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Der Atomaufbau wird durch das historische Bohrsche Modell mit diskreten Bahnen und das moderne Orbitalmodell beschrieben, welches auf Aufenthaltswahrscheinlichkeiten basiert.
Das Bohrsche Atommodell stellt eine Weiterentwicklung des Rutherford-Modells dar und vergleicht das Atom mit einem Planetensystem. Elektronen kreisen auf festen, konzentrischen Bahnen um den Atomkern, der aus Protonen und Neutronen besteht. Diese Bahnen werden als Schalen (K, L, M...) bezeichnet und repräsentieren diskrete Energieniveaus.
Ein zentrales Postulat Bohrs besagt, dass Elektronen auf diesen Bahnen keine Energie abstrahlen. Energieaustausch findet nur bei einem Quantensprung statt: Wechselt ein Elektron auf eine kernfernere Schale, muss Energie (ein Photon) absorbiert werden; beim Rückfall auf eine kernnähere Schale wird Energie emittiert.
Bohr konnte damit zwar das Linienspektrum des Wasserstoffs erklären, scheiterte aber bei komplexeren Atomen. Das Hauptproblem liegt in der Heisenbergschen Unschärferelation, die besagt, dass Ort und Impuls eines Elektrons nicht gleichzeitig exakt bestimmt werden können. Feste 'Bahnen' sind physikalisch also nicht haltbar.
Das moderne Orbitalmodell (Quantenmechanisches Modell) ersetzt Bahnen durch Orbitale. Ein Orbital ist ein mathematisch definierter Raum, in dem die Wahrscheinlichkeit, ein Elektron zu finden, bei etwa 90 % liegt. Man spricht hier von einer Elektronenwolke statt einer festen Route.
Der Zustand eines Elektrons wird durch vier Quantenzahlen eindeutig charakterisiert. Die Hauptquantenzahl (n) bestimmt das Energieniveau (Schale), die Nebenquantenzahl (l) die Form des Orbitals (z. B. kugelförmig oder hantelförmig) und die Magnetquantenzahl (m_l) die räumliche Ausrichtung.
Die vierte Quantenzahl ist die Spinquantenzahl (m_s), die den Eigendrehimpuls des Elektrons beschreibt. Nach dem Pauli-Prinzip dürfen zwei Elektronen in einem Atom niemals in allen vier Quantenzahlen übereinstimmen. Ein Orbital kann daher maximal zwei Elektronen mit entgegengesetztem Spin aufnehmen.
Zusammenfassend lässt sich sagen: Während Bohr deterministisch feste Wege vorgab (wie Schienen), beschreibt das Orbitalmodell statistische Aufenthaltsräume (wie eine Wolke). Für den MedAT ist besonders wichtig, dass das Orbitalmodell die Wellennatur der Elektronen berücksichtigt.
