Die Frage, wie unsere Welt aufgebaut ist, beschäftigt die Menschheit schon seit langer Zeit. Auf der Suche nach Antworten entstanden nach und nach viele verschiedene Modelle zum Atomaufbau. In diesem Artikel findest Du eine Übersicht über die wichtigsten Atommodelle, ihre Entdecker und deren Theorien.
Atommodelle – Erklärung, Übersicht und Liste
Ein Atommodell ist der Versuch, sich den Aufbau von Atomen vorzustellen. Zu den bekanntesten Modellen zählen die Atommodelle nach Demokrit, Dalton, Thomson, Rutherford sowie Bohr und schließlich das heutige quantenmechanische Modell.
Einen ersten Überblick über die Atommodelle erhältst Du hier:
| Atommodell | Zeit und Entdecker/ Hauptvertreter | Wichtigste Kernaussage/ Neuerung |
| Atommodell nach Demokrit | 5. Jhd. v. Chr.Demokritos von Abdera | Der kleinste, nicht weiter zerteilbare Baustein ist das Atom. |
| Atommodell nach Dalton | 1808John Dalton | Atome sind eine begrenzte Anzahl an Teilchen: die Elemente. |
| Atommodell nach Thomson | 1903J. J. Thomson | Atome können weiter unterteilt werden: in eine positive Ladungsmenge und kleine negative Teilchen (Elektronen). |
| Atommodell nach Rutherford | 1909–1911Ernest Rutherford | Ein Atom besteht aus einem sehr kleinen Atomkern und einer Atomhülle. |
| Atommodell nach Bohr | 1913Niels Bohr | Die Elektronen können nur auf bestimmten Bahnen um den Kern kreisen. |
| Orbitalmodell | 1928Erwin Schrödinger | Ein mathematisches Modell zu den Aufenthaltswahrscheinlichkeiten der Elektronen im Atom. |
| Kugelwolkenmodell | 1956George Elbert Kimbali | Eine Vereinfachung des Orbitalmodells mit kugelförmigen Wahrscheinlichkeitsräumen. |
Nachfolgend findest Du zu jedem Atommodell eine kurze Beschreibung und eine Skizze zur Veranschaulichung.
Wenn Du mehr Details zu einem Modell erfahren möchtest, kannst Du Dir die entsprechenden Artikel dazu durchlesen.
Das Atommodell nach Demokrit
Bereits im fünften Jahrhundert vor Christus vertraten der griechische Philosoph Demokrit und sein Lehrer Leukipp die Ansicht, es gäbe winzige Teilchen, aus denen unsere Welt aufgebaut ist. Sie nannten diese Teilchen Atome.
Das Atommodell nach Demokrit geht davon aus, dass Atome die kleinsten, nicht weiter zerteilbaren Bausteine der Materie sind.
Die Bezeichnung Atom leitet sich vom griechischen Wort atomos ab, was so viel wie "unteilbar" bedeutet.
Laut Demokrit können unendlich viele Atome existieren. Trotz unterschiedlicher Formen bestehen alle Atome seiner Ansicht nach aus derselben Ursubstanz.
Die Formen der Atome entsprechen dabei geometrischen Körpern, wie Du in der nachfolgenden Abbildung sehen kannst. Über chemische Bindungen wusste Demokrit nur, dass sich Atome auf irgendeine Weise verbinden können. Daher sind diese Verbindungen im Modell durch die kleinen Haken symbolisiert.
Atome waren nach Demokrits Atomtheorie schon immer vorhanden. Sie bewegten sich im Raum, schwere Atome weiter unten als leichte. Durch Zusammenstöße ist seiner Theorie nach unsere Welt entstanden. Die Bewegung und auch die Eigenschaften der Atome wurden nicht nach ihrer Ursache hinterfragt, denn Demokrit setzte Atome als ewig existent voraus.
Demokrits Modell der Atome wurde über einen sehr langen Zeitraum nicht infrage gestellt, erst Dalton stellte eine neue Atomtheorie auf.
Das Atommodell nach Dalton
Mehr als 2.000 Jahre vergingen, bis jemand das Modell von Demokrit weiterentwickelte. 1808 veröffentlichte John Dalton seine Hypothese zum Atombau, welche die Atome weiterhin als unteilbare, kleinste Bausteine der Materie behandelte. Neu war allerdings, dass er verschiedene Elemente mit einbezog.
Das Atommodell nach Dalton geht davon aus, dass Materie aus Atomen besteht. Diese können nicht weiter geteilt werden. Es gibt allerdings verschiedene Atome: die Elemente.
Ein Element unterscheidet sich von einem anderen hinsichtlich Form und Größe der Atome. Innerhalb eines Elements waren jedoch alle Atome gleich.
Bei chemischen Versuchen fiel immer wieder auf, dass es einige Stoffe gab, die sich leicht zerlegen ließen. Andere Stoffe hingegen entstanden immer wieder als Produkte dieser Zerlegungen. Sie ließen sich auch nicht durch weitere Versuche in kleinere Einheiten aufbrechen.
Daher stellte Dalton die Theorie auf, dass es einige bestimmte Atome geben muss, die wie Bausteine für andere Materie sind. Atome konnten also nicht in beliebig vielen Formen existieren, sondern es gab nur eine bestimmte Anzahl dieser Grundbausteine: die sogenannten Elemente.
Mehr dazu kannst Du im Artikel "Dalton Atommodell" nachlesen.
Materie setzt sich nach Daltons Theorie also aus einer Mischung der verschiedenen Elemente zusammen. Die einzelnen Elemente unterscheiden sich hinsichtlich ihrer Masse und ihres Volumens, während die Atome eines Elements alle gleich sind.
Auch heute noch sprechen wir von verschiedenen Elementen. Die Anzahl der Elemente ist begrenzt auf das Periodensystem:
Abbildung 2: Periodensystem der Elemente (PSE)Quelle: wikipedia.de
Stoffe, die aus mehreren Elementen zusammengesetzt sind, werden als Moleküle bezeichnet.
Wenn Du mehr zu diesem Thema erfahren möchtest, kannst Du Dich in den entsprechenden Artikel zum Periodensystem reinlesen.
Demnach konnte Dalton mit seinem Modell erklären, wieso bei chemischen Prozessen immer eine bestimmte Auswahl an Teilchen übrig blieb. Was Dalton jedoch nicht erklären konnte war, was genau bei diesen Prozessen passierte. Die Frage, wie die Elemente sich zu neuen Verbindungen vereinten, blieb zunächst ungeklärt.
Einige Aussagen des Dalton Modells stimmen mit der heutigen Ansicht überein: Dass Atome näherungsweise eine kugelförmige Gestalt besitzen und dass sie sich in Masse und Volumen unterscheiden. Daltons Annahmen, dass Atome nicht weiter zerteilt werden können und auch dass Atome eines Elements immer gleich sind, konnten dagegen bereits widerlegt werden.
Wieso können Atome eines Elements unterschiedlich sein?
Es gibt sogenannte Isotope. Sie gehören zum selben Element, das heißt, sie haben dieselbe Ordnungszahl, unterscheiden sich aber in ihrer Massezahl voneinander.
So hat beispielsweise Wasserstoff folgende Isotope:
- (Protium): Der Grundzustand des Elements besteht aus einem Proton und einem Elektron.
- (Deuterium): Das Isotop des Wasserstoffs, auch schweres Wasser genannt, besteht ebenfalls aus einem Proton und einem Elektron, und einem zusätzlichen Neutron.
- (Tritium): Dieses Isotop besteht auch aus einem Proton und einem Elektron. Zusätzlich hat Tritium zwei Neutronen im Kern.
Du siehst, an der Anzahl der Ladung ändert sich nichts: die Isotope eines Elements besitzen dieselbe Anzahl an Protonen und Elektronen. Sie beinhalten allerdings unterschiedlich viele Neutronen (neutral geladene Teilchen im Atomkern). Durch die Neutronen ändert sich die Masse des Atoms und damit seine Massezahl.
Mehr zu diesem Thema erfährst Du im Artikel zum Isotop.
Im Widerspruch zu Daltons und Demokrits These, dass Atome unteilbar seien, steht das Atommodell von Thomson.
Das Atommodell von Thomson
1903 veröffentlichte J. J. Thomson ein Modell, das gemeinhin als Rosinenkuchenmodell bekannt wurde. Thomson hatte sechs Jahre zuvor im Experiment mit Kathodenstrahlung die Existenz eines Teilchens nachgewiesen, das in sämtlichen Atomen vorkommt: das Elektron.
Das Atommodell nach Thomson geht davon aus, dass ein Atom weiter zerteilbar ist. Es besteht aus Elektronen (negativ geladen), die sich in einer positiven Ladungsmenge aufhalten. Die Elektronen machen hierbei nahezu die gesamte Masse des Atoms aus.
Wie Du Dir das Modell von Thomson vorstellen kannst, siehst Du in der nachfolgenden Abbildung:
Hier erkennst Du die einzelnen Elektronen, die in der gesamten positiven Ladungsmenge gewissermaßen schwimmen. Das Modell wird aufgrund dieser Darstellung auch als "Rosinenkuchenmodell" bezeichnet. Die Elektronen bilden dabei nahezu die gesamte Masse des Atoms, während die positive Ladung den Großteil des Volumens ausmacht und dabei fast masselos ist.
Somit widerlegte Thomson mit seinem Modell die bisherige Annahme, dass Atome unteilbar seien und den kleinsten Baustein darstellten. Doch auch Thomsons Modell schien einen Haken zu haben: Ein Wasserstoffatom müsste nach seiner Theorie bereits aus mehr als 1.800 Elektronen bestehen und das schien ihm nicht möglich.
Doch wie kommt Thomson zu dieser Annahme?
Laut seiner Theorie beinhalten die Elektronen nahezu die gesamte Masse des Atoms. Die Masse des Wasserstoffatoms und die Masse eines Elektrons waren Thomson bekannt. Daher konnte er abschätzen, dass über 1.800 Elektronen im Wasserstoffatom existieren müssten. Spätere Versuche mit Röntgenstrahlung zeigten Thomson aber, dass nur in etwa so viele Elektronen in einem Atom existieren konnten, wie die Massezahl des Atoms angab.
Die Unterscheidung von Elektronen und positiver Ladungsmenge konnte Ernest Rutherford mit seinem Modell nur wenige Jahre später genauer beschreiben.
Das Atommodell nach Rutherford
Die Weiterentwicklung zum Kern-Hülle-Modell erfolgte in den Jahren 1909 bis 1911 durch Ernest Rutherford. Mit einem Versuch konnte Rutherford die Annahme der Ladungsverteilung im Atommodell nach Dalton widerlegen.
Das Atommodell nach Rutherford geht davon aus, dass Atome aus einem kleinen, massereichen Atomkern bestehen. Die Elektronen bewegen sich in einer großen Hülle um diesen Atomkern.
Sein neues Atommodell begründete Rutherford mit den Ergebnissen eines Streuversuchs. Dabei wurde eine Goldfolie mit Alphateilchen beschossen.
Alphateilchen sind positiv geladene Heliumkerne, die z. B. beim radioaktiven Zerfall von Radium entstehen.
Rutherford erwartete, dass die Teilchen nach dem Atommodell von Thomson die Goldfolie passieren müssten, ohne abgelenkt zu werden. Die großflächige positive Ladungsmasse, die zudem als nahezu masselos galt, sollte die im Vergleich dazu schweren Alphateilchen nicht beeinflussen können.
Die Beobachtungen des Versuchs widerlegten diese Theorie jedoch. Rutherford konnte feststellen, dass einige Teilchen leicht abgelenkt wurden und manche sogar reflektiert wurden. Dieses Ergebnis konnte er sich nur damit erklären, dass die positive Ladung im Atom auf einen sehr kleinen Punkt konzentriert sein musste. So kam Rutherford zu seiner Theorie, dass ein Atom aus einem Atomkern und einer Hülle besteht.
Das Prinzip seines Modells ist in der nachfolgenden Abbildung veranschaulicht: Der Atomkern ist sehr klein und enthält nahezu die gesamte Masse des Atoms. Die Elektronen hingegen bewegen sich in einer (im Vergleich zum Kern) sehr großen Hülle.
Genaueres zum "Rutherford Atommodell" erfährst Du im entsprechenden Artikel.
Ein Schwachpunkt dieser Theorie ist, dass die Elektronenbewegung in der Hülle mit dem Rutherfordschen Modell nicht erklärt werden kann. Die Grundstruktur des Atoms mit Atomkern und Hülle hat dafür bis heute Bestand.
Bohrsches Atommodell
Auch wenn Rutherford die Ergebnisse seines eigenen Versuchs mit dem neuen Modell erklären konnte, gab es Experimente, deren Ergebnisse nicht mit seinem Modell vereinbar waren.
Ausschlaggebend für die Entwicklung eines neuen Atommodells durch Niels Bohr war die Entdeckung diskreter Emissionsspektren. Beispiele für ein solches Spektrum siehst Du hier:
Abbildung 5: Emissionsspektren Quelle: schnoegl.at
Die bunten Linien stellen die emittierte Strahlung der Atome dar. Je nach Energiegehalt der Strahlung besitzt sie eine unterschiedliche Wellenlänge. Die Wellenlänge bestimmt die Farbe des für den Menschen sichtbaren Lichts. Die Farben in der Abbildung entsprechen also den Wellenlängen der ausgesandten Strahlung.
Da zwischen den Linien gewissermaßen nichts zu sehen ist, werden mit diesen Wellenlängen keine Photonen ausgesandt.
Bohr stellte also fest, dass Atome nur bestimmte Wellenlängen aussenden können. Die Hauptaussage seines 1913 aufgestellten Atommodells war daher folgende: Elektronen können sich nur auf bestimmten Bahnen (Energieniveaus) im Atom bewegen.
Das Bohrsche Atommodell geht von bestimmten Energieniveaus (Bahnen/Schalen) im Atom aus, auf denen die Elektronen ohne Energieverlust kreisen können. Beim Wechsel zwischen zwei Bahnen können nur Energien, die der Energiedifferenz der Bahnen entsprechen, absorbiert oder emittiert werden.
Wird einem Atom Energie zugeführt, gibt es diese in Form von Photonen wieder ab. Die abgestrahlten Photonen können dabei nur einige bestimmte Wellenlängen besitzen, die von der Atomart abhängen. Bohr erklärte dieses Phänomen damit, dass die Elektronen im Atom nur bestimmte Energieniveaus (Kreisbahnen) annehmen können und daher nur Photonen mit bestimmten Energien aussenden.
Ein Photon ist ein masseloses Teilchen, das zum Energietransport dient.
Wird einem Atom Energie zugeführt, wird ein Elektron in einen höheren Energiezustand angehoben. Fällt das Elektron später wieder in seinen Ausgangszustand zurück, wird dieselbe Energie erneut frei. Ein Photon als Energieträger wird ausgesandt.
In der nachfolgenden Abbildung siehst Du das Schalenmodell nach Bohr und wie ein Elektron darin seine Schale wechselt.
Die Energie des Photons kann also keine beliebigen Werte annehmen, sondern nur Werte, die als Energiedifferenz zweier Schalen entstehen können. Das erklärt laut Bohr die diskreten Linien im Emissionsspektrum. Dass die Elemente verschiedene Emissionsspektren besitzen, führt Bohr darauf zurück, dass jedes Element aus Schalen mit anderen Energieniveaus besteht.
Damit trifft das Bohrsche Atommodell erstmals Aussagen über die Anordnung der Elektronen im Atom. Jedoch liefert es keine Erklärung dafür, wieso Elektronen auf diesen Bahnen kreisen können, ohne dabei aufgrund der stetigen Richtungsänderung Energie zu verlieren. Bohr nahm einfach an, dass sich die Elektronen auf diesen bestimmten Kreisbahnen ohne Energieverlust bewegen konnten.
Quantenmechanisches Atommodell (Schrödinger)
Mit den Arbeiten von Schrödinger, Heisenberg und Born erfolgten große Fortschritte in der Quantenphysik. Mit ihren Kenntnissen wurde die Grundlage einer neuen Atomtheorie geschaffen. Das bisherige Modell von Bohr mit seinen Kugelschalen bedurfte einer Erweiterung. So gelangte man von den Schalen im Atom zu sogenannten Atomorbitalen.
Atomorbitale als Atommodell
In der Quantenmechanik wurde der Atomaufbau erstmals mit mathematischen Modellen beschrieben, die man sich nicht mehr so einfach grafisch vorstellen konnte. Sie lösten dafür das Problem, dass Bohrs Kugelschalen mit der Bewegung der Elektronen quantenmechanisch nicht erklärt werden konnten.
Die Orbitaltheorie geht davon aus, dass sich die Elektronen in Wahrscheinlichkeitsräumen aufhalten. Im Orbitalmodell lassen sich die genauen Aufenthaltsorte der Elektronen nur schwer bestimmen. Statt eines genauen Ortes kann nur der Raum bestimmt werden, in dem sich das Elektron mit einer Wahrscheinlichkeit von 1 (100 %) befinden muss.
Das Orbitalmodell ist ein mathematisches Modell, das die Aufenthaltswahrscheinlichkeiten eines Elektrons im Atom beschreibt.
Je nach Anzahl der Elektronen im Atom werden Orbitale durch andere mathematische Funktionen beschrieben.
Wie diese Orbitale dann veranschaulicht werden, siehst Du in der nachfolgenden Grafik. Jedes Atom wird dabei durch verschiedene Quantenzahlen, wie in der unten stehenden Grafik n und m, beschrieben. Sie charakterisieren in der Quantenmechanik die Eigenschaften von Teilchen.
Somit sind die Vorstellungen der Atomorbitale sehr komplex. In der Chemie wird daher oft mit dem Bohrschen Modell gearbeitet, da es einfacher ist und für die meisten Anwendungszwecke ausreicht. In der Quantenmechanik dagegen, muss man mit dem komplexeren Modell vorlieb nehmen, da das Modell von Bohr quantenmechanische Effekte nicht erklären kann.
Das Kugelwolkenmodell
Das Kugelwolkenmodell ist die vereinfachte, vorwiegend in der Schule verwendete Version des Orbitalmodells.
Alle Einzelheiten zu diesem Modell findest Du im Artikel zum Kugelwolkenmodell.
Das Kugelwolkenmodell ist die vereinfachte Version des Orbitalmodells. Die Aufenthaltsräume werden als kugelförmige Elektronenwolken beschrieben. Hier werden die komplexen Räume zu vorstellbaren Formen umgewandelt.
In chemischen Bindungen überlappen sich nun zwei dieser Wolken, die zuvor jeweils nur mit einem Elektron gefüllt sind. Durch das Überlappen erreichen beide Atome den Wunschzustand mit einer vollständig gefüllten Wolke. Sie teilen sich also die Elektronen: Aus zwei einzelnen Elektronen werden zwei gemeinsame Elektronen.
In der nachfolgenden Abbildung siehst Du das Kugelwolkenmodell des Kohlenstoffs (C). Die rote Kugel ist der Atomkern und die blauen Kugeln stellen die Kugelwolken dar, in denen sich die Elektronen aufhalten.
Das Kugelwolkenmodell übernimmt dabei die wichtigsten Funktionen des Orbitalmodells, aber vereinfacht dabei die komplexe räumliche Anordnung. Die meisten Phänomene lassen sich mit diesem Modell erklären, da es die relevantesten Eigenschaften anderer Modelle vereint. Für komplexere Zusammenhänge und aktuelle Forschungsthemen, besonders in der Quantenmechanik, ist jedoch das Orbitalmodell unerlässlich.
Atommodell - Das Wichtigste
- Atommodelle dienen der Beschreibung des Atomaufbaus
- Demokrit (5.Jh. v. Chr.): Er führte das Atom als kleinste, unteilbare Einheit ein.
- Dalton (1808): In seinem Modell wurden Atome auf bestimmte Elemente begrenzt. Nur diese Elemente waren unteilbar.
- Thomson (1903): Die bisherigen Modelle des Atoms als unteilbarer Baustein wurden widerlegt. Thomson führte die Elektronen ein, die sich in der positiven Ladungsmenge bewegen (Rosinenkuchenmodell). Elektronen machen dabei die Masse des Atoms aus.
- Rutherford (1909): Mit seinem Streuversuch zeigte Rutherford, dass die positive Ladungsmenge in einem sehr kleinen Atomkern konzentriert ist, der von einer großen Hülle umgeben ist. Der massereiche Atomkern wird von den leichten Elektronen in der Hülle umgeben.
- Bohr (1913): Das Bohrsche Modell spricht von bestimmten Bahnen (Energieniveaus), auf denen sich die Elektronen in der Hülle aufhalten können. Beim Wechsel zwischen den Bahnen werden Energieportionen emittiert/absorbiert, die genau der Energiedifferenz der Energieniveaus entsprechen.
- Orbitalmodell: Für eine quantenmechanische Betrachtung des Atomaufbaus wurde das Orbitalmodell entwickelt. Es gibt mathematische Modelle für Wahrscheinlichkeitsräume vor, in denen sich die Elektronen befinden. Die Orbitale sind sehr abstrakt und werden auch nur in der Quantenmechanik benötigt.
- Kugelwolkenmodell: Für die Chemie und einfache physikalische Betrachtungen reicht das Kugelwolkenmodell aus. Es ist eine Vereinfachung des Orbitalmodells, das von kugelförmigen Räumen ausgeht, in denen sich die Elektronen aufhalten. Mit diesem und dem Orbitalmodell können erstmals chemische Bindungen einfach erklärt werden.
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