Aufbau des Atoms?
Hallo Leute,
Ich habe eine Frage zu Chemie...Wie man weiss besteht ja die Hülle des Atoms aus negativ und positiv geladenen Teilchen.
Die negativen Elektronen der Hülle werden ja von den positiven Protonen in Kern angezogen. Trotzdem fallen die Elektronen nicht in den Kern, wie kann man dies erklären?
Danke im voraus!^^
3 Antworten
Die Antwort von PWolff ist zwar korrekt, aber nicht auf die Frage abgestimmt.
Zunächst einmal sollte es nicht verwunderlich sein, dass die Elektronen nicht in den Kern stürzen. Der Mond stürzt ja auch nicht in die Erde, sondern ist auf einer stabilen Kreisbahn.
Der Mond bewegt sich einfach auf einer solchen Kreisbahn, dass die Gravitationskraft zwischen Erde und Mond gleich der Scheinkraft "Zentrifugalkraft" ist. Eine bessere Interpretation ist, dass der Mond sich so schnell bewegt, dass die Erde sich schneller wegkrümmt, als der Mond auf die Erde fällt. Daher fällt er quasi ständig. Hier ein Video dazu:
https://www.youtube.com/watch?v=DEEnxr2MZdE
Und genau so kannst du dir das im vereinfachten Sinne auch bei den Elektronen und dem Atomkern vorstellen. Die Anziehungskraft ist nun aber die elektrostatische Kraft (Plus und Minus ziehen sich an) und keine Gravitationskraft (Massen ziehen sich an).
Ich denke, dass ist das was du wissen wolltest.
Nun kommt aber die Antwort von PWolff ins Spiel. Etwas weiter gedacht, ist das Problem eben doch nicht genau das gleiche. Weil die klassische Elektrodynamik sagt, dass eine beschleunigte Ladung (Elektron auf Kreisbahn z.B.) elektromagnetische Wellen abstrahlt und dadurch Energie verliert. Damit verliert das Elektron ständig Energie und damit Geschwindigkeit und müsste eben doch auf die Erde fallen (Spannenderweise ist das beim Mond tatsächlich auch so mit Gravitationswellen, aber das ist vernachlässigbar). Das Atom müsste aber laut diesen Berechnungen nur ganz kurzlebig sein. Das hat aber erstmal nix einfach nur damit zu tun, dass eins negativ und eins positiv geladen ist, sondern damit, dass das Elektron auf einer Kreisbahn ständig Energie verliert.
Nun kommt die Antwort von PWolff ins Spiel weshalb die Quantenmechanik dieses Problem dann eben doch löst.
Das ist nach der "klassischen" Physik tatsächlich unmöglich zu erklären.
Die Beobachtung, dass es Elektronen gibt, die sich offenbar um den Kern herum bewegen, war einer der entscheidenden Anstöße, die Quantenphysik zu entwickeln.
Bohr hat einfach gesagt, die Elektronen können sich nur in bestimmten Abständen vom Atomkern (auf bestimmten "Schalen") aufhalten, aus welchen Gründen auch immer. Die Energien für diese "Schalen" waren schon aus der Spektroskopie bekannt, sodass man die Formeln für diese Abstände herleiten konnte.
Sommerfeld hat dieses Modell später erweitert, wobei er neuere Erkenntnisse berücksichtigt hat, dass Elektronen in der Atomhülle auch gegenüber Magnetfeldern nur bestimmte magnetische Momente nach Stärke und Richtung annehmen können und daraus auf eine Quantelung auch des "Bahndrehimpulses" geschlossen; damit hatte man neben der "Hauptquantenzahl" (= Nummer der "Schale") auch die "Nebenquantenzahl" (= Drehimpulsquantenzahl) und die "magnetische Quantenzahl" (= Ausrichtung des Drehimpulses und des damit verbundenen magnetischen Momentes gegenüber einem äußeren Magnetfeld).
Eine weitere Untersuchung ergab, dass jeweils bis zu 2 Elektronen Haupt-, Neben- und magnetische Quantenzahl gemeinsam haben konnten; eine weitere Untersuchung des Elektrons ergab, dass auch das Elektron selbst ein eigenes magnetisches Moment hat. Damit muss es auch einen eigenen Drehimpuls haben, sich also "drehen" (engl. "spin"; daher "Spin-Quantenzahl"). Der kann sich gegenüber einem äußeren Magnetfeld entweder parallel oder antiparallel einstellen.
Bis heute hat man keine weiteren Quantenzahlen gefunden, die den Aufbau der Elektronenhülle eines Atoms mitbestimmen.
Bis hierher waren das alles "ad-hoc"-Postulate, um den Aufbau der Elektronenhülle überhaupt mal irgendwie in den Griff zu kriegen. Erst Jahrzehnte später hat man die Quantenphysik auf theoretisch solide Grundlagen gestellt, die auch korrekte Vorhersagen machten. Erst mit diesen feineren Modellen kann man nicht nur erklären, sondern auch (wenn auch sehr, sehr zeitaufwändig, selbst mit heutigen Supercomputern) berechnen, wie eine Elektronenhülle aussieht.
Die Theorie hierzu geht weit, weit über den Schulstoff hinaus.
Immerhin kann man sich aus der Quantentheorie folgendes merken:
Ein in einen "Topf" eingesperrtes Teilchen hat immer eine höhere Energie als dem "Topfboden" entspricht, und zwar umso höher, je enger der "Topf".
Das "Orbital" eines Elektrons ist also ein Kompromiss zwischen der Anziehung des Atomkerns und der "Einsperr-Energie"; es stellt sich so ein, dass die Gesamtenergie möglichst niedrig ist.
Atome bestehen aus dem Atomkern und der Atomhülle. Im Kern, der den Hauptteil des Atomgewichtes ausmacht, befinden sich positiv geladene Protonen und neutrale Neutronen.
Außerhalb des Atomkerns befindet sich die Atomhülle, in der sich die negativ geladenen Elektronen auf bestimmten Bahnen um den Atomkern bewegen. Damit die Elektronen nicht in den positiv geladenen Atomkern stürzen, bewegen sie sich mit einer für jede Bahn charakteristischen Geschwindigkeit um den Atomkern.