Atomaufbau

Atomphysik

Atomaufbau

  • Kann man zu Hause die Größe von Atomen messen?
  • Woraus besteht die Atomhülle …
  • … und woraus der Atomkern?
  • Wie ist das Periodensystem der Elemente aufgebaut?

Entwicklung der Atomvorstellung

Es ist bekannt, dass man einen bestimmten Stoff, z.B. Zucker, durch Zerreiben in immer kleinere Teilstücke zerlegen kann, ohne dass dabei etwas anderes entsteht als wieder kleine Zuckerteilchen, die nach wie vor süß schmecken. Auch beim Lösen fester Stoffe in Flüssigkeiten oder beim Verdampfen findet ebenfalls eine Zerteilung ohne Veränderung statt.

 

Andererseits ist bekannt, dass man Gold nur bis zu Schichtdicken von ca. 10-8 m aushämmern kann (Blattgold), ohne dass das Blatt reißt. Seifenhäutchen und Ölschichten halten höchstens bei 10-8 bis 10-10m Dicke noch zusammen. Die geringsten Dicken für einen bestimmten Stoff sind dabei nicht kontinuierlich veränderbar, sondern nur um ganz bestimmte Beträge.

 

Die Beispiele zeigen, dass Materie ohne Verlust der ursprünglichen Eigenschaften sehr weit unterteilt werden kann, aber bei extremer Unterteilung wird auch schon eine "Diskontinuität" sichtbar. Griechische Philosophen stellten sich sehr früh die Frage, ob man die Unterteilung eines Stoffes - wenigstens in Gedanken - beliebig fortsetzen kann, ohne an der Art des Stoffes etwas zu ändern, oder ob man auf kleinstmögliche Teilchen stößt, die bei weiterer Zerkleinerung ihre spezifischen Eigenschaften verlieren.

Im Gegensatz zur heutigen Wissenschaft waren die Aussagen der griechischen Naturphilosophen eher aus dem Reich der Spekulation. Stark vereinfachend kann man zwei Vorstellungen über den Aufbau der Welt bei den Griechen unterscheiden.

 

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Schematische Darstellung der Vier-Elemente-Theorie von ARISTOTELES

ARISTOTELES (384 - 322 v. Chr.); Copy of Lysippus (Jastrow (2006)) [Public domain], via Wikimedia Commons

Eine (Kontinuums-)Theorie, die von ARISTOTELES (384 - 322 v. Chr.) perfektioniert wurde und bis fast ins Mittelalter Bestand hatte, geht von Urstoffen aus, welche für die Vorgänge auf der Erde verantwortilich sind. Diese Urstoffe (Erde, Wasser, Luft und Feuer) sind unveränderlich, nicht entstehend und nicht vergehend ("quinta essentia").

Die Veränderungen in der Welt ergeben sich aus der Mischung und Entmischung der Urelemente. Die Unterteilung eines Stoffes ist beliebig fortsetzbar, die Existenz von kleinsten Teilchen gibt es nicht (ANAXAGORAS (um 499 - 428 v. Chr.): "Von dem Kleinen gibt es kein Allkleinstes, sondern immer noch ein Kleineres" ).

3 Schematische Darstellung des Atommodells von DEMOKRIT
DEMOKRIT (460/459 - verm. 371 v. Chr.); unbekannter Autor [Public domain], via Wikimedia Commons

Von DEMOKRIT (460/459 - verm. 371 v. Chr.) und seinem Lehrer LEUKIPP (im 5. Jahrhundert v. Chr.) stammt eine völlig andere Sicht über den Aufbau der Materie. LEUKIPP vermutete als erster, dass die Stoffe aus kleinsten Teilchen bestehen. DEMOKRIT ergänzte, dass sich die Atome im leeren Raum frei bewegen können, zusammenstoßen, sich vereinigen und wieder trennen. Er sagte, es gibt nur die Atome und den leeren Raum. LEUKIPP und DEMOKRIT werden als die ersten Atomisten bezeichnet. Von ihnen stammt auch die Bezeichnung Atom (atomos (griech.): unteilbar).

 

ARISTOTELES beschreibt die Lehre des DEMOKRIT in einer seiner Vorlesungen: "Demokrit glaubt, dass die Atome dermaßen klein seien, dass sie sich unserer Wahrnehmung entziehen. Sie haben eine große Mannigfaltigkeit von Formen und Gestalten und Größen.

Aus den Atomen, lässt er gleich wie aus Urelementen, die für unsere Augen erkennbaren und überhaupt sinnlich wahrnehmbaren Körper entstehen und sich zusammensetzen.

Die Atome befinden sich in unruhiger Bewegung und werden im leeren Raume herumgetrieben. Bei ihrer Bewegung stoßen sie aufeinander und verflechten sich zu engen Verbindungen, wobei aber keinerlei wirkliche Einheit entsteht. Dafür aber, dass sie eine gewisse Zeit über miteinander vereinigt bleiben, sieht Demokrit den Grund in ihrer wechselseitigen Verbindung und in dem Aneinanderhaften der Urkörper. Die einen von ihnen haben Formen von ungleichseitiger Begrenzung, ander sind hakenartige Bogen, wieder andere muldenartig eingebuchtet oder nach außen gewölbt, noch andere zeigen unzählige Varianten unterschiedlicher Gestaltung."

Die Atomvorstellung wurde später von EPIKUR (341 - 271 v.Chr.) und LUKREZ (98 - 55 v. Chr.) aufgegriffen, ging aber insgesamt wieder verloren, da die geistige Welt des Altertums und des Mittelalters von den Vorstellungen des ARISTOTELES beherrscht wurde. Insbesondere der bei den Atomisten mögliche leere Raum war für die Lehre des ARISTOTELES nicht denkbar, da nach ARISTOTELES im leeren Raum keinerlei Bewegung möglich war.

Im zweiten Teil des 18. Jahrhunderts kam die Vier-Elemente-Theorie des Aristoteles kräftig ins Wanken. Fortschritte in der Chemie zeigten, dass es nicht nur eine Art von "Luft" gab, sondern verschiedene Gassorten. Der Franzose Antoine Laurent de LAVOISIER (1743 - 1794) unterschied im Jahre 1789 in seiner "Traité Élémentaire de Chimie" bereits 23 verschiedene Grundstoffe, die einigen der heute bekannten Elemente entsprachen.

Mit zunehmend genauen Balkenwaagen konnten die Gesetze über die konstanten Proportionen (PROUST 1794: Elemente einer bestimmten chemischen Verbindung kommenimmer im gleichen Massenverhältnis vor) und die multiplen Proportionen (DALTON 1808: Die Massenanteile der Elemente in allen chemischen Verbindungen gleicher Elemente stehen in einem ganzzahligen Verhältnis) gefunden werden.

4 Schematische Darstellung des Atommodellsvon DALTON
John DALTON (1766 - 1844); von C. H. Geens (1827-1879). Scanned, image processed and uploaded by Kuebi = Armin Kübelbeck [Public domain], via Wikimedia Commons

John DALTON (1766 - 1844), englischer Chemiker und Physiker begründete die moderne Atomtheorie, insbesondere die kinetische Gastheorie, nach der sich die Atome wie Kugeln im freien Raum bewegen.

 

In seinem Buch „A New System Of Chemical Philosophy“ legte DALTON seine Atomtheorie dar, die im wesentlichen aus vier Kernaussagen Hypothesen bestand:

Die Materie besteht aus kleinsten Teilchen, den Atomen. Hinweis: Meist wird angenommen, dass sich DALTON die Atome kugelförmig vorstellte.

Diese Atome sind unteilbar und können weder geschaffen noch zerstört werden.

Alle Atome eines chemischen Elements sind ununterscheidbar (haben also insbesondere gleiche Masse und gleiche Größe). Die Atome verschiedener Elemente unterscheiden sich nur durch ihre Masse. Hinweis: Dies ist ein markanter Unterschied zur Atomhypothese des DEMOKRIT.

Atome vom gleichen Element, aber auch Atome verschiedener Elemente können chemische Bindungen eingehen (Synthese). Verbindungen können aber auch wieder getrennt werden (Analyse).

Außerdem bemerkte DALTON, dass ein Teilchen einer Verbindung aus einer bestimmten, stets gleichen Anzahl von Atomen der Elemente gebildet wird, aus denen die Verbindung besteht. Elektrische Eigenschaften des Atoms tauchen bei DALTON noch nicht auf.

Mit seinem Atommodell konnte DALTON eine Reihe bereits bekannter, experimentell gefundener Gesetze (z.B. die Gesetze der kontanten und multiplen Proportionen) zwanglos deuten. Auch bei der Physik der Gase gelang ihm eine Deutung des Drucks (er wird durch Atomstöße gegen die Wand verursacht). Dies verhalf dem Atommodell von DALTON zu großem Ansehen. Trotzdem dauerte es noch etwa hundert Jahre, bis an der Atomvorstellung kein Zweifel mehr bestand.

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Schematische Darstellung des Atommodells von THOMSON

Joseph John THOMSON (1856 - 1940); unbekannter Autor (First World War.com) [Public domain], via Wikimedia Commons

Joseph John THOMSON (1856 - 1940) beobachtete Kathodenstrahlen (das ist diejenige Strahlung, die von der Kathode einer Vakuumröhre ausgeht) im elektrischen und magnetischen Feld und stellte fest, dass sie sich wie negativ geladene Teilchen verhalten. Er bestimmte die spezifische Ladung \(\frac{e}{{{m_e}}}\) (Quotient aus Ladung und Masse) für das Elektron und erkannte es als Teilchen. Er gilt, auch wenn er nicht der einzige war, der auf diesem Gebiet erfolgreich forschte, als der Entdecker des Elektrons. Er stellte sich das Atom wie einen Rosinenkuchen oder eine Wassermelone vor, bei dem der Teig bzw. das Fruchtfleisch die homogen verteilte und mit der Masse verbundene positive Ladung ist, die Rosinen oder Kerne sind die Elektronen.

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6 Schematische Darstellung des Atommodells von RUTHERFORD
Lord Ernest RUTHERFORD (1871 - 1937); von George Grantham Bain Collection (Library of Congress) [Public domain], via Wikimedia Commons

Lord Ernest RUTHERFORD (1871 - 1937) erkannte durch seine Streuversuche als erster, dass das Atom bis auf den sehr kleinen Kern leer ist und seine Größe nur durch die am Kern gehaltenen Elektronen bedingt ist, die um den Kern kreisen wie Planeten um die Sonne, da die COULOMB-Kraft als Zentripetalkraft wirkt. Für die Rotationsbewegung der Planeten ist die Gravitationskraft verantwortlich. Entsprechend ist für die Bewegung der Elektronen um den Kern die elektrostatische Anziehungskraft (COULOMB-Kraft) als Zentripetalkraft maßgebend.

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8 Schematische Darstellung des Atommodells von BOHR
Niels BOHR (1885 - 1962); unbekannter Autor (http://www.dfi.dk/dfi/pressroom/kbhfortolkningen/) [Public domain], via Wikimedia Commons

Niels BOHR (1885 - 1962) entwickelte das Atommodell von RUTHERFORD weiter, indem er nur noch solche Kreisbahnen zuließ, deren Umfang ein Vielfaches der de-BROGLIE-Wellenlänge beträgt. Damit konnte er die Energiesprünge erklären, die beim Absorbieren und Emittieren von Licht (im erweiterten Sinn) durch die Versuche von BALMER, LYMAN und andere gefunden wurden.

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8 Schematische Darstellung des Atommodells von SCHRÖDINGER
Erwin SCHRÖDINGER (1887 - 1961); unbekannter Autor [Public domain], via Wikimedia Commons

Erwin SCHRÖDINGER (1887 - 1961) entwickelte die SCHRÖDINGER-Gleichung, nach der den einzelnen Energiezuständen des Atoms Aufenthaltswahrscheinlichkeiten des Elektrons zuzuordnen sind.

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9 Schematische Darstellung des Atommodells von HEISENBERG
Werner HEISENBERG (1901 - 1976); von GFHund (Eigenes Werk) [GFDL oder CC-BY-3.0], via Wikimedia Commons

Werner HEISENBERG (1901 - 1976) entwickelte die Unschärferelation, nach der das Elektron im Atom nicht mehr als Teilchen mit fester Bahn erklärbar ist. Man stellt sich die Hülle als "Elektronenwolke" vor, deren negative Ladung die positive Ladung des Kerns neutralisiert. Die von ihm entwickelte Theorie der Matrizenmechanik beschreibt die Quantenmechanik ähnlich umfassend wie die Wellenmechanik von SCHRÖDINGER.

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