7.2 Einige einfache Atommodelle

Das Modell von Dalton

Dalton hat das Atommodell entworfen, oder genauer gesagt als Hypothese formuliert um das Gesetz von der Erhaltung der Masse, das Gesetz der konstanten Mengenverhältnisse und das Gesetzt der multiplen Proportion zu erklären. Seine drei Hypothesen lauten wie folgt:

• Die gesamte Materie besteht aus auf chemischem und physikalischem Wege unteilbaren, unsichtbaren Teilchen.
• Die Atome eines Elementes sind untereinander gleich, unterscheiden sich aber von den Atomen anderer Elemente durch Masse, Größe und Eigenschaften.
• Jeweils eine ganze Zahl von Atomen von verschiedenen Elementen bilden die Verbindungen.

Diese sehr einfache Modell erlaubt es die Massengesetze zu erklären. Desgleichen bildet das Modell die Grundlage für die Erklärung des Teilchenmodells und die Aggregatzustände.

Das Modell von Thomson

Am Ende des 19. Jahrhunderts wurden viele neue Entdeckungen in den Naturwissenschaften gemacht.

1897 hat der englische Physiker bei Versuchen mit der Kathodenstrahlröhre die Existenz von kleinen negativ geladenen Teilchen, Elektronen (e^-), nachgewiesen. Da er diese Teilchen in seinen Versuchen aus allen Metallen gewinnen konnte musste er schließen dass diese Elektronen im Metall enthalten sind, und somit das Atom nicht unteilbar ist sondern aus kleineren Teilchen aufgebaut ist.

1886 entdeckt der Physiker Goldstein dass die Atome denen Elektronen entrissen wurden ein positive Ladung tragen. Diese positive Ladung wird von den Protonen (p⁺) getragen. Die Atome, die nach außen hin neutral sind, bestehen also aus Elektronen und Protonen.

Das Atommodell von Thomson besteht deshalb aus genauso vielen positiven wie negativen Teilchen, um die Neutralität des Atoms zu gewährleisten, die gleichmäßig im massiven Atom verteilt sind.

Das Modell von Rutherford

Anfangs des 20. Jahrhunderts verfügten die Wissenschaftler mit der Entdeckung der Radioaktivität über ein neues Werkzeug um den Aufbau der Materie zu untersuchen.Rutherford und seine Mitarbeiter Geiger und Marsden beschossen ein dünnes Goldblatt mit den so genannten Alpha-Teilchen (a-Teilchen). Das sind kleine positiv geladene Teilchen, die eine Art der radioaktiven Strahlung bilden. Die Strahlenquelle wurde so in einen Bleiblock eingebettet, dass nur ein dünner Teilchenstrahl herauskommt.

Um die Flugbahnen der a-Teilchen zu bestimmen nutzt man die Tatsache aus, dass a-Teilchen einen fotografischen Film schwärzen wenn sie auftreffen. Dort wo der Film nach dem Entwickeln schwarz ist haben a-Teilchen eingeschlagen.

Rutherford hat den Film in einem Kreis um das Goldblatt angeordnet und die a-Teilchen während langer Zeit auf die Goldfolie geschossen. Anschließend wurde der Film entwickelt um die Flugbahn der Teilchen zu bestimmen.

Das Ergebnis war mit dem damaligen Atommodell nicht vereinbar.

• Der größte Teil der a-Teilchen durchquerten die Goldfolie ohne abgelenkt zu werden: Damit wurde gezeigt dass die Atome keine massiven Kugeln sein können wie es das Modell von Thomson vorsieht, denn massive Kugeln hätten die a-Teilchen nicht durchgelassen.
• Ein Teil der a-Teilchen wurden sehr stark abgelenkt. Diese Teilchen haben also ein massives Hindernis in dem ansonsten "leeren Atom" getroffen.
• Ein Teil der positiv geladenen a-Teilchen wurde schwach abgelenkt. Daraus schloss Rutherford, dass das "massive" Hindernis eine positive Ladung trägt, denn gleiche Ladungen stoßen sich ab.

Daraus wurde das Atommodell nach Rutherford entwickelt.

Das Atom besteht aus einem kleinen massiven, positiv geladenen Kern, der die Protonen enthält. Dieser Kern trägt fast die gesamte Masse des Atoms.

Der Kern ist umgeben von einer großen, negativ geladenen, fast masselosen Hülle in der sich die Elektronen befinden. Die Elektronen befinden sich auf einer Kreisförmigen Umlaufbahn um den Kern.

Wenn man die Größe des Atomkerns mit der Größe des gesamten Atoms vergleicht, stellt man fest dass der Kern 100 000 mal kleiner ist als das gesamte Atom. Um diesen Unterschied zu veranschaulichen muss man sich den Atomkern als Kirschkern vorstellen. Wenn der Atomkern einem Kirschkern entspricht, hat das gesamte Atom den Durchmesser der der Höhe des Eifelturms entspricht.

Jedes Atom besitzt eine bestimmte Anzahl von Protonen. Die Anzahl der Protonen definiert um welches Element es sich handelt.

Ein Element mit 17 Protonen ist immer Chlor. Die Zahl der Protonen kann man im PSE aus der Ordnungszahl herauslesen.

Die Zahl der Elektronen entspricht der Zahl der Protonen um die positiven Ladungen auszugleichen.

Eine weitere wichtige Zahl charakterisiert das Atom: die Massenzahl.Sie gibt die Masse der Atome in u (atomaren Masseneinheiten) an. Die Masse setzt sich aus der Masse der Protonen und der Masse der Elektronen zusammen. Die Elektronen werden vernachlässigt da sie kaum Masse besitzen.