Das Bohrsche Atommodell beschreibt den Aufbau eines Atoms. Hier und im Video erklären wir dir, was das Atommodell von Niels Bohr genau aussagt und welche Schwächen es aufweist.
Das Bohrsche Atommodell ist ein Modell, das erklärt, wie ein Atom aufgebaut ist. Es beschreibt, dass die Elektronen den Atomkern auf sogenannten Kreisbahnen umkreisen. Dabei haben die Kreisbahnen einen festen Radius und sind damit nicht beliebig. Die Elektronen ’stürzen‘ deshalb auch nicht in den Atomkern.
Das Bohrsche Atommodell ist damit eine Weiterentwicklung der Beobachtungen des Rutherfordschen Atommodells . Das besagt nämlich, das Atome aus einem Atomkern und einer Atomhülle bestehen.
Der Physiker Niels Bohr erweiterte dieses Kern-Hülle-Modell 1913 durch Quantenvorstellungen, also modernen physikalischen Theorien. Dabei stellte er drei Postulate auf, die den Aufbau eines Atoms erklären sollen.
Das Atommodell von Niels Bohr besagt, dass die Elektronen den Atomkern auf Kreisbahnen umrunden. Mit dem Modell konnten auch Eigenschaften von chemischen Elementen erklärt werden, etwa wie die Flammenfärbung verschiedener Atome.
Hier haben wir die wichtigsten Aussagen des Atommodells von Bohr zusammengetragen:
Das Atommodell von Bohr basiert auf den Erkenntnissen, die andere Wissenschaftler zuvor gesammelt haben. Insbesondere der Streuversuch von Ernest Rutherford stellte eine wichtige Grundlage dar. Er funktionierte so:
Durchführung
Beim Rutherford Streuversuch wurde ein Alphastrahl (positiv geladene Teilchen) auf eine Goldfolie gelenkt. Dabei konnte beobachtet werden, ob die Alphateilchen die Goldfolie passieren, abgelenkt oder zurückgeworfen (reflektiert) werden.
Beobachtung
Die meisten Alphateilchen durchdrangen die Folie ohne Ablenkung. Einige wenige wurden seitlich abgelenkt und ganz selten wurden Alphateilchen zurückgeworfen.
Auswertung
Dies führte Rutherford zur der Erkenntnis, dass die Atome aus einem ’schweren‘ Atomkern und der beinahe masselosen Atomhülle bestehen müssen. Atome sind demnach größtenteils ‘leer’. Sie sind also in der Lage, die Goldfolie zu durchdringen. Allerdings muss der Atomkern positiv geladen sein, da ein paar positive Teilchen an den Atomen der Goldfolie ‘abprallen’. Sie werden wieder zurückgeworfen, da gleiche Ladungen sich gegenseitig abstoßen.
Allerdings weist das Rutherfordsche Atommodell auch Lücken auf:
Mehr über den Rutherford Streuversuch bekommst du im extra Video dazu.
Niels Bohr erweiterte das Modell von Rutherford um Quantenvorstellungen. Denn er erkannte, dass sich die Elektronen nicht willkürlich um den positiv geladenen Atomkern bewegen, sondern auf bestimmten Kreisbahnen kreisen.
Die Abstände zwischen den Kreisbahnen definierte Bohr durch Energieniveaus. Nach den Gesetzen der Elektrodynamik, einem Teilgebiet der Physik, sendet (emittiert) eine beschleunigte Ladung elektromagnetische Strahlung aus. Ein Elektron müsste also in kürzester Zeit auf Spiralbahnen in den Atomkern stürzen, da es ständig Energie abgibt.
Bohr postulierte daher, dass Elektronen auf den Kreisbahnen nicht strahlen. Sie geben nur Strahlung ab (Emission) oder nehmen welche auf (Absorption), wenn sie von einem Energieniveau zum anderen wechseln.
Schon gewusst? Unter einem Postulat verstehst du eine grundlegende Annahme, die noch nicht bewiesen wurde, beziehungsweise noch nicht bewiesen werden kann.
Das Schalenmodell baut einerseits auf dem Bohrschen Atommodell auf, andererseits enthält es Elemente aus dem Orbitalmodell. Vor allem in der Schule hat das Modell eine große Bedeutung.
Die wichtigsten Aussagen im Schalenmodell sind:
Wie das Schalenmodell aufgebaut ist und was die Unterschiede zum Atommodell nach Bohr sind, erklären wir dir im extra Video dazu!
Um die diskreten (ganzzahligen), stabilen Bahnen beschreiben zu können, stellte Bohr Postulate auf. Sein Ziel war es, mit seinem Bohrschen Atommodell möglichst nah an die Realität des Atomaufbaus zu gelangen.
Besonders für das Wasserstoffatom ist ihm das gelungen.
Elektronen bewegen sich auf stabilen Kreisbahnen um den Atomkern. Auf den Bahnen (Schalen) erzeugt ein Elektron keine elektromagnetische Strahlung. Die Energie eines Elektrons im Atommodell kann deshalb nur diskrete (ganzzahlige) Werte annehmen.
Die Elektronenbewegung auf den Kreisbahnen erfolgt strahlungsfrei. Das Elektron kann aber zwischen den Energieniveaus springen. Bei so einem Quantensprung wird elektromagnetische Strahlung abgegeben oder aufgenommen. Die Frequenz der Strahlung hängt mit der Energiedifferenz zwischen dem Ausgangs- und Endzustand zusammen.
Die Frequenz der abgegebenen oder aufgenommenen Strahlung nähert sich der Drehzahl des Elektrons an. Dies gilt nur, wenn sich das Elektron im Anfangszustand sehr langsam bewegt und daraufhin in den energetisch nächstgelegenen Zustand springt.
Anmerkung: Bohr selbst ging nur bei den ersten beiden Annahmen von einem Postulat aus.
Das Atommodell Bohr beinhaltet wichtige Aussagen zur Vorstellung, wie Atome aufgebaut sind. Auch heute sind einige davon noch von großer Bedeutung.
Das Atommodell von Bohr weist aber auch einige Schwächen auf. Manche davon waren bereits bei der Entstehung des Modells bekannt. Andere wurden später mit dem fortschreitenden Wissen über den Aufbau der Atome entdeckt.
Mit den ersten beiden Postulaten widerspricht Bohr den Gesetzen der klassischen Mechanik und Elektrodynamik.
Mit Hilfe der Postulate gelingt es Bohr, durch neue Formeln einen Zusammenhang zwischen der Elektronenbewegung und der emittierten Strahlung herzustellen. Schauen wir uns das einmal genauer an:
Mit dem dritten Postulat verbindet Bohr die klassische Physik mit der neuen Quantenphysik. Nach seinen Berechnungen resultiert aus dem dritten Postulat ein Zusammenhang zwischen dem Bahndrehimpuls und dem reduzierten Planckschen Wirkungsquantum
.
Die Bahnen müssen folgende Bedingung erfüllen:
Durch Umformung der Quantenbedingung stellte Bohr einen Zusammenhang zwischen dem Umfang einer Bohrschen Bahn und der de-Broglie-Wellenlänge
des Elektrons auf der Kreisbahn her.
⇒ Die Umlaufbahn ist damit ein ganzzahliges Vielfaches der de-Broglie-Wellenlänge.
Das Elektron wird im Bohrschen Atommodell als Punktmasse definiert. Sie wird durch die elektrostatische Kraft des Kerns angezogen und auf der Kreisbahn gehalten — positive Protonen und negative Elektronen ziehen sich nämlich an.
Für die Kraft schreibst du:
Da der Bahndrehimpuls gequantelt ist, kannst du sagen: . Setzt du nun den Ausdruck für die Geschwindigkeit in obige Gleichung, erhältst du für den Radius:
Den kleinsten Radius bezeichnest du auch als Bohrscher Atomradius:
Die Gesamtenergie des Elektrons setzt sich aus seiner potentiellen und seiner kinetischen Energie zusammen:
Für die Rydberg-Energie gilt:
Ein Elektron in einem Wasserstoffatom kann also die Energiewerte annehmen. Die ganze Zahl
ist dabei seine momentane Bahn.
Die Energiedifferenzen zwischen zwei Zuständen lassen sich wie folgt berechnen:
Der unmittelbare Nachfolger des Bohrschen Atommodells war das Bohr-Sommerfeldsche Atommodell.
Mit fortschreitenden Kenntnissen in der Quantenmechanik wurde allerdings auch das Sommerfeldsche Modell verworfen.
Das heute aktuellste Modell zur Beschreibung der Atome ist das Orbitalmodell. Wie es aufgebaut ist, erklären wir dir im nächsten Video!
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