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Atommodelle
Demokrit (460 v. Chr. - 371 v. Chr.)
griechischer Philosoph oder "Denker"
• Jeder Stoff besteht aus unvorstellbar kleinen
Teilchen, die nicht mehr weiter teilbar sind.
John Dalton (1766 - 1844) englischer Naturforscher und Lehrer
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1803 Idee von DEMOKRIT wiederaufgenommen
gilt damit als der Begründer der modernen Atomtheorie
Er postulierte folgende Materievorstellung (auch als Kugelmodell bezeichnet):
1. Materie besteht aus kleinsten
kugelförmigen Teilchen – Atomen.
2. Diese Atome sind unteilbar und können
weder geschaffen noch zerstört
werden.
3. Alle Atome eines chemischen Elements sind untereinander gleich.
Atome unterscheiden sich nur in der Masse von Atomen anderer
Elemente.
4. Diese Atome können chemische
Bindungen eingehen und aus diesen
auch wieder gelöst werden.
5. Das Teilchen einer Verbindung wird aus
einer bestimmten, stets gleichen Anzahl
von Atomen der Elemente gebildet, aus
denen die Verbindung besteht –
gleichem Massenverhältnis
6. Während einer chemischen Reaktion lässt
sich keine Veränderung der Masse der
Reaktionsstoffe beobachten. Die Masse
aller Endukte ist gleich der Masse aller
Ausgangsprodukte. (Gesetz der Erhaltung
der Masse)
1897 entdeckte Joseph J. Thomson (1856-1940) erstmals, dass
Atome nicht unteilbar sind.
• zeigte, dass die bis dahin unbekannten Strahlen, die aus einer
Glühkathode austreten, ein Strom aus Teilchen sind.
• diese Teilchen heißen Elektronen und sind wesentlich kleiner
als die Atome.
• erklärte erstmals den elektrischen Strom als Strom geladener
Elektronen und bestimmte deren Masse. 1906 erhielt er den
Nobelpreis für Physik.
THOMSONS Annahme:
Das Atom besteht aus einer gleichförmig positiv
geladenen Masse, in der sich Elektronen
befinden.
Rosinenkuchenmodell
Ernest Rutherford (1871 - 1937)
englischer Physiker und Chemiker, 1908 Nobelpreis für Chemie
Im üblichen und vorhergesehenen
Fall durchlaufen die Strahlen die
Goldfolie ungebrochen… .
Allerdings konnte man bei dem
Versuch bei ca. einem von 8000
Teilchen beobachten, dass sie nicht
ungebrochen durch die Goldfolie
fließen, sondern stark abgelenkt oder
sogar zurückgeworfen werden. Dieses
Phänomen empfand Rutherford
folgendermaßen:
„It was almost as incredible as if you fired a
15-inch shell at a piece of tissue paper and
it came back and hit you.“
„ … es war beinahe so unglaublich, als wenn man mit einer 15-ZollGranate auf ein Stück Seidenpapier schießt und die Granate
zurückkommt und einen selber trifft.“
Die Rutherfordsche Streuformel gibt an, mit welcher Wahrscheinlichkeit ein
α- Teilchen in den Raumwinkel dΩ gestreut wird:
• Im Mittelpunkt des Atoms (Durchmesser etwa 10-10m)
befindet sich ein Atomkern. Fast die gesamte
Atommasse (99,9% ) und die ganze positive Ladung ist
im Atomkern vereint (Kerndurchmesser etwa 10-14m).
• Elektronen nehmen fast das ganze Volumen des Atoms
ein. Sie befinden sich außerhalb des Atomkerns und
umkreisen ihn in schneller Bewegung. Zwischen ihnen
ist leerer Raum.
• Damit das Atom insgesamt elektrisch neutral ist, muß
die Zahl der negativ geladenen Elektronen mit der Zahl
der positiven Ladungen (Protonen) im Kern
übereinstimmen.
• Die Kraft zwischen Elektronen und Kern ist die
elektrostatische Anziehungskraft.
Rutherford- Modell Grenzen
erklärt nicht die Stabilität der Atome
erklärt nicht die quantenhafte Emission
und Absorption von Energie
Niels Bohr (1885 - 1962) - dänischer Physiker, Nobelpreis 1922
1. Postulat (Diskrete Energiestufen):
Die Energie eines Elektrons im Atom kann nur diskrete
Werte En annehmen.
2. Postulat (Lichtemission):
Die Frequenz der ausgesandten elektromagnetischen
Strahlung ergibt sich aus der Energiedifferenz zwischen dem
Ausgangs- und dem Endzustand.
hf = E m − E n = ∆E mit m, n ∈ N und m > n
3. Postulat (Quantenbedingung):
Der Umlauf der Elektronen erfolgt nur auf bestimmten diskreten Bahnen. Auf diesen
Bahnen wird keine Energie abgestrahlt. Die Bahnen müssen die folgende
Quantenbedingung erfüllen:
n⋅h
L = me ⋅ rn ⋅ vn =
2π
Berechnungen am Wasserstoffatom – diskrete Bahnradien
Energie des Elektrons auf der Bahn mit Radius rn
E n = E kin , n + E pot , n =
QQ
e²
1
1
1
⋅ m ⋅ vn ² +
⋅ 1 2 = ⋅ m ⋅ vn ² −
rn
2
4π ⋅ ε 0
2
4 π ⋅ ε 0 ⋅ rn
v n , rn ??
v n2
e²
1
−− > m ⋅
=
⋅ 2
rn 4 π ⋅ ε 0 rn
F Z = FC
−−>
rn ⋅ m ⋅ v n2 =
rn ⋅ m ⋅ v n2 =
−−>
e²
4π ⋅ ε 0
v
-
FZ = FC
+
e²
h
= Lv n = n
vn
4π ⋅ ε 0
2π
vn =
e²
2 ε 0 hn
h ²ε 0
rn =
n²
π m e²
Der Radius der rn der diskreten Bahnen für ein
Elektron hängt nur von Naturkonstanten ab.
n=1
r1= 5,29·10-11m (Bohr'scher Radius)
Berechnungen am Wasserstoffatom – diskrete Energiewerte
En =
vn =
1
e²
⋅ m ⋅ vn ² −
2
4 π ⋅ ε 0 ⋅ rn
e²
2 ε 0 hn
rn =
h ²ε 0
n²
π m e²
....
4
En = −
1 m ⋅e
1
⋅ 2
⋅
8 ε 0 ⋅ h² n²
Für n = 1 (Grundzustand) beträgt die
Energie des Elektrons
E1 = -2,18·10-18J = -13,6eV, auf der n-ten
Bahn
En = E1 / n²= -13,6eV / n²
n
En in eV
1
-13,61
2
-3,40
3
-1,51
4
-0,85
5
-0,54
6
-0,38
7
-0,28
8
-0,21
9
-0,17
10
-0,14
11
-0,11
12
-0,09
13
-0,08
Termschama allgemein
Ein Termschema (auch
Grotrian-Diagramm, nach
seinem Erfinder Walter
Grotrian) ist die
Zusammenstellung aller
Energieniveaus (Terme) eines
Atoms, Ions oder Moleküls in
übersichtlicher zeichnerischer
Darstellung – auch
Energieniveauschema
genannt.
Wasserstoffatom – Termschama
Nuklide- Nukleonen- Isotope
PSE enthält z.Z. 111Elemente, davon kommen 91 in der Natur vor , die übrigen
werden künstlich hergestellt.
Die Ordnung wird durch die Atomhülle (Elektronenschalen … Perioden) und den
Atomkern (Kernladungszahl = Ordnungszahl) bestimmt.