Die Erde umrundet auf einer elliptischen (ovalen) Bahn die Sonne. Als Galileo Galilei seine Entdeckung im Jahr 1615 bekannt gab, wollte ihm noch keiner so recht glauben. Manch einer wird wohl gedacht haben: "Wie bitte? Die Erde ist also nicht der Mittelpunkt des Weltraums?" Doch Galilei bewies Mut und hielt an seinen Forschungsergebnissen fest. Über 400 Jahre später halten nur noch kleine Internetgemeinschaften an alternativen Weltanschauungen fest.
Was das mit dem Bohrschen Atommodell zu tun hat?
Nun, Galileo Galilei und Niels Bohr teilten eine wichtige Eigenschaft: Beide brachten den Mut auf, allgemeine Weltansichten zu hinterfragen. Sie stellten neue Modelle auf, mit denen der Mensch die Welt ein kleines bisschen besser verstehen konnte. Außerdem erinnern die Planetenbahnen unseres Sonnensystems an das Bohrsche Atommodell und seine Weiterentwicklungen. Bereit, diese Gemeinsamkeiten aufzudecken?
Bohrsches Atommodell einfach erklärt
Das Bohrsche Atommodell wurde im Jahr 1913 von Niels Bohr entworfen und soll dabei helfen, den Atomaufbau besser zu verstehen.
Nach dem Bohrschen Atommodell umkreisen die negativ geladenen Elektronen in bestimmten Abständen den positiv geladenen Atomkern. Die Abstände dieser Kreisbahnen verändern sich nicht, allerdings können die Elektronen von einer Bahn in die andere hüpfen. Das geschieht unter Aufnahme oder Abgabe von Energiepaketen (Quanten), da die Kreisbahnen für unterschiedlich hohe Energiestufen (diskrete Energieniveaus) stehen.
Als Quanten werden Energiepakete mit einer charakteristischen Energiemenge bezeichnet. Die zur Verfügung stehende Energie muss also einen bestimmten Wert haben, damit ein Elektron sie aufnehmen (oder abgeben) und in eine andere Kreisbahn hüpfen kann. Wenn Du mehr zum Thema Quanten lernen willst, schau Dir die Erklärung Quantenmechanik aus der Physik an.
In Abbildung 1 siehst Du, wie Bohr sich den Atomaufbau vorgestellt hat.
Abbildung 1: Bohrsches Atommodell.
Wie Du erkennst, besteht ein Atom nach dem Bohrschen Atommodell aus einem positiv geladenen Atomkern und aus Elektronen, die sich auf Kreisbahnen mit einem bestimmten Radius befinden. Diese Kreisbahnen werden auch als diskrete Energieniveaus bezeichnet, was bedeutet, dass sie eine bestimmte Energie haben, die sich nicht verändert.
Heute werden die Energieniveaus auch als Schalen bezeichnet, denen mit der Hauptquantenzahl n eine Zahl zugewiesen wird. Demnach hat die Schale mit der geringsten Energie die Hauptquantenzahl n = 1, die darauffolgende n = 2 und so weiter. Wenn Du mehr zum Thema Quantenzahlen lernen willst, schau Dir doch gern die Erklärung zur Elektronenkonfiguration an.
Grundlage bietet das Rutherford Atommodell
Die Grundlage des Bohrschen Atommodells bietet das Rutherford Atommodell, das zwei Jahre zuvor veröffentlicht wurde. Durch neue Berechnungen und das Einbeziehen der Quantenmechanik, konnte Niels Bohr den Atomaufbau genauer erklären. Damit ist das Bohrsche Atommodell das erste Atommodell, das die Quantenmechanik berücksichtigt.
Wie Du in Abbildung 2 erkennen kannst, verwendete Rutherford zwar den positiv geladenen Atomkern in seinem Modell, allerdings hatte er noch keine Kenntnis über die Elektronenbahnen.
Abbildung 2: Das Rutherfordsche Atommodell.
Wenn Du mehr zum Rutherford Atommodell lernen willst, schau Dir gern mal die Erklärung dazu an.
Bereits Rutherford entdeckte die Einteilung des Atoms in Atomkern und Atomhülle. Dieses Kern-Hülle-Modell führte Bohr mit seiner Forschung fort und fand Erklärungen für Phänomene, die Rutherford mit seinem Atommodell nicht finden konnte.
Bohrsches Atommodell – Kernaussagen
Für sein Atommodell hat Bohr die Einsichten der Quantenmechanik mit den Entdeckungen von Rutherford kombiniert. Demnach beschreibt das Bohrsche Atommodell, dass sich die Elektronen eines Atoms auf Kreisbahnen um den Atomkern bewegen. Davor wussten die Wissenschaftler*innen lediglich, dass sich die Elektronen außerhalb des Atomkerns befinden, aber über ihren Ort und ihre Bewegung konnten sie keine Aussagen treffen.
Zum Beispiel können über das Bohrsche Atommodell die Emissionen und Absorptionen von Energiequanten erklärt werden. In Abbildung 3 siehst Du, dass Elektronen unter Aufnahme oder Abgabe der Energie eines Photons von einem Energieniveau ins andere wechseln können.
Abbildung 3: Energieniveauwechsel bei Elektronen.
Bei einer Emission wechselt ein Elektron von einer höherliegenden in eine tieferliegende Kreisbahn, sodass Energie in Form eines Photons frei wird. Bei der Absorption wird unter Aufnahme von Energie ein Elektron in eine höhere Schale untergebracht. Das kann zum Beispiel über die Aufnahme der Energie eines Photons entsprechender Energie erfolgen.
Photon ist der Fachbegriff für Lichtquanten. Das sind elektromagnetische Teilchen, die eine Form der Strahlung darstellen. UV-Strahlen und das sichtbare Licht sind zwei Beispiele für Energieformen, die in Form von Photonen übertragen werden. Wenn Du mehr zu diesem Thema lernen willst, lies Dich gern mal in die Erklärung Quantenobjekt Photon ein.
Bohrsches Atommodell – Formel
Bohr stellte für die Beschreibung der Kreisbahnen sogenannte Postulate auf. Bei Postulaten handelt es sich um Annahmen, die zum Zeitpunkt der Veröffentlichung nicht bewiesen werden konnten. Die ersten beiden Postulate von Bohr widersprechen sogar den Gesetzen der Elektrodynamik.
Die Elektrodynamik ist ein Teilgebiet der Physik, das sich unter anderem mit den Bewegungen von elektrisch geladenen Objekten beschäftigt.
1. Postulat: Diskrete Energiestufe
Das erste Postulat besagt, dass sich die Elektronen auf stabilen Kreisbahnen um den Atomkern herum bewegen. Genauer gesagt, handelt es sich bei diesen Kreisbahnen um diskrete Energieniveaus. Beim Umkreisen des Atomkerns erzeugen Elektronen außerdem keine elektromagnetische Strahlung. Das heißt, sie geben keine Energie ab und verändern somit den Abstand zum Atomkern nicht beliebig.
2. Postulat: Bohrsche Frequenzbedingung
Bei der Elektronenbewegung entlang der Kreisbahn wird keine elektromagnetische Strahlung erzeugt. Allerdings kann ein Elektron zwischen den Energieniveaus springen. Dieser Vorgang wird als Quantensprung bezeichnet und kann unter Aufnahme oder Abgabe von elektromagnetischer Strahlung erfolgen. Die Frequenz dieser Strahlung lässt sich mithilfe der Energiedifferenz zwischen zwei Kreisbahnen berechnen.
Für die Energiedifferenz ΔE zwischen den Energieniveaus gilt:
Hier stehen h für das Plancksche Wirkungsquantum und f für die Frequenz.
3. Postulat: Quantenbedingung
Die Frequenz der Strahlung, die aufgenommen oder abgegeben wurde, nähert sich der Drehzahl des Elektrons an. Diese Annahme gilt allerdings nur, wenn die Elektronenbewegung zu Beginn sehr langsam ist und das Elektron auf ein energetisch nächstgelegenes Energieniveau springt.
Oft wird von insgesamt drei Postulaten gesprochen, jedoch formulierte Bohr damals lediglich die ersten beiden Annahmen als Postulate.
Bohrsches Atommodell – Schwächen und Erweiterungen
Das Bohrsche Atommodell wurde im Laufe der Zeit durch neuere Theorien ergänzt. Auch heute hilft es Wissenschaftler:innen und neugierigen Schüler:innen die atomare Welt besser zu verstehen. Allerdings stehen vor allem die Postulate des Bohrschen Atommodells in der Kritik, da sie einfache Annahmen ohne wissenschaftliche Nachweise sind. Zudem widersprechen sie der klassischen Elektrodynamik.
Einige weitere Kritikpunkte des Bohrschen Atommodells sind:
- Neue wissenschaftliche Erkenntnisse besagen, dass die kreisförmige Elektronenbewegung nicht der Wirklichkeit entspricht.
- Laut dem Bohrschen Atommodell müsste das Wasserstoffatom einer Scheibe ähneln. Im Grundzustand ist Wasserstoff allerdings kugelförmig, wie die Forschung zeigt.
- Mit dem Bohrschen Atommodell lassen sich keine Aussagen zum Emissions- und Absorptionsverhalten von Atomen mit mehr als einem Elektron treffen. Das bedeutet, das Modell ist nur für Wasserstoff und Ionen mit einem Elektron gültig. Für Mehrelektronensysteme ist es ungeeignet.
Trotz all der Schwächen lieferte das Bohrsche Atommodell einen wichtigen Beitrag zur Grundvorstellung der nachfolgenden Atommodelle.
Bohrsches Atommodell – Schalenmodell
Das sogenannte Schalenmodell baut auf dem Bohrschen Atommodell auf und übernimmt zusätzlich Elemente vom modernen Orbitalmodell.
Wenn Du mehr zum Orbitalmodell lesen willst, schau Dir gern die Erklärung zu diesem Thema an.
Beim Schalenmodell wird angenommen, dass sich die Elektronen nicht auf Kreisbahnen befinden, sondern auf kugelförmigen Schalen um den Atomkern kreisen. Weil sie außerdem eine der moderneren Theorien ist, setzt sich nach diesem Atommodell der Kern aus Protonen und Neutronen zusammen. Zu Zeiten Bohrs war die Zusammensetzung des Atomkerns noch unbekannt.
Bohrsches Atommodell – Schalen
Die Schalen können eine unterschiedlich hohe Anzahl e an Elektronen aufnehmen, die sich mit der Formel \(e = 2 \cdot n^{2}\) berechnen lässt. Für n wird hier die Hauptquantenzahl der jeweiligen Schale eingesetzt.
- K-Schale (\(n = 1\)) \(\rightarrow\) 2 Elektronen
- L-Schale (\(n = 2\)) \(\rightarrow\) 8 Elektronen
- M-Schale (\(n = 3\)) \(\rightarrow\) 18 Elektronen
- N-Schale (\(n = 4\)) \(\rightarrow\) 32 Elektronen
Die Verteilung der Elektronen rund um den Atomkern lässt sich für die verschiedenen Elemente aus dem Periodensystem ablesen. Dafür schaust Du Dir die Zahl links oben an – die sogenannte Ordnungs- oder Kernladungszahl. Sie gibt an, wie viele Protonen im Atomkern eines Atoms vorhanden sind. Da Elemente neutral sind, gibt Dir die Ordnungszahl auch die Anzahl der Elektronen an.
Vielleicht ist Dir jetzt auch schon aufgefallen, dass jede neue Periode des Periodensystems einer neuen Schale entspricht.
Schau Dir nun Magnesium als Beispiel an. Im Periodensystem siehst Du, dass die Zahl links oben eine 12 ist. Das bedeutet, um den Atomkern des Elements Magnesium befinden sich zwölf Elektronen:
- K-Schale: 2 Elektronen (voll besetzt)
- L-Schale: 8 Elektronen (voll besetzt)
- M-Schale: 2 Elektronen (noch 16 Plätze übrig)
Da die M-Schale in diesem Fall mit zwei Elektronen noch nicht voll besetzt ist, wird sie auch als nicht gesättigt bezeichnet. Die Elektronen auf der äußeren Schale heißen auch Valenzelektronen, da sie sich an den Bindungen ("Valenzen") zwischen Atomen beteiligen können. In der Chemie schaust Du Dir meistens Reaktionen an, an denen diese äußeren Valenzelektronen beteiligt sind.
Bohrsches Atommodell – weitere Nachfolger
Arnold Sommerfeld hat das Bohrsche Atommodell zwischen 1915 und 1916 um seine Erkenntnisse erweitert und das Bohr-Sommerfeld-Atommodell aufgestellt. Er fand unter anderem heraus, dass die Elektronen nicht auf Kreisbahnen um den Atomkern kreisen – es handele sich viel eher um elliptische Bahnen, wie Du sie vom Sonnensystem kennst.
Außerdem konnte der Forscher weitere Quantenzahlen berechnen und mit ihrer Hilfe das Periodensystem genauer erklären. Auch das Bohr-Sommerfeld-Atommodell wurde durch neuere Erkenntnisse der Quantenmechanik widerlegt. Das heute am weitesten verbreitete Atommodell ist das Orbitalmodell.
Bohrsches Atommodell – Das Wichtigste
- Nach dem Bohrschen Atommodell wird angenommen, dass Elektronen auf Kreisbahnen um den Atomkern kreisen.
- Die Grundlage für das Bohrsche Atommodell war das Rutherford Atommodell.
- Bohr stellte drei Postulate auf, die die damals noch jungen Erkenntnisse der Quantenmechanik mit den Entdeckungen Rutherfords verbinden.
- Elektronen können Energie in Paketen (Quanten) aufnehmen und wieder abgeben. Dazu wird Energie in Form von elektromagnetischer Strahlung absorbiert oder emittiert.
- Aus dem Bohrschen Atommodell hat sich unter Einfluss des Orbitalmodells das populäre Schalenmodell entwickelt.
Nachweise
- N. Bohr (1913). On the Constitution of Atoms and Molecules. Philosophical Magazine.
- N. Bohr (1923). Über die Anwendung der Quantentheorie auf den Atombau. Zeitschrift für Physik.
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