Chemie Grundlagen

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Physikalische Chemie

Atommodell

In diesem Beitrag erklären wir dir, was ein Atommodell ist und welche verschiedenen Arten davon existieren.

Du willst den Inhalt dieses Beitrags in kürzester Zeit verstehen? Dann schau dir doch gerne unser Video  zum Thema an.

Inhaltsübersicht

Atommodell einfach erklärt

Ein Atommodell ist eine Vorstellung über den Aufbau und die Form von Atomen. Besonders die Struktur der Atomhülle wird durch ein Atommodell genau definiert.

Im Laufe der Zeit veränderte sich die Vorstellung des Atomaufbaus ständig. Die historisch wohl wichtigsten Atommodelle waren das sogenannten Bohr Atommodell und das Rutherford Atommodell.

Während diese älteren Atommodelle noch bildlich vorstellbar waren, kannst du heutige Modelle nur noch durch mathematische Formeln beschreiben.

Atommodelle

Das Verständnis des Aufbaus von Atomen veränderte sich im Laufe der Zeit kontinuierlich. Dabei wurden zahlreiche Modellvorstellungen verworfen oder zielgerichtet erweitert.

In der folgenden Tabelle haben wir dir die wichtigsten Atommodelle in chronologischer Reihenfolge dargestellt. Diese werden wir im weiteren Verlauf näher betrachten.

Atommodell Jahr
Demokrit Atommodell ca. 400 v. Chr.
Dalton Atommodell 1803
Thomson Atommodell 1903
Dynamidenmodell 1903
Rutherford Atommodell 1911
Bohr Atommodell 1913
Bohr-Sommerfeld Atommodell 1916
Thomas-Fermi-Modell 1927
Orbitalmodell/Quantenmechanisches Atommodell 1928
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Demokrit Atommodell

Das sogenannte Demokrit Atommodell ist wohl die grundlegendste Vorstellung des Aufbaus von Atomen. Es wurde von dem griechischen Philosophen Demokrit und seinem Lehrer Leukip entwickelt.

Nach ihrer Vorstellung muss jeder Stoff aus Teilchen bestehen, die sich nicht teilen lassen. Sie definierten die Atome deshalb als die „kleinsten, unteilbaren Einheiten„. Im Griechischen bedeutet sogar der Begriff „Atomos“ so viel wie „das Unteilbare„. Zu dieser Zeit war es ihnen jedoch nicht möglich, ihre Thesen durch Experimente zu unterstützen.

Dalton Atommodell

Das Dalton Atommodell%Verweis, auch Kugelteilchenmodell oder Kugelmodell genannt, erweitert das Grundmodell von Demokrit.

Seine Vorstellung sah auch das Atom als die kleinste Einheit aller Materie. Jedoch definierte er, im Unterschied zu Demokrit, dass sich die Atome unterschiedlicher Elemente in ihrer Masse und ihre Volumen unterscheiden.

Dalton, Atommodell
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Dalton Atommodell

Seine grundsätzliche Vorstellung eines Atommodells fasste er in vier Kernaussagen zusammen:

  1. Jeder Stoff besteht aus kleinsten, nicht weiter teilbaren kugelförmigen Teilchen, den Atomen.
  2. Alle Atome eines Elements haben das gleiche Volumen und die gleiche Masse. Die Atome unterschiedlicher Elemente unterscheiden sich in ihrem Volumen und in ihrer Masse.
  3. Atome sind unzerstörbar. Sie können durch chemische Vorgänge weder vernichtet noch erzeugt werden.
  4. Bei chemischen Reaktionen werden die Atome der Ausgangsstoffe neu angeordnet und in bestimmten Anzahlverhältnissen miteinander verknüpft

Thomson Atommodell

Du kannst das Thomsom Atommodell (thomsonsche Atommodell) auch als Rosinenkuchenmodell oder Plumpudding-Modell bezeichnen. Es entsprang den Experimenten des britischen Physikers John Joseph Thomson. Dieser stellte bei seinen Untersuchungen einer Glühkathode fest, dass die austretende Strahlung aus einem ganzen negativen Teilchenstrom besteht. Diese negativen Teilchen sind uns heute als Elektronen bekannt. Sie haben eine etwa 2000 Mal kleinere Masse als das leichteste Atom (Wasserstoff).

Daraus schloss er, dass Atome nicht die kleinsten Einheiten und ebenso nicht unteilbar sein können.
Diese negativen Elektronen seien in den positiv geladenen Atomkern eingebettet. Die Elektronen liegen also wie „Rosinen in einem Kuchen“ (Rosinenkuchenmodell).
Da die Atome nach außen hin neutral seien, muss das Atom genauso viele negative wie positive Ladungen enthalten. Die Atome können jedoch Elektronen aufnehmen oder abgeben und so Ionen bilden. Bei einer Elektronenabgabe entstehen positive Ionen, bei einer -abgabe negative.

Thomson, Atommodell, Rosinenkuchenmodell
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Thomson Atommodell (Rosinenkuchenmodell)

In späteren Experimenten mit Röntgenstrahlen fand Thomson heraus, dass in einem Atom eine deutlich geringere Anzahl an Elektronen vorhanden sein muss, als von ihm angenommen. So konnte die Elektronenanzahl in etwa nur der Masseanzahl eines Atoms entsprechen.

Dynamidenmodell 

Das Dynamidenmodell ist ein eher unbekanntes Atommodell vom Physiker Philipp Lenard. Er erkannte bei seinen Experimenten mit Elektronenstrahlung, dass die Abschwächung des Strahls linear von der Masse abhängt, die die Elektronen durchfliegen.

Daraus schloss er, dass Atom aus gleichen Bausteinen mit gleicher Masse und der gleichen Fähigkeit, Elektronen zu absorbieren, ausgestattet sind. Diese Bausteine nannte der Dynamiden.

Das Dynamidenmodell hatte jedoch einige Limitierungen. Es konnte nicht erklären, warum Elektronen aus Materie gelöst werden können. Außerdem konnte es nicht die Energien bestimmen, die dabei auftreten.

Rutherford Atommodell

Der neuseeländische Physiker Ernest Rutherford führte im Jahr 1911 das sogenannte Rutherford Atommodell ein. Dabei entwickelte er den heute noch sehr bekannten rutherfordschen Streuversuch.

Nach dem Thomson Atommodell war die Theorie, dass ein Atom aus einer homogenen positiven Masse besteht, in welcher die Elektronen gleichmäßig verteilt seien. Ein Stoff hätte dann aus dicht zusammengepackten „Atomkugeln“ bestanden.

Rutherford entwickelte einen Versuch, bei dem ein Alphastrahl auf eine Goldfolie gelenkt und die Reflexion der Alphateilchen beobachtet wird. Dabei stellte er fest, dass die meisten Alphateilchen die Folie durchdringen und nur wenige reflektiert werden.

Schau dir gerne unseren Beitrag zum rutherfordschen Streuversuch an, um mehr über ihn und das grundsätzliche Atommodell zu erfahren.

Er schloss daraus, dass sich der Großteil der Masse und die positive Ladung im Inneren des Atoms befinden müssen. An diesem Teil können die Alpha-Teilchen abprallen. Diesen Teil bezeichnete er als Atomkern.

Da aber die meisten Teilchen ungehindert hindurchdringen konnten, stellte Rutherford fest, dass das meiste Volumen eines Atoms von einer negativ geladenen Hülle eingenommen werden musste. Diese negative Ladung entsteht durch Elektronen, die um den Atomkern kreisen.

Rutherford, Atommodell
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Rutherford Atommodell

Bohrsches Atommodell

Das Bohrsche Atommodell ist eines der wichtigsten Atommodelle. Es enthält als erstes Modell Elemente der Quantenmechanik.

Das Bohrsche Atommodell ist eine Weiterentwicklung der Beobachtungen des Rutherfordschen Atommodells%Videoverweis. Nach ihm umkreisen Elektronen den positiven Atomkern auf sogenannten Kreisbahnen. Diese Kreisbahnen haben einen festen Radius und sind damit nicht beliebig. Die Elektronen stürzen deshalb auch nicht in den Atomkern.

Im Jahr 1916 wurde das Atommodell von Bohr durch den Physiker Arnold Sommerfeld erweitert (Sommerfeld Erweiterung).

Bohrsches Atommodell, Bohr
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Bohrsches Atommodell

Thomas-Fermi-Modell

Das Thomas-Fermi-Modell wurde 1927 von Llewellyn Thomas und Enrico Fermi vorgeschlagen. Es beruht darauf, dass die Elektronenhülle wie ein Gas aus Elektronen behandelt wird.

Die Elektronen sind in einem sogenannten Potentialtopf gebunden. Einen Potentialtopf kannst du dir als eine Verteilung potentieller Energie vorstellen. Diese kann dabei nicht in andere Energieformen umgewandelt werden.

Die Elektronendichte stellt sich dabei so ein, dass an jedem Ort die im Gleichgewicht maximal vorkommende Elektronenenergie (= Fermi Energie ) konstant ist.

Orbitalmodell

Das Orbitalmodell stellt bis heute die genaueste Beschreibung der Elektronenbahnen um den Atomkern dar. Es beruht auf den Erkenntnissen von Erwin Schrödinger und Werner Heisenberg in der Quantenmechanik. Wegen dieser Eigenschaften kannst du es auch als quantenmechanisches Atommodell bezeichnen.

Im Gegensatz zum bohrschen Atommodell oder zum Rosinenkuchenmodell bewegen sich Elektronen in Wirklichkeit nicht auf festen Kreisen um den Atomkern. Sie bewegen sich in dreidimensionalen Räumen, die um den Kern herum angeordnet sind.

Diese sogenannten Orbitale geben den Raum an, in dem sich ein Elektron wahrscheinlich aufhält.

Orbitalmodell, Orbital, Orbitale
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Orbitalmodell

Weitere Modelle

Um ein Atom grundsätzlich und einfach darzustellen, existieren heutzutage einige vereinfachte Atommodelle. Diese gehen setzen weniger quantenmechanische Zusammenhänge voraus, sind aber dadurch ungenauer als das Orbitalmodell.

Schalenmodell

Das Schalenmodell ist eine Erweiterung des bohrschen Atommodells und eine Vereinfachung des Orbitalmodells.

Bei ihm bewegen sich die Elektronen in kreisförmigen Schalen um den Atomkern. Der Kern des Atoms stellt gleichzeitig auch den Mittelpunkt aller Schalen dar. Die Elektronen des Atoms bewegen sich somit nicht beliebig in der Elektronenhülle.

Für sie kann eine Aufenthaltswahrscheinlichkeit auf den unterschiedlichen Schalen berechnet werden. Dafür wird eine Wahrscheinlichkeitsfunktion benötigt, die aus einer Lösung der Schrödinger Gleichung errechnet werden kann.

Der Unterschied zum Orbitalmodell besteht darin, dass die Wahrscheinlichkeitsfunktion über Schalen anstatt von Aufenthaltsräumen gebildet wird.

Schalenmodell
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Schalenmodell

Kugelwolkenmodell

Das Kugelwolkenmodell ist eine Erweiterung des Schalenmodells in Richtung des Orbitalmodells. Es wird dabei sehr häufig in der Schule verwendet.

Beim Kugelwolkenmodell besteht das Atom aus Elektronenschalen, die um den Atomkern angeordnet sind. In jeder Schale befinden sich wegen des Pauli Prinzips  maximal zwei Elektronen in einer kugeligen Elektronenwolke (Kugelwolke). Diese Wolke kannst du dir als den Aufenthaltsraum der Elektronen vorstellen.

Die erste Schale (K-Schale) enthält 1 Kugelwolke, d.h. maximal 2 Elektronen.
Die zweite Schale (L-Schale) enthält 4 Kugelwolken, d.h. maximal 8 Elektronen.
Die dritte Schale (M-Schale) enthält 9 Kugelwolken, d.h. maximal 18 Elektronen.
Die vierte Schale (N-Schale) enthält 16 Kugelwolken, d.h. maximal 32 Elektronen.

Grundsätzlich kannst du die Anzahl der Elektronen in der n-ten Schale durch folgende Formel berechnen:

2 \cdot n^2

Kugelwolkenmodell
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Kugelwolkenmodell

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