Atommodelle

Nach der Entdeckung der subatomaren Teilchen eines Atoms waren die Wissenschaftler bestrebt, die Verteilung dieser Teilchen innerhalb des Atoms herauszufinden. Mehrere Atommodelle wurden vorgeschlagen, um die Struktur des Atoms zu erklären. Viele von ihnen konnten jedoch die Stabilität des Atoms nicht erklären. Lernen wir zwei dieser Atommodelle kennen, die zu unserem heutigen Konzept des Atoms geführt haben.

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Thomsons Atommodell

Im Jahr 1898 schlug J. J. Thomson das erste von vielen späteren Atommodellen vor. Er schlug vor, dass ein Atom die Form einer Kugel mit einem Radius von etwa 10-10 m hat, in der die positive Ladung gleichmäßig verteilt ist. Die Elektronen sind in diese Kugel eingebettet, so dass sich die stabilste elektrostatische Anordnung ergibt.

Erinnert Sie die obige Abbildung nicht an eine aufgeschnittene Wassermelone mit Kernen darin? Oder man kann es sich auch als Pudding vorstellen, wobei die Elektronen die Pflaumen oder Rosinen im Pudding sind. Daher wird dieses Modell auch als Wassermelonenmodell, Pflaumenpuddingmodell oder Rosinenpuddingmodell bezeichnet.

Ein wichtiger Aspekt dieses Modells ist, dass es davon ausgeht, dass die Masse des Atoms gleichmäßig über das Atom verteilt ist. Das Thomsonsche Atommodell konnte die allgemeine Neutralität des Atoms erklären. Allerdings stimmten seine Thesen nicht mit den Ergebnissen späterer Experimente überein. Im Jahr 1906 erhielt J. J. Thomson den Nobelpreis für Physik für seine Theorien und Experimente zur Elektrizitätsleitung durch Gase.

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Rutherfords Atommodell

Das zweite Atommodell war der Beitrag von Ernest Rutherford. Um ihr Modell zu entwickeln, führten Rutherford und seine Schüler – Hans Geiger und Ernest Marsden – ein Experiment durch, bei dem sie eine sehr dünne Goldfolie mit α-Teilchen beschossen.

α-Teilchenstreuungsexperiment

Experiment

In diesem Experiment wurden hochenergetische α-Teilchen aus einer radioaktiven Quelle auf eine dünne Goldfolie (etwa 100 nm dick) gerichtet. Um die dünne Goldfolie herum befand sich ein kreisförmiger, fluoreszierender Zinksulfidschirm. Ein winziger Lichtblitz wurde an einem Punkt des Schirms erzeugt, wenn α-Teilchen darauf trafen.

Results

Basierend auf dem Thomson’schen Modell, sollte die Masse jedes Atoms in der Goldfolie gleichmäßig über das gesamte Atom verteilt sein. Wenn α-Teilchen auf die Folie treffen, wird erwartet, dass sie langsamer werden und ihre Richtung beim Durchgang durch die Folie nur um kleine Winkel ändern. Die Ergebnisse von Rutherfords Experiment waren jedoch unerwartet –

• Die meisten α-Teilchen passierten die Folie ohne Ablenkung.
• Eine kleine Anzahl von α-Teilchen wurde um kleine Winkel abgelenkt.
• Sehr wenige α-Teilchen (etwa 1 von 20.000) prallten zurück.

Schlussfolgerungen des α-Streuexperiments

Aus den obigen Ergebnissen zog Rutherford folgende Schlüsse über die Struktur des Atoms:

• Da die meisten α-Teilchen die Folie unabgelenkt passierten, ist der größte Teil des Raums im Atom leer.
• Die Ablenkung einiger weniger positiv geladener α-Teilchen muss auf die enorme Abstoßungskraft zurückzuführen sein. Dies deutet darauf hin, dass die positive Ladung nicht gleichmäßig über das Atom verteilt ist, wie Thomson vorgeschlagen hatte. Die positive Ladung muss in einem sehr kleinen Volumen konzentriert sein, um die positiv geladenen α-Teilchen abzulenken.
• Rutherfords Berechnungen zeigen, dass das Volumen des Kerns im Vergleich zum Gesamtvolumen des Atoms sehr klein ist und der Radius eines Atoms etwa 10-10m beträgt, während der des Kerns 10-15m beträgt.

Nuklearmodell des Atoms

Auf der Grundlage seiner Beobachtungen und Schlussfolgerungen schlug Rutherford sein Modell der Atomstruktur vor. Diesem Modell zufolge –

• ist der größte Teil der Masse des Atoms und der positiven Ladung dicht in einem sehr kleinen Bereich des Atoms konzentriert. Rutherford nannte diesen Bereich den Kern.
• Elektronen umgeben den Kern und bewegen sich mit sehr hoher Geschwindigkeit auf kreisförmigen Bahnen um ihn herum, die Orbits genannt werden. Diese Anordnung ähnelt auch dem Sonnensystem, in dem der Kern die Sonne bildet und die Elektronen die umlaufenden Planeten sind. Daher wird es auch als Planetenmodell bezeichnet.
• Elektrostatische Anziehungskräfte halten den Kern und die Elektronen zusammen.

Nachteile des Rutherfordschen Atommodells

• Nach dem Rutherfordschen Atommodell bewegen sich die Elektronen (Planeten) in wohldefinierten Bahnen um den Kern (Sonne). Da ein Körper, der sich auf einer Umlaufbahn bewegt, einer Beschleunigung unterworfen ist, müssen die Elektronen in diesem Fall einer Beschleunigung ausgesetzt sein. Nach der elektromagnetischen Theorie von Maxwell müssen geladene Teilchen, wenn sie beschleunigt werden, elektromagnetische Strahlung aussenden. Daher wird ein Elektron in einer Umlaufbahn Strahlung aussenden, und die Umlaufbahn wird schließlich schrumpfen. Wenn das stimmt, dann wird das Elektron spiralförmig in den Kern eindringen. Dies geschieht jedoch nicht. Rutherfords Modell erklärt also nicht die Stabilität des Atoms.
• Nehmen wir einmal an, dass sich die Elektronen nicht bewegen und stationär sind. Dann werden die Elektronen durch die elektrostatische Anziehung zwischen den Elektronen und dem dichten Kern in den Kern hineingezogen und bilden eine Miniaturversion des Thomson-Modells.
• Rutherfords Modell sagt auch nichts über die Verteilung der Elektronen um den Kern und die Energien dieser Elektronen aus.

Die Atommodelle von Thomson und Rutherford enthüllten also wichtige Aspekte der Atomstruktur, ließen aber einige kritische Punkte außer Acht. Nachdem wir nun die beiden Atommodelle kennen, wollen wir versuchen, einige Konzepte zu verstehen.

Atomzahl und Massenzahl

Wie wir jetzt wissen, ist die positive Ladung des Kerns auf die Protonen zurückzuführen. Außerdem ist die Ladung des Protons gleich, aber entgegengesetzt zu der des Elektrons. Die Ordnungszahl (Z) ist die Anzahl der Protonen im Atomkern. Zum Beispiel ist die Anzahl der Protonen in Natrium 11, während sie in Wasserstoff 1 ist. Daher sind die Ordnungszahlen von Natrium und Wasserstoff 11 bzw. 1.

Um die elektrische Neutralität aufrechtzuerhalten, ist die Anzahl der Elektronen in einem Atom gleich der Anzahl der Protonen (Ordnungszahl, Z). Daher ist die Anzahl der Elektronen in Natrium und Wasserstoff 11 bzw. 1.

Atomzahl = die Anzahl der Protonen im Kern eines Atoms

= die Anzahl der Elektronen in einem neutralen Atom

Die positive Ladung des Kerns ist auf die Protonen zurückzuführen, aber die Masse des Atoms ist auf die Protonen und Neutronen zurückzuführen. Sie werden zusammen als Nukleonen bezeichnet. Die Massenzahl (A) des Atoms ist die Gesamtzahl der Nukleonen.

Massenzahl (A) = Anzahl der Protonen (Z) + Anzahl der Neutronen (n)

Die Zusammensetzung eines Atoms wird daher mit dem Elementsymbol (X) mit der Massenzahl (A) als Oberschrift links und der Ordnungszahl (Z) als Unterschrift links dargestellt – AZX.

Erfahren Sie hier mehr über die Ordnungszahl.

Isobare und Isotope

Isobare sind Atome mit der gleichen Massenzahl, aber einer anderen Ordnungszahl. Zum Beispiel 146C und 147N.

Erfahren Sie hier mehr über Isobare.

Isotope hingegen sind Atome mit der gleichen Ordnungszahl, aber einer unterschiedlichen Massenzahl. Das bedeutet, dass der Unterschied in den Isotopen auf die unterschiedliche Anzahl von Neutronen im Kern zurückzuführen ist. Verstehen wir dies am Beispiel von Wasserstoff:

• 99,985 % der Wasserstoffatome enthalten nur ein Proton. Dieses Isotop ist Protium (11H).
• Das Isotop mit einem Proton und einem Neutron ist Deuterium (21D).
• Das Isotop mit einem Proton und zwei Neutronen ist Tritium (31T). Dieses Isotop kommt in Spuren auf der Erde vor.

Weitere häufige Isotope sind – Kohlenstoffatome mit 6 Protonen und 6, 7 oder 8 Neutronen (126C, 136C, 146C) und Chloratome mit 17 Protonen und 18 oder 20 Neutronen (3517Cl, 3717Cl).

Anmerkung: Chemische Eigenschaften von Atomen stehen unter dem Einfluss der Anzahl der Elektronen, die von der Anzahl der Protonen im Kern abhängig sind. Die Anzahl der Neutronen hat einen sehr geringen Einfluss auf die chemischen Eigenschaften eines Elementes. Daher zeigen alle Isotope eines Elements das gleiche chemische Verhalten.

Erfahre hier mehr über Isotope.

Gelöste Beispiele für dich

Frage 1: Ordne die Spalten zu:

1. Massenzahl	a. Kernmodell des Atoms
2. J.J. Thomson	b. Anzahl der Protonen
3. Rutherford	c. Anzahl der Nukleonen
4. Ordnungszahl	d. Plum pudding model

Lösung: 1 → c, 2 → d, 3 → a, 4 → b.

Frage 2: Berechnen Sie die Anzahl der Protonen, Neutronen und Elektronen in 5626Fe.

Lösung: In 5626Fe ist die Ordnungszahl (Z) = 26, die Massenzahl (A) = 56.

Anzahl der Protonen = Anzahl der Elektronen = Z = 26.

Anzahl der Neutronen = A – Z = 56 – 26 = 30.