Essenzielle Cookies sind nötig. Analyse und Werbemessung nur mit deiner Zustimmung.
Physik · Atomphysik
Aus welchen Teilchen ein Atom besteht und wie sich das Atommodell von Thomson über Rutherfords Streuversuch und Bohr bis zum Orbitalmodell entwickelt hat.
Ein Atom ist fast leer: ein winziger, schwerer Kern und eine Hülle aus Elektronen. Jedes Atommodell behebt einen Fehler des vorigen.
Im Kern sitzen die positiven Protonen und die neutralen Neutronen, zusammen Nukleonen. In der Hülle liegen die negativen Elektronen, gehalten von der Anziehung des Kerns. Ein Atom misst etwa 10⁻¹⁰ m.
Proton und Neutron wiegen je etwa 1 u, ein Elektron rund 1836-mal weniger, die Masse steckt also im Kern. Ein neutrales Atom hat gleich viele Protonen und Elektronen. Fehlen Elektronen, ist es ein positives Kation, bei Überschuss ein negatives Anion. Die Protonenzahl und damit das Element ändern sich bei der Ionenbildung nicht.
Die kleinste frei vorkommende Ladung ist die Elementarladung e = 1,6 · 10⁻¹⁹ C. Quarks tragen zwar Drittel davon, kommen aber nie einzeln vor.
Teilchen zählst du so: Protonen = Z, Elektronen = Z − Ladung, Neutronen = A − Z. Beispiel Beryllium-9 (Z = 4): neutral 4 Protonen, 5 Neutronen, 4 Elektronen. Als Be²⁺ bleibt alles gleich, nur 2 Elektronen sind übrig. Cl⁻ (Z = 17) hat 17 Protonen und 18 Elektronen.
Gleiches Z bei anderem N heißt Isotop, die Atommasse im Periodensystem ist ein gewichteter Mittelwert. → Ausführlich in: Elementarteilchen und Nuklide
| Modell | Bild | Grenze |
|---|
| Thomson | positive Kugel mit Elektronen | kein Kern |
| Rutherford | Kern, kreisende Elektronen | Elektronen strahlen ab |
| Bohr | feste Bahnen, Quantensprünge | nur Wasserstoff, Unschärfe |
| Orbital | Aufenthaltsräume | heutiges Modell |
Thomson hatte 1897 das Elektron in Kathodenstrahlen entdeckt und es als Rosinen in einem positiven Kuchen gedacht (Rosinenkuchenmodell). Das Neutron fand erst Chadwick 1932.
Rutherford schoss positive α-Teilchen (Heliumkerne) auf eine hauchdünne Goldfolie und beobachtete, wohin sie flogen. Nach Thomsons Modell hätte die gleichmäßig verteilte Ladung alle nur leicht abgelenkt.
| Beobachtung | Schluss |
|---|---|
| Fast alle fliegen geradeaus durch | Das Atom ist größtenteils leer |
| Wenige werden stark abgelenkt | Der Kern ist positiv geladen |
| Ganz wenige prallen zurück | Der Kern ist winzig und schwer |
Rutherford zog daraus das Planetenmodell: Elektronen umkreisen den Kern, der etwa 10 000- bis 100 000-mal kleiner ist als das Atom. → Ausführlich in: Atomkern
Eine kreisende Ladung strahlt nach der klassischen Physik Energie ab, verliert Bahnenergie und spiralt nach innen.
Bohr setzte dagegen ein Postulat: Auf erlaubten Bahnen, den Schalen K, L, M …, strahlt das Elektron nicht und hat eine feste Energie.
Energie wechselt nur beim Quantensprung zwischen zwei Bahnen, als aufgenommenes oder abgegebenes Photon. Das erklärt das Spektrum des Wasserstoffs. → Ausführlich in: Elektronen-Orbitale
Bei Atomen mit mehreren Elektronen versagt das Modell. Es legt außerdem Ort und Impuls zugleich fest und widerspricht damit der Heisenbergschen Unschärferelation. → Ausführlich in: Unschärferelation
Das Orbitalmodell ersetzt die Bahnen durch Orbitale, Räume, in denen du ein Elektron mit hoher Wahrscheinlichkeit findest. → Ausführlich in: Elektronen-Orbitale und Elektronenhülle
Die Valenzelektronen bestimmen, wie ein Atom reagiert. → Ausführlich in: Schalen
Beschriftbare Abbildung
Deine AufgabeDecke K-, L- und M-Schale auf und sage vorab, ob beim Sprung von M nach L ein Photon aufgenommen oder abgegeben wird. Vergleiche auf der Energieleiter den Abstand L–M mit K–L.
Tippe auf eine Beschriftung in der Abbildung, um ihre Erklärung zu lesen.
