Wieso "fallen" Elektronen nicht in den Atomkern?
Moin.
Ich hab mich vor einiger Zeit mal gefragt warum Negativ geladene Elektronen nicht in den Positiv geladenen Atomkern "fallen" bzw. angezogen werden. In der Schule wird einem beigebracht das Positiv und Negativ sich anziehen aber anscheind stimmt das ja nicht im Atom. Meine Frage ist nun, was da wirklich passiert bzw. was die Theorie dazu ist.
10 Antworten
Eine einfache aber falsche Erklärung wäre: Genau aus dem gleichen Grund wie die Erde nicht in die Sonne fällt oder der Mond nicht auf die Erde, obwohl sie sich gravitativ anziehen.
Ist aber leider nicht so einfach, weil ein beschleunigtes Elektron Bremsstrahlung abstrahlen, dadurch Energie verlieren und doch wieder in den Kern fallen sollte. Dass es das nicht tut ist klassisch nicht zu verstehen, man braucht die Quantenmechanik. Eigentlich war diese Beobachtung genau das, was Bohr zu den Anfängen der Quantenmechanik verholfen hat.
Hier kann ich Bernte nur zustimmen!
Nicht nur im Fall des Bohrschen/Rutherfordschen Atommodell sondern noch einigen anderen Inhalten habe ich mich zu Studienbeginn geärgergt, dass ich anscheinend nur falsche Dinge gelernt habe und danach erst verstanden, wie sinnvoll das eigentlich war =)
Ich weiß nicht, Physik wird immer erst falsch gelehrt und alle finden das ok, aber vielleicht kommt ja unsere Abneigung gegenüber Quantenmechanik genau daher, dass wir jahrelang klassische Erklärungen gelernt haben? Vielleicht wäre ja die Quantenmechanik eine ganz intuitive und natürliche Theorie für jemanden, der sie als allererste Theorie lernt? :)
Auch ein interessanter Gedankengang!
Allerdings denke ich da auch eher wie Bernte, dass Schüler damit überordert wären. Die Geschichten mit den "Ärmchen der kugelförmigen Atome" schafft meiner Meinung nach eine zwar falsche Grundlage, bietet durch das einfache Verständnis des stark vereinfachten Sachverhalts aber eine gute Basis um dann einzelne Aspekte später durch etwas kompliziertere, dafür aber korrekte Fakten und Vorstellungen zu ersetzen.
Die Einbettung bzw. Substitution von neuen Inhalten in einen bestehenden Kontext fand ich jedenfalls immer deutlich angenehmer und leichter als etwas fundamental neues zu lernen. Gerade wenn es um Quantenmechanik geht.
Das Bohr'sche Atommodell ist ja nicht "falsch". Es ist nunmal ein Modell und Modelle sind immer nur dazu geeignet bestimmte Phänomene zu veranschaulichen, während andere Vorgänge nicht dargestellt werden können.
Ich finde es (wie du ja auch) sinnvoll, dass das Bohr'sche Atommodell gelehrt wird, denn damit kann man z.B. gut die Bindungen in Molekülen veranschaulichen (was ja in der Schule sehr wichtig ist).
In der Schule wird kaum über Quantenmechanik gesprochen (was auch gut so ist); daher braucht auch kein Schüler ein kompliziertes Atommodell, das quantenmechanische Vorgänge veranschaulicht.
Die meisten der hier gemachten Aussagen sind "metaphorisch" (".. ist so ähnlich wie..."). Ja, es könnte so ähnlich sein, ist es aber nicht. Elektronen sind keine klitzekleinen Teilchen die in einem völlig leeren Atom um einen klitzekleinen Kern kreisen.
Niels Bohr stelle 1913 drei Postulate auf, mit denen er die Widersprüche der Situation auflösen wollte; im wesentlichen forderte er, dass sich Elektronen nur auf ganz bestimmten, diskreten Bahnen ("Elektronenschalen") bewegen können, auf denen sie nicht den Maxwell'schen Regeln unterliegen. Das war (nach Plancks und Einsteins "Photonen") eine weitere, allerdings recht naive, Form von "Quantelung".
Dieses Bohr'sche Atommodell ist ein nettes Bild, aber erstens falsch und zweitens eben keine Erklärung. Weder die chemischen Bindungen noch Details der Spektren lassen sich so erklären.
Die Wahrheit lautet etwa so, dass Elektronen in der Nähe eines Atomkerns "disloziert" sind, als "amorpher Klumpen" so nahe dran, wie es geht, aber durch Pauliverbote voneinander getrennt.
Auch das ist nur eine Metapher und auf den ersten Blick nicht viel besser als das Bohr'sche Atommodell. Der Vorteil des Schrödinger-Modells ist allerdings, dass man damit alle beobachteten Effekte erklären und berechnen kann.
Wie schon geschrieben wurde liegt das an der Zentrifugalkraft die Objekte in der Umlaufbahn halten. Das Elektron fällt also permanent am Atomkern vorbei.
Irgendwann kracht auch der Mond auf die Erde, der kommt tatsählcih auch immer näher! Dauert nur ein paar Milliarden Jahre.
Warum Elektronen das nicht zun liegt daran, dass es da einige Effekte gibt wodurch Elektronen Energie aufnehmen und verlieren können um die Umlaufbahn in der Idealkonfiguration zu halten.
Den Effekt Energie los zu werden kennt jeder. Heiße Objeckte leuchten, also glühen. Das liegt daran, dass die Hitze dafür sorgt, dass die Atome vibrieren und sich zu nahe kommen. Die Äußeren Elektronen nehmen den "Stoß" zum Teil auf wenn sich Atome zu nahe kommen und werden schneller, die Umlaufbahn hebt sich. Um nicht weg zu fliegen haben die Elektronen im Atom einen Trick drauf, die "Erschaffen" ein Photon aus dem Energieüberschuß. Dadurch springen die wieder in die korrekte Umlaufbahn wärend die ein Photon aussenden. Die Farbe des Photons hängt von der Energiemenge ab die das Elektron zu viel hatte. Je heißer, desto öfter und heftiger kollidieren Atome, also entstehen pro Zeit immer mehr Photonen und immer mehr davon sind kurzwelliger. Ist ein Objekt heiß genug, kommt die Lichtfarbe in den Sichtbaren BEreich, an der Farbe kann man sogar die Temperatur ablesen, das nutzt man schon seit Jahrhunderten in der MEtallverarbeitung um Metalle schmieden zu können bzw. zu härten ohne dass man Temperaturmessgeräte braucht. Auch die gute, alte Glühbirne nutzt den Effekt.
Bei Neonröhren bombardiert man Gas mit Elektronen, also einem Strom durch die Röhre. Je nach Gas fangen die Valenzelektronen erst bei einer bestimmten Energie an zu springen und brauchen um in den optimalen Orbit zu gelangen immer fast die gleiche Energiemenge los zu werden, daher leuchten Neonröhren immer mit einer bestimmten Farbe die vom Gas abhängt. In Plasmakugeln ist da z.B. Argon am Werk. Neon ist orangerot, Natrium ist gelb. In Leuchtstoffröhren wird das selbe gemacht, nur mit Quecksilber. Das leuchtet unsichtbar UV und sichtbar violett. Das unsichtbare UV-Licht regt dann den Leuchtstoff, eine Beschichtung des Röhrenglases, an weiß zu leuchten.
Auch in LEDs werden Atome so angeregt, dass die Licht abgeben, immer nur eine bestimmte Frequenz. Silizium leuchtet Infrarot, mit einem Gemisch aus Gallium und Arsenid das nicht zur 4. Hauptgruppe gehört, im Gemisch aber zu einem Halbleiter wird leuchtet es langwellig rot. Zuerst gab es nur rote LEDs und man nannte die noch nicht LED sondern GaAs Diode. Durch unterschiedliche Mischungen und verunreinigungen konnten dann weitere Farben, zuerst grün, dann gelb und orange erreicht werden. Erst seit wenigen Jahren kriegt man zuverlässig blau hin. 1990 hatten Autos mit LED Cockpit gelbe Fernlichtlampen owohl blau vorgeschrieben war. Gelb ist für das Auge eine Form von schmutzigem Weiß, also wurde die als "Weiß" deklariert und das durfte dann als Ersatz für blau eingebaut werden. Seit etwa 15 Jahren kriegt man auch UV-Nahe LEDs hin - und mit einem Leuchtstoff wie in der Leuchtstoffröhre leuchten die dann weiß. Eine LED selber ist monochromatisch, kann nicht weiß leuchten, weiße LEDs sind technisch gesehen blaue LEDs!
Eine Art umgekehrten Efffekt gibt es auch im Atom. Wird ein Elektron zu langsam, agiert das mit schnelleren Elektronen und klaut denen Energie. Durch Wärme und Strahlung haben einige Elektronen immer einen Überschuß an Energie den die dann an zu langsamme Elektronen abgeben können. Und der Mechanismus dahinter Energie als Licht wegzuwerfen oder sich Energie von anderen abzapfen ist Gegenstand der Quantenphysik.
Erspar dir deinen Sermon. Für das den Versuch, das Verhalten von geladenen Partikeln zu beschreiben, ist z.B. allein die Quantenelektrodynamik zuständig.
Und die hat nichts mit 'Umlaufbahnen' oder so zu tun.
Aber genau das stellt man sich über das Bohrsche Schalenmodell als Umlaufbahn vor - und man kann damit auch viele Dinge wie z.B. Lichtwellenlängen von Gasentladungen genau berechnen.
Da kannst Du genbau so gut sagen, dass man sich den Sermon von Newton über die Erdanziehungskraft sparen kann - Kann man eben nicht, dann für 99% der normalen Anwendungen reicht das einfache aber nicht wirklich richtige Modell völig aus!
Das kann man nicht so einfach erklären. Elektronen sind keine kleinen Kugeln und Atomkerne auch nicht. Alle mechanischen Modelle sind daher falsch oder bestenfalls anls primitives Modell tauglich.
Die Elektronen haben jedoch im Atom eine gehörige Portion Energie, welche es ihnen erlaubt auf Abstand zu bleiben. Die Anziehungskraft zwischen Kern und Elektron hält diese aber fest zusammen. Die Energie der Elektronen ist dabei nicht bei allen Elektronen eines Atoms gleich. Es gibt eine ganze Reihe von Energiestufen. Diese Energiestufen werden auch als Schalen bezeichnet. Dieser Begriff ist aber nicht sehr gut gewählt, spricht aber bildlich orientierte Vorstellungen an.
Ein Elektron ist halb Welle und halb Teilchen...
Außerdem besteht ein Proton aus mehreren Positiv geladenen Quarks-Teilchen. Die starke Kernkraft sorgt dafür, dass sich diese Quarks Teilchen verbinden/ nicht verfallen und das nennt man dann Proton...
Außerdem wirkt die starke Kernkraft nur innerhalb des Kerns, das Elektron spürt garkeine Anziehung- Weil die starke Kernkraft NUR im Kern stattfindet und nicht nach außen tritt.
Achso, zusätzlich hat das Neutron noch solche Bahnen, auf denen sie kreisen...
Sehr schön zusammengefasst. Wobei die "falsche", planetenartige Erklärung, auf der das Rutherfordsche/Bohrsche Atommodell aufbaut, immernoch in der Mittelstufe unterrichtet wird, und das aus gutem Grund. Es ist historisch und didaktisch ein gutes Modell, sich den Sachverhalt vorzustellen. Schülern früh etwas von Quantensuppe zu erzählen, die sie gar nicht richtig verstehen können, hilft ihnen nicht weiter.