Atommodell
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Atommodell Atommodell nach Rutherford 1911 führte Rutherford den nach ihm benannten Streuversuch durch. Dabei bestrahlte er eine dünne Goldfolie mit α – Teilchen. Beobachtung: Fast alle Teilchen fliegen ungestört durch. Nur wenige werden abgelenkt. 1 Atommodell http://www.pk-applets.de/phy/rutherford Atommodell nach Rutherford Schlussfolgerungen aus dem Streuversuch Die grundlegende Erkenntnis des Streuversuches war, dass ein Atom aus einem Atomkern und einer Hülle besteht Die positive Ladung muss im Kern sitzen und durch negative Ladungen in der Hülle neutralisiert werden. 2 Atommodell Atommodell nach Bohr-Sommerfeld Niels Bohr wandte auf die Vorstellung des Kern- Schale Modells die von Max Planck um 1900 entwickelte Quantentheorie an. Bohr fasste die Elektronen als Teilchen auf, die sich auf Kreisbahnen um den Atomkern bewegen. Dieses Modell wurde als Bohrsches Atommodell bekannt. Sommerfeld erweiterte dieses Modell dahingehend, dass sich Elektronen außer auf kreisförmigen Bahnen auch auf elliptischen Bahnen bewegen können. 3 Atommodell Der Atomkern Im Inneren eines jeden Atoms befindet sich der Atomkern. In ihm konzentriert sich fast die gesamte Masse des Atoms (99,95 %) auf kleinstem Raum (10-10 % des Atomvolumens). Der Rest des Atoms ist praktisch leer. Die Atomkerne bestehen aus zwei Arten von Kernbausteinen (Nukleonen), den Protonen und den Neutronen. Protonen tragen eine positive elektrische Ladung von 1,6022 * 10-19 As (Ampersekunden; Coulomb) 4 Atommodell Atommodell nach Bohr und Sommerfeld Für sein neues Atommodell stellte Bohr folgende Postulate auf: •Elektronen umkreisen den Kern auf bestimmten Bahnen, wobei keine Energieabgabe erfolgt. •Jede Elektronenbahn entspricht einem bestimmten Energieniveau E der Elektronen. Beim Übergang des Elektrons von einem höheren in ein niedrigeres Energieniveau wird die definierte Energie ∆E = h • ν abgegeben. •Das Elektronensystem ist nur in bestimmten, so genannten stationären Zuständen stabil, wobei gilt: 2π · r · m · v = n · h r : Radius der Elektronenbahn m : Masse des Elektrons v : Geschwindigkeit des Elektrons h : plancksches Wirkumsquantum n : Nummer der Bahn 5 Atommodell Atommodell nach Bohr und Sommerfeld Die diskreten Elektronenbahnen wurden von Bohr als Elektronenschalen bezeichnet und mit den Buchstaben K, L, M, N, O, P, Q benannt. E Absorption Emission N M LK - L K - EL ∆E = EL – EK = h · ν EK Kern Eine Elektronenschale entspricht einem ganz bestimmten Energiezustand und wird als diskretes Energieniveau bezeichnet 6 Atommodell Atommodell nach Bohr und Sommerfeld Beim Beschuss von Quecksilberatomen mit Elektronen konnte nachgewiesen werden, dass nur bei einer Beschleunigungsspannung von 4,9 V ein höheres Energieniveau angeregt wird. Die aufgenommene Energie wurde als Strahlung mit einer klar definierten Frequenz wieder abgegeben. Beispiel Anregung: Beispiel Emission: Ea-E1 = U · e Ea-E1 = h · ν Ea-E1 = 4,9 V · 1,602·10-19A · s ν = 7,8 · 10-19 J / 6,63 · 10-34 J Ea-E1 = 7,8 · 10-19 J ν = 1,18 · 1015 s-1 7 Atommodell Atommodell nach Bohr und Sommerfeld Die Anzahl der Elektronen pro Schale beträgt maximal 2n² und entspricht der Anzahl der Elemente in jeder Periode des PSE. (n drückt in kleinen ganzen Zahlen (1, 2, 3….) die Folge der Elektronenschalen aus) Auch für die von A. Sommerfeld vorhergesagten elliptischen Elektronenbahnen konnten diskrete Energiezustände berechnet werden. Sommerfeld benannte diese Niveaus mit den kleinen Buchstaben: s, p, d, f. Auch diesen Buchstaben wurden Zahlen zugeordnet (0 – 3). Bei Elektronenübergängen zwischen diesen diskreten Energieniveaus werden definierte Energiepakete absorbiert bzw. emittiert. Diese Energiepakete wurden zuerst von MAX PLANCK als Energiequanten bezeichnet. Sommerfeld übernahm diese Bezeichnung für die den Energieniveaus zugeordneten Zahlen und führte den Begriff der Quantenzahlen ein. Die Hauptenergieniveaus (Bohr) werden daher entsprechend als Hauptquantenzahl n bezeichnet, die Unterniveaus (Sommerfeld) als Nebenquantenzahl l. 8 Atommodell Atommodell nach Bohr und Sommerfeld Grenzen des Modells Leistungen Grenzen Elektronen können sich nur auf bestimmten Bahnen aufhalten. Jeder dieser Bahnen entspricht ein diskretes Energieniveau. Die Bewegung der negativen Elektronen auf Bahnen um den positiven Kern widerspricht den Gesetzen der klassischen Physik. Aufstellen von Elektronenkonfigurationen von Atomen und Ionen. Die chemische Bindung kann mit diesem Modell nicht erklärt werden. Herstellen eines Zusammenhanges zwischen Elektronenkonfigurationen und Eigenschaften der Elemente im Periodensystem. Ab der dritten Periode im PSE entspricht die Anzahl der Elemente in der Periode nicht mehr der maximalen Anzahl der Elektronen der Elektronen nach der Formel 2n². Erklärung des Linienspektrums von Wasserstoff und Bestätigung der Spektralanalyse als Methode zur Untersuchung des Aufbaus der Atomhülle. Die Intensität der emittierten Strahlung und die viel größere Anzahl von Linien in Spektren von Atomen mit mehr als zwei Elektronen sind nicht zu deuten. 9 Das quantenmechanische Atommodell Der Welle-Teilchen Dualismus Nach dem Bohrschen Atommodell hatte man zu Beginn des 20. Jh das Gefühl, dass im mikroskopischen Bereich die Gesetze der klassischen Physik nur eingeschränkt gültig seien. 1924 legte Lois-Victor de Broglie Überlegungen vor, dass kleine schnell bewegte Teilchen Wellencharakter haben. Er berechnete die Wellenlänge einer Strahlung, die Elementarteilchen aussenden, wenn sie sich mit hoher Geschwindigkeit bewegen. Planck E=h·ν h – plancksches Wirkungsquantum ν – Frequenz der Strahlung Einstein E = m c² m – Masse des bewegten Teilchens c – Lichtgeschwindigkeit c=ν·λ λ – Wellenlänge der Strahlung 10 Geschichte des Atommodell Demokrit (460 – 375 BC) Atom-Idee John Dalton 1766 – 1844 erstes Atommodell 1803 Lorenzo Avogadro 1766 – 1856 Atomvolumen 1811 Wilhelm Röntgen 1845 – 1923 X-Strahlen 1895 Antoine h. Becquerel 1852 – 1908 Radioaktivität 1896 Sir Joseph Thomson 1856 – 1940 Elektronen 1897 Max K. E. L. Planck 1858 – 1947 Quantenphysik 1900 Frederick Soddy 1877 – 1956 Isotope 1900 Sir Ernest Rutherford 1871 – 1937 Kern-Hülle-Modell 1911 Niels Bohr 1885 – 1962 Planeten-Modell 1913 Wolfgang Pauli 1900 – 1958 Ausschließungs-Prinzip 1924 Werner K. Heisenberg1901 – 1976 Quantenmechanik 1926 Erwin Schrödinger 1887 – 1961 Wellenmechanik 1926 Max Born 1882 – 1970 Statistische Quantenmechanik 1926 + + + + + 11
