Brauchbarkeit und Grenzen des bohr’schen atommodells?

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2 Antworten

Moin,

Niels Bohr hat das Rutherfordsche Atommodell insofern verfeinert, als er einen damals bereits bekanntes Problem kurzerhand mit seinem Postulat vom Tisch wischte, doch der Reihe nach. Um das alles ein bisschen besser verstehen zu können, ist es hilfreich, die Geschichte der Atommodelle nachzuvollziehen...

Dalton:
Der englische Naturgelehrte John Dalton war der erste, der um 1803 bis 1808 die Idee des Atoms als kleinsten Baustein der Materie wieder aufgriff (zuvor gab es diese Idee schon einmal von den griechischen Philosophen Leukippos und Demokrit, deren philosophischen Überlegungen allerdings von Aristoteles heftigst widersprochen wurde, so dass sie über 2000 Jahre in Vergessenheit gerieten).
Dalton stellte folgende (Kern-)Hypothesen auf:
• Es gibt kleinste, nicht weiter zerteilbare Bausteine der Materie - die Atome.
• Atome können weder erzeugt noch vernichtet werden.
• Alle Atome eines Elements sind untereinander gleich; sie sind gleich groß und haben die gleiche Masse.
• Atome verschiedener Elemente unterscheiden sich in Größe und Masse.
• Bei chemischen Reaktionen kommt es zu einer Umverteilung der Atome untereinander.
Oft wird Dalton auch zugeschrieben, dass er Atomen die Form von Kügelchen zugesprochen habe. Das mag er vielleicht tatsächlich angenommen haben, aber soweit ich weiß, findet man über die Form von Atomen in Daltons Schriften kein Wort.
Wie dem auch sei, Dalton hatte zwar zu den Atomen selbst keine Experimente gemacht (weshalb man sein Modell auch besser als "Atomhypothese" ansprechen sollte), aber mit Hilfe seiner Hypothese konnte man so wichtige chemische Gesetzmäßigkeiten wie »Das Gesetz zur Erhaltung der Masse«, »Das Gesetz der konstanten Proportionen« oder »Das Gesetz der multiplen Proportionen« plausibel machen. Außerdem waren die Aggregatzustände sowie die Prozesse bei den Aggregatzustandswechseln gut erklärlich. Gerade die plötzliche Plausibilität der chemischen Grundgesetze waren ein starkes Argument für die Richtigkeit der Daltonschen Atomhypothese.
Nicht erklären konnte Daltons Hypothese dagegen, warum die Elemente miteinander reagierten. Auch konnte Dalton nichts über die Art der Bindung von Atomen untereinander (oder deren Zustandekommen) beitragen.
Heute sind praktisch alle Daltonschen Aussagen über Atome widerlegt, weshalb man seine Atomhypothese gerne als "falsch" abtut. Dazu ist jedoch kritisch anzumerken, dass ganz generell Modelle nicht "richtig oder falsch" sein können, sondern eben nur "besser oder schlechter geeignet", um Sachverhalte zu erklären. Wenn man die oben genannten chemischen Grundgesetze oder Aggregatzustände verdeutlichen möchte, reicht Daltons Atomhypothese völlig aus - auch heute noch!

Thomson:
Der Engländer Joseph Thomson war der Mitentdecker des Elektrons. Er stellte fest, dass man kleine, negativ geladene Ladungsträger aus Atomen entfernen ("herausschlagen") konnte. Diese negativen Ladungsträger hatten selbst fast keine Masse, aber sie müssen dennoch in den Atomen stecken. Damit ergab sich jedoch sofort das Problem, dass Atome offenbar doch nicht unteilbar seien, wenn sie doch noch kleinere Teilchen in sich bergen. Da aber das Daltonsche Atommodell bis dahin gute Dienste geleistet hatte, wollte Thomson diese Hypothese nicht leichtfertig aufgeben. Im Gegenteil, er ersann um 1903 eine Atomvorstellung, die das Daltonsche Modell weitestgehend erhalten sollte - wenn auch leicht modifiziert.
Nach Thomson sollten Atome weiterhin die kleinsten, unteilbaren und massiven Grundbausteine der Materie sein. Aber er ergänzte die Vorstellung um drei weitere Aspekte. Zum einen ging er wirklich von Kügelchen aus. Aber vor allem stellte er sich ein Atom zweitens so vor, dass in eine positiv geladene Grundmasse kleine, negativ geladene Ladungsträger eingebettet seien, die sich aus den Atomen entfernen ließen (gerade wie Rosinen in einem Teig eines Kuchens, weshalb man das Thomsonsche Atommodell auch scherzhaft "Rosinenkuchenmodell" nennt). Das Problem der scheinbar widerlegten Unteilbar räumte er (mehr oder weniger intelligent) dadurch aus, dass er drittens zu den Eigenschaften des Atoms hinzufügte, dass es die kleinste unteilbare Einheit der Materie sei, die noch die Eigenschaft der Materie zeige! Damit konnte er das Problem insofern lösen, als schon damals klar war, dass Elektronen eine ganz eigene Welt für sich waren und mit den Eigenschaften der Materie wenig bis nichts zu tun hatten.
Das Thomsonsche Atommodell behielt die Vorteile von Daltons Atomhypothese und erweiterte dessen Grenzen, indem man durch Thomsons Einbau von Elektronen in eine positiv geladene Grundmasse plötzlich die Entstehung von geladenen Teilchen (Ionen) auf atomarer Ebene verstehen konnte. Damit wurde zumindest eine Bindungsart - die Ionenbindung - erklärbar.

Rutherford:
Nur acht Jahre später (1911) brach Thomsons Atommodell allerdings insofern zusammen, als es einer ganz wesentlichen Komponente beraubt wurde.
Die Entdeckung der radioaktiven Strahlung führte in den Naturwissenschaften dazu, dass dieses höchst interessante, aber auch rätselhafte Phänomen intensiv erforscht wurde. Schnell hatte man herausgefunden, dass es vordergründig drei Strahlungsarten gab: die positiv geladene alpha-Strahlung, die negativ geladene beta-Strahlung und die ungeladene gamma-Strahlung. Auch dass radioaktive Strahlung sehr viele Materialien durchdringen kann, war bekannt (so wurde das Phänomen ja schon von Becquerell entdeckt...).
Rutherford und seine Mitarbeiter Marsden und Geiger (ja, genau, der Typ, der später den Geiger-Zähler erfand) machten ebenso Experimente mit dieser Strahlung, unter anderem ihre berühmt gewordenen Streuversuche.
Aus der Beobachtung, dass tatsächliche der größte Teil der positiv geladenen alpha-Teilchen-Strahlung die hauchdünne Goldfolie einfach durchdrang, schloss Rutherford, dass die Atome zum allergrößten Teil aus "Nichts" bestehen müssen. Die alpha-Teilchen können deshalb quasi ungehindert diesen luftleeren Raum durchfliegen. Also haben Atome eine riesige Hülle aus leerem Raum.Aus der Beobachtung, dass vereinzelte alpha-Teilchen von der Goldfolie zurückgeworfen werden (etwa jedes Zehntausendste), schloss Rutherford weiterhin, dass Atome einen winzig kleinen Kern haben müssen, in dem sich die gesamte Masse des Atoms konzentriert. Nur wenn ein alpha-Teilchen diesen winzig kleinen Kern direkt trifft, wird es zurück geworfen.
Schließlich gab es noch die Beobachtung, dass einige alpha-Teilchen durch die Goldfolie abgelenkt wurden. Das konnte damit erklärt werden, dass der winzig kleine Kern nicht nur quasi die Masse eines Atoms darstellte, sondern auch die positive Ladung in sich vereinte, die man zum Ausgleich der negativ geladenen Elektronen benötigte. Wenn nämlich die ebenfalls positiv geladenen alpha-Teilchen in der Nähe eines winzig kleinen Kerns vorbei flogen, dann wurden sie, wenn der Kern ebenfalls positiv geladen war, abgestoßen, da gleiche elektrostatische Ladungen sich nun einmal voneinander abstoßen, wie man wusste.
So war das Kern-Hülle-Modell geboren: riesige Hülle aus Nichts, in der sich Elektronen befinden, winziger Kern, in dem sich Masse und positive Ladung konzentrieren.
Die überzeugende Deutung aller Beobachtungen aus dem Streuversuch ließ praktisch nicht zu, weiterhin daran festhalten zu wollen, dass Atome massive kleine Kugeln waren.
Die Frage, warum die negativ geladenen Elektronen nicht vom positiv geladenen Kern angezogen werden, um am Ende in ihn zu stürzen, beantworte man mit der Annahme, dass sich die Elektronen um den Kern bewegen, so dass die Anziehungskraft zwischen den Ladungen von der Fliehkraft der sich bewegenden Elektronen kompensiert wird. Das erinnerte stark an die stabilen Bahnen, auf denen Planeten um die Sonne kreisen. Wegen dieser Vorstellung wird Rutherfords Modell auch "Planetenmodell" genannt, was aber so nicht von Rutherford selbst stammt.
Die Vorstellung der kreisenden Elektronen rief allerdings die Physiker auf den Plan, die zu Recht bemängelten, dass bewegte Ladung allen bekannten Experimenten nach stets elektromagnetische Strahlung aussende. Das müsste daher dazu führen, dass die Elektronen beim Kreisen Energie verlieren. Dadurch müssten sie langsamer werden. Aber wenn sie langsamer würden, könnten sie ihre Bahn nicht halten (weil die Fliehkraft kleiner würde), so dass sie als Folge davon auf einer Spiralbahn dem Kern eben doch immer näher kommen müssten, um am Ende doch in ihn hinein zu stürzen. Und dann kam Bohr...

Bohr:
Niels Bohr wischte alle diese Einwände der Physiker 1913 mit seinem berühmten Postulat einfach vom Tisch. Ein Postulat ist - vereinfacht gesagt - eine unbewiesene Grundannahme, um eine Diskussion führen zu können. Diese Grundannahme lässt sich dabei jedoch nicht zwingend herleiten, aber mit der Annahme kann man dann gut weitermachen... Bohr postulierte also, dass es um einen Atomkern herum Bahnen geben müsse, auf denen sich Elektronen strahlungsfrei bewegen können. Das heißt, auf diesen sogenannten "erlaubten Bahnen" können Elektronen kreisen, ohne Energie zu verlieren. Um jedes Atom gibt es solche Bahnen mit charakteristischen Abständen (Radien) zum Kern. Die Atome verschiedener Elemente haben "erlaubte" Bahnen mit unterschiedlichen Radien. Aber Atome eines Elements haben die gleichen "erlaubten" Bahnen.
Die Physiker hätten Bohr wahrscheinlich für dieses Postulat einfach ausgelacht, wenn er nicht... ja, wenn er nicht mit Hilfe des Postulats sämtliche Spektrallinien des Wasserstoff-Spektrums hätte berechnen können.
Dazu muss man wissen, dass Spektrallinien entstehen, wenn man Atomen Energie zuführt. Die Energieaufnahme führt nämlich dazu, dass die Elektronen auf "erlaubte" Bahnen "springen" können, die weiter vom Atomkern entfernt sind. Da die "erlaubten" Bahnen keinen beliebigen Radius haben, sondern stets ganz bestimmte Radien, können die Elektronen die Energie auch nur in dazu passenden bestimmten Portionen (Quanten) aufnehmen. Diesen Zustand, in dem Elektronen weiter außen sind und an ihrem ursprünglichen Platz eine "Lücke" hinterlassen, nennt man "angeregt". Ein "angeregtes" Atom ist also energiereicher. Das macht Atome instabiler, weshalb sie wieder in ihren nicht-angeregten Grundzustand zurückkehren möchten. Die zuvor aufgenommene Energie müssen die Elektronen dazu natürlich wieder abgeben, um an ihren ursprünglichen Platz zurück "springen" zu können. Das Hin- und Herspringen von Elektronen bezeichnet man als "Quantensprung". Und nun kommt's: die zuvor aufgenommene Energie wird in Form von elektromagnetischer Strahlung abgegeben. Bei manchen Atomsorten erfolgt das im für uns Menschen sichtbaren Bereich des Lichts. Deshalb färben manche Substanzen eine Brennerflamme (Flammenfärbung!), weil sie durch die Hitze der Flamme angeregt werden und bei der Rückkehr in den Grundzustand farbiges Licht aussenden. Bei anderen erfolgen diese Quantensprünge im für uns nicht direkt sichtbaren Spektrum. Aber selbst diese Sprünge kann man mit Hilfe von Spektrometern aufzeichnen; dadurch erhält man eben die Spektrallinien der Atome aller Elemente.
Tja, und Bohr konnte mit seinem Postulat nicht nur berechnen, wie groß der Radius der "erlaubten" Bahnen im Wasserstoffatom sind, sondern auch sämtliche Spektrallinien (Quantensprünge mit den dazu gehörenden Energiemengen). Mit Hilfe der Bohrschen Vorstellung gelang es sogar, Spektrallinien im Wasserstoff-Atom vorherzusagen, die bis dahin - wenn überhaupt - nur vage bekannt waren oder vermutet wurden.
So kam es, dass die Physiker Bohr wegen seines Postulats eben nicht einfach auslachten, sondern - im Gegenteil - zugestehen mussten, das an diesen "erlaubten" Bahnen irgendetwas Wahres dransein musste.
Die Sache hatte eigentlich nur eine Schönheitsfehler: sie galt nur für das Wasserstoffatom! - Schon bei Helium stimmten Bohrs Berechnungen nicht mehr mit den realen Spektrallinien überein. Man kann es auch anders sagen: In jedem Mehrelektronensystem versagt das Bohrsche Atommodell.

Später haben Bohr und Sommerfeld versucht, das Modell insofern zu stärken, dass sie nicht nur "erlaubte" Kreisbahnen, sondern auch "erlaubte Ellipsenbahnen zugrundelegten. Das verbesserte zwar die Ergebnisse der Berechnungen zum Teil erheblich, aber so schön exakt wie beim Wasserstoff wurde es nie mehr.

Nach diesem kleinen Ausflug in die Geschichte einiger Atommodelle, kannst du dir also für Bohrs Modell merken: Es erklärt alle Phänomene seiner Vorgänger (Dalton, Thomson, Rutherford) und lässt die genaue Berechnung des Wasserstoff-Spektrums zu. Aber es versagt bei allen Mehrelektronensystemen (also bei allen Atomen anderer Elemente).

Puh, ich habe jetzt Hunger. Es ist irgendwie viel länger geworden als geplant. Ich hoffe, du kannst trotzdem etwas damit anfangen...

LG von der Waterkant.

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Erstmal muss man sich vor Augen halten, das Atome einfach viel zu klein sind, um sie "Sehen" zu können.

Allerdings hat man duch Versuche und Beobachtung festgestellt, dass es wohl so sein muss, damit man sich bestimmte Reaktionen und Verhaltensweisen erklären kann.

Das erste Modell stammt von Dalton. Da geht se drum, das elelemente aus Atomen bestehen die man nicht weiter spalten kann.

Später kam Rutherford, der Entdecke das Atome aus einer grossen Leeren hülle bestehen und einem Kern.

Danach kam niels bohr. Nach ihm besteht ein Element aus einem Atomkern und elektronen die auf verschiedenn Bahnen umkreisen.

Später wurde das Atommodell noch entsprechend verfeinert und verbessert. z.b. gibt es da noch "Quarcks" und andere Dinge.

Aber sag deinem Klassenlehrer das sowas stoff der 13. Klasse ist. Und das für Klassen 5-10 das borsche Modell volkommen ausreichend ist.

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