner als der Radius der Atomhülle. Wenn man also vom Radius eines spricht dann ist immer der Außen-Radius der (im anderen Falle spricht man vom Kernradius) Der Atomradius schwankt zwischen 0 3·10 -10 m und 2 62·10 -10 m.

Der Atomkern wird aus Protonen und Neutronen gebildet. Er enthält fast die gesamte des Atoms (>99.9%) und ist positiv geladen. Anzahl der Protonen bestimmt die Zugehörigkeit zu einem bestimmten Element . Sein Radius beträgt ungefähr 10 -14 m

Bei Atomen mit der gleichen Anzahl Protonen unterschiedlich vielen Neutronen im Kern spricht man Isotopen des jeweiligen Elements.

Die Atomhülle wird von den Elektronen gebildet. Sie kompensiert durch ihre negative die Ladung des poitiven Atomkerns so dass Atom nach außen neutral ist. Enthält die mehr oder weniger Elektronen als der Kern so spricht man von einem Ion .

Mit diesem Modell ist die chemische Bindung elektrostatische Anziehung zwischen den Atomen oder Ionen Die Abfolge der Elemente im Periodensystem wird den Aufbau des Kerns aus Protonen erklärbar.

Die negative Hülle müsste aber vom Kern werden. Die Wertigkeit der Atome ist nicht

Die folgenden Modelle beschreiben nicht mehr ganze Atom sondern nur die für die relevante Elektronenhülle. (Vergleiche dazu Kernphysik )

das Planeten-Modell von Niels Bohr (1913) ( siehe auch: Bohrsches Atommodell und Schalenmodell )

Die Elektronen befinden sich auf diskreten Energieniveaus (bezeichnet durch die Hauptquantenzahl n ) . Sie bewegen sich auf konzentrischen Bahnen den Kern.

Damit werden die Linienspektren und Ionisierungsenergien erkärbar ebenso die Besetzungsregeln Periodensystems und die Wertigkeiten der Atome. Die des Atommodells liegt vor allem darin dass Atomradius Linienspektrum und Ionisierungsenergien des Wasserstoffatoms berechnet werden kann wobei die Ergebnisse mit den experimentell gefundenen Daten übereinstimmen.

Kreisende Elektronen müssten aber elektromagnetische Wellen abstrahlen allmählich in den Kern stürzen. Dies Problem das Modell durch Postulate die aber nicht waren. Nicht erklärbar ist die Stabilität bestimmter (z. B. Elektronenoktett) die Feinstruktur der Linienspektren B. Natriumdoppellinie) und die räumliche Ausrichtung der

Um den Gültigkeitsbereich des Atommodells von das streng genommen nur auf das Wasserstoffatom wasserstoffähnliche ionisierte Atome mit mehreren Protonen aber einem Elektron anwendbar ist zu erweitern führt Arnold Sommerfeld zusätzlich Ellipsenbahnen und damit die Nebenquantenzahl l ein.

(Matrizen- und Wellenmechanik werden unter dem Quantenmechanik zusammengefasst.)

Orbitalmodell von Max Born (1928) ( Quantenmechanisches Modell )

Die Elektronen werden als Welle betrachtet mit Schrödingergleichungen quantenmechanisch beschrieben. Durch verschiedene Modellsysteme beispielsweise Teilchen im Kasten wird schließlich auch die Quantelung und die Stabilitat der Energiestufen erklärbar. Schrödingergleichungen werden mit der Born-Oppenheimer-Approximation vereinfacht. Ihre Lösungen für den wahrscheinlichsten führen schließlich zu den Orbitalen. Dafür werden wieder als Teilchen betrachtet die nur mit bestimmten Wahrscheinlichkleit zu beobachten sind. Der Raum welchem sich die Elektronen mit größter Wahrscheinlichkeit werden Orbitale genannt.

siehe auch: Geschichte der Atomphysik

Moderne Anwendung von Modellen

Obwohl atomare Eigenschaften heute in der quantenmechanisch berechnet werden werden weitere Modelle zur atomarer Vorgänge verwendet. So wird das Orbitalmodell aus didaktischen Gründen zu dem Kugelwolkenmodell vereinfacht bei dem identische Elektronenwolken statt Orbitale verwendet werden. In der Gastheorie werden oft als punktförmige Partikel ohne innere Struktur ideales Gas ) oder als Kugeln mit festem Volumen gegenseitiger Anziehung (Van-der-Waals-Gas) angenähert.

Weblinks



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