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Was ist Bohrs Atommodell?

Die Atomtheorie hat in den letzten paar tausend Jahren einen langen Weg zurückgelegt. Beginnend im 5. Jahrhundert v. Chr. mit Demokrit ' Theorie der unteilbaren „Korpuskel“, die mechanisch miteinander wechselwirken, dann im 18. Jahrhundert zu Daltons Atommodell überging und im 20 Wicklung.

Einer der wichtigsten Meilensteine ​​auf diesem Weg war wohl das Bohrsche Atommodell, das manchmal als Rutherford-Bohr-Atommodell bezeichnet wird. Dieses Modell wurde 1913 vom dänischen Physiker Niels Bohr vorgeschlagen und stellt das Atom als einen kleinen, positiv geladenen Kern dar, der von Elektronen umgeben ist, die sich auf kreisförmigen Bahnen (definiert durch ihre Energieniveaus) um das Zentrum bewegen.

Atomtheorie bis ins 19. Jahrhundert:

Die frühesten bekannten Beispiele der Atomtheorie stammen aus dem antiken Griechenland und Indien, wo Philosophen wie Demokrit postulierten, dass alle Materie aus winzigen, unteilbaren und unzerstörbaren Einheiten besteht. Der Begriff „Atom“ wurde im antiken Griechenland geprägt und führte zur Denkschule, die als „Atomismus“ bekannt ist. Diese Theorie war jedoch eher ein philosophisches als ein wissenschaftliches Konzept.

Verschiedene Atome und Moleküle, wie sie in John Daltons A New System of Chemical Philosophy (1808) dargestellt sind. Kredit: Gemeinfrei

Verschiedene Atome und Moleküle, wie sie in John Daltons A New System of Chemical Philosophy (1808) dargestellt sind. Kredit: Gemeinfrei



Erst im 19. Jahrhundert wurde die Atomtheorie als wissenschaftliches Thema artikuliert und die ersten evidenzbasierten Experimente durchgeführt. Zum Beispiel verwendete der englische Wissenschaftler John Dalton Anfang des 19. Jahrhunderts das Konzept des Atoms, um zu erklären, warum chemische Elemente auf bestimmte beobachtbare und vorhersagbare Weise reagierten. Durch eine Reihe von Experimenten mit Gasen entwickelte Dalton das so genannte Daltons Atomtheorie .

Diese Theorie erweiterte die Konversationsgesetze von Masse und bestimmten Proportionen und führte zu fünf Prämissen: Elemente bestehen in ihrem reinsten Zustand aus Teilchen, die Atome genannt werden; Atome eines bestimmten Elements sind bis auf das letzte Atom alle gleich; Atome verschiedener Elemente können durch ihr Atomgewicht unterschieden werden; Atome von Elementen vereinigen sich, um chemische Verbindungen zu bilden; Atome können in chemischen Reaktionen weder erzeugt noch zerstört werden, nur die Gruppierung ändert sich ständig.

Entdeckung des Elektrons:

Ende des 19. Jahrhunderts begannen Wissenschaftler auch zu theoretisieren, dass das Atom aus mehr als einer fundamentalen Einheit besteht. Die meisten Wissenschaftler wagten jedoch, dass diese Einheit die Größe des kleinsten bekannten Atoms hat – Wasserstoff. Bis zum Ende des 19. Jahrhunderts sollte sich dies dank Forschungen von Wissenschaftlern wie Sir Joseph John Thomson drastisch ändern.

Durch eine Reihe von Experimenten mit Kathodenstrahlröhren (bekannt als Gauner-Röhre ) beobachtete Thomson, dass Kathodenstrahlen durch elektrische und magnetische Felder abgelenkt werden können. Er kam zu dem Schluss, dass sie nicht aus Licht, sondern aus negativ geladenen Teilchen bestehen, die 1ooo mal kleiner und 1800 mal leichter als Wasserstoff sind.

Das von John Dalton vorgeschlagene Plum-Pudding-Modell des Atoms. Bildnachweis: britannica.com

Das von J.J. Thomson. Bildnachweis: britannica.com

Dies widerlegte effektiv die Vorstellung, dass das Wasserstoffatom die kleinste Einheit der Materie sei, und Thompson ging noch weiter und schlug vor, dass Atome teilbar seien. Um die Gesamtladung des Atoms, die sowohl aus positiven als auch aus negativen Ladungen besteht, zu erklären, schlug Thompson ein Modell vor, bei dem die negativ geladenen „Korpuskel“ in einem einheitlichen Meer positiver Ladung – bekannt als die Pflaumenpudding-Modell .



Diese Korpuskeln wurden später „Elektronen“ genannt, basierend auf dem theoretischen Teilchen, das 1874 vom anglo-irischen Physiker George Johnstone Stoney vorhergesagt wurde Pflaumenkuchen und Rosinen. Das Konzept wurde der Welt in der Ausgabe der britischen Ausgabe vom März 1904 vorgestellt Philosophisches Magazin ,zu breitem Beifall.

Das Rutherford-Modell:

Nachfolgende Experimente zeigten eine Reihe von wissenschaftlichen Problemen mit dem Plum Pudding-Modell. Zunächst stellte sich das Problem des Nachweises einer einheitlichen positiven Hintergrundladung des Atoms, das als „Thomson-Problem“ bekannt wurde. Fünf Jahre später wurde das Modell von Hans Geiger und Ernest Marsden widerlegt, die eine Reihe von Experimenten mit Alphateilchen und Goldfolie durchführten – aka. das ' Goldfolienexperiment . '

In diesem Experiment haben Geiger und Marsden das Streumuster der Alphateilchen mit einem Leuchtschirm gemessen. Wenn Thomsons Modell richtig wäre, würden die Alphateilchen die atomare Struktur der Folie ungehindert passieren. Sie stellten jedoch stattdessen fest, dass die meisten zwar direkt durchschossen, einige von ihnen jedoch in verschiedene Richtungen verstreut waren, während andere in Richtung der Quelle zurückgingen.

Bildnachweis: gloster.com

Schematische Darstellung des „Goldfolien-Experiments“ von Hans Geiger und Ernest Marsden. Bildnachweis: gloster.com

Geiger und Marsden kamen zu dem Schluss, dass die Partikel einer elektrostatischen Kraft ausgesetzt waren, die weitaus größer war als die von Thomsons Modell zulässt. Da Alphateilchen nur Heliumkerne sind (die positiv geladen sind), bedeutete dies, dass die positive Ladung im Atom nicht weit gestreut, sondern auf ein winziges Volumen konzentriert war. Die Tatsache, dass die Teilchen, die nicht abgelenkt wurden, ungehindert passierten, bedeutete außerdem, dass diese positiven Räume durch riesige Kluften des leeren Raums getrennt waren.

1911 interpretierte der Physiker Ernest Rutherford die Geiger-Marsden-Experimente und lehnte Thomsons Atommodell ab. Stattdessen schlug er ein Modell vor, bei dem das Atom größtenteils aus leerem Raum besteht, wobei seine gesamte positive Ladung in seinem Zentrum in einem sehr kleinen Volumen konzentriert ist, das von einer Elektronenwolke umgeben ist. Dies wurde als das bekannt Rutherford-Modell des Atoms.

Das Bohr-Modell:

Nachfolgende Experimente von Antonius Van den Broek und Niels Bohr verfeinerten das Modell weiter. Während Van den Broek vorschlug, dass die Ordnungszahl eines Elements seiner Kernladung sehr ähnlich ist, schlug letzterer ein Sonnensystem-ähnliches Modell des Atoms vor, bei dem ein Kern die Ordnungszahl der positiven Ladung enthält und von einer gleichen umgeben ist Anzahl der Elektronen in Orbitalschalen (auch bekannt als die Bohr-Modell ).

Darüber hinaus verfeinerte Bohrs Modell einige problematische Elemente des Rutherford-Modells. Dazu gehörten die Probleme der klassischen Mechanik, die voraussagte, dass Elektronen elektromagnetische Strahlung freisetzen würden, während sie einen Kern umkreisten. Wegen des Energieverlustes sollte sich das Elektron schnell nach innen drehen und in den Kern kollabieren. Kurz gesagt, dieses Atommodell implizierte, dass alle Atome instabil waren.

Diagramm eines Elektrons, das von einem höheren Orbital auf ein niedrigeres fällt und ein Photon emittiert. Bildquelle: Wikicommons

Diagramm eines Elektrons, das von einem höheren Orbital auf ein niedrigeres fällt und ein Photon emittiert. Bildquelle: Wikicommons

Das Modell sagte auch voraus, dass die Emission der Elektronen, wenn sich die Elektronen spiralförmig nach innen bewegen, schnell in der Frequenz zunehmen würde, wenn die Umlaufbahn kleiner und schneller wird. Experimente mit elektrischen Entladungen im späten 19. Jahrhundert zeigten jedoch, dass Atome elektromagnetische Energie nur bei bestimmten diskreten Frequenzen emittieren.

Bohr löste dies, indem er vorschlug, dass Elektronen den Kern auf eine Weise umkreisen, die mit Plancks Quantentheorie der Strahlung im Einklang steht. In diesem Modell können Elektronen nur bestimmte erlaubte Orbitale mit einer bestimmten Energie besetzen. Außerdem können sie nur Energie gewinnen und verlieren, indem sie von einer erlaubten Umlaufbahn in eine andere springen und dabei elektromagnetische Strahlung absorbieren oder emittieren.

Diese Bahnen waren mit bestimmten Energien verbunden, die er als bezeichneteEnergieschalenoderEnergieniveaus. Mit anderen Worten, die Energie eines Elektrons innerhalb eines Atoms ist nicht kontinuierlich, sondern „quantisiert“. Diese Ebenen werden daher mit der Quantenzahln(n=1, 2, 3 usw.), von dem er behauptete, dass er mithilfe der Ryberg-Formel – eine 1888 vom schwedischen Physiker Johannes Ryberg formulierte Regel zur Beschreibung der Wellenlängen der Spektrallinien vieler chemischer Elemente.

Einfluss des Bohr-Modells:

Während sich Bohrs Modell in mancher Hinsicht als bahnbrechend erwies – die Verschmelzung Rybergs Konstante und Plancksche Konstante (auch bekannt als Quantentheorie) mit dem Rutherford-Modell – es litt an einigen Fehlern, die spätere Experimente veranschaulichen sollten. Zunächst ging man davon aus, dass Elektronen sowohl einen bekannten Radius als auch eine bekannte Umlaufbahn haben, was Werner Heisenberg ein Jahrzehnt später mit seiner widerlegte Unschärferelation .

Darüber hinaus war Bohrs Modell zwar nützlich, um das Verhalten von Elektronen in Wasserstoffatomen vorherzusagen, aber nicht besonders nützlich, um die Spektren größerer Atome vorherzusagen. In diesen Fällen, in denen Atome mehrere Elektronen haben, stimmten die Energieniveaus nicht mit dem überein, was Bohr vorhergesagt hatte. Das Modell funktionierte auch nicht mit neutralen Heliumatomen.

Das Bohr-Modell konnte auch die Zeeman-Effekt , ein Phänomen, das 1902 vom niederländischen Physiker Pieter Zeeman festgestellt wurde, bei dem Spektrallinien in Gegenwart eines externen, statischen Magnetfelds in zwei oder mehr geteilt werden. Aus diesem Grund wurden mehrere Verfeinerungen des Bohrschen Atommodells versucht, die sich jedoch ebenfalls als problematisch erwiesen.

Dies würde am Ende dazu führen, dass Bohrs Modell von der Quantentheorie abgelöst wird – im Einklang mit den Arbeiten von Heisenberg und Erwin Schrödinger. Nichtsdestotrotz bleibt Bohrs Modell als Lehrmittel nützlich, um Studenten in modernere Theorien einzuführen – wie die Quantenmechanik und das Valenzschalen-Atommodell.

Es wäre auch ein wichtiger Meilenstein in der Entwicklung der Standardmodell der Teilchenphysik , ein Modell gekennzeichnet durch „ Elektronenwolken “, Elementarteilchen und Unsicherheit.

Wir haben hier bei Universe Today viele interessante Artikel über Atomtheorie geschrieben. Hier ist John Daltons Atommodell , Was ist das Pflaumenpudding-Modell? , Was ist das Elektronenwolkenmodell? , Wer war Demokrit? , und Was sind die Teile des Atoms?

Astronomy Cast hat auch einige Episoden zu diesem Thema: Folge 138: Quantenmechanik , Folge 139: Energieniveaus und Spektren, Folge 378: Rutherford und Atoms und Episode 392: Das Standardmodell – Intro .

Quellen: