Atommodelle

Ein Atommodell ist eine Vorstellung von den Atomen, die gemäß der Atomhypothese des Altertums als die unveränderlichen Grundbausteine aller materiellen Stoffe angesehen wurden. Die Atomhypothese konnte sich zunächst nur auf die philosophische Bevorzugung eines Teilchenmodells gegenüber der Hypothese der unendlich fortsetzbaren Teilbarkeit der Materie stützen. Auch sollten die unterschiedlichen Eigenschaften der materiellen Stoffe auf die Kombinationsmöglichkeiten einiger weniger Arten von Atomen zurückgeführt werden. Erst ab Anfang des 19. Jahrhunderts zeigten sich in der Chemie und der Physik naturwissenschaftliche Hinweise auf die wirkliche Existenz der Atome: Das Atom wurde als kleinste Einheit eines chemischen Elements definiert, und das Verhalten von Gasen konnte nach der kinetischen Gastheorie vollständig aus der ungeordneten Bewegung einer Vielzahl gleicher Moleküle, die jeweils aus wenigen Atomen bestehen, erklärt werden. Als Atommodell genügte hierbei die Vorstellung einer kleinen Kugel von ca. 0,1 nm Durchmesser und 10⁻²⁶ kg Masse. In dieser Form hatte sich Ende des 19. Jahrhunderts die Atomhypothese weitgehend durchgesetzt, als neue Beobachtungen mit Elektronenstrahlen und radioaktiven Stoffen zeigten, dass diese Atome selber aus kleineren Teilchen bestehen. Die Erklärung ihres komplizierten inneren Aufbaus führte 1925 zur Quantenmechanik, deren Atommodelle vorrangig als mathematische Aussagen formuliert sind. Auf die Frage, wie man sich denn ein Atom nun vorzustellen habe, antwortete Werner Heisenberg, einer der Schöpfer der Quantenmechanik: „Versuchen Sie es gar nicht erst!“

Die folgende, chronologisch geordnete Liste gibt einen Überblick. Wichtige Modelle haben Hauptartikel. Aktuell gebräuchliche sind auch im Artikel Atom im Zusammenhang dargestellt.

Das Teilchenmodell von Demokrit (etwa 400 v. Chr.) postuliert die Existenz von verschiedenartigen festen, unteilbaren Teilchen, die unterschiedlich kombiniert die bekannten Substanzen bilden.

Das Dalton-Modell (1803) geht von kleinsten, nicht weiter teilbaren Teilchen aus, die sich je nach Element in ihrer Masse unterscheiden, in bestimmten Anzahlverhältnissen (je nach Art des Stoffes) miteinander verknüpft sind und sich bei chemischen Reaktionen nur umordnen.

Im Dynamidenmodell (1903) von Philipp Lenard bestehen Atome zum größten Teil aus leerem Raum zwischen kleinen, rotierenden elektrischen Dipolen, den Dynamiden.

Nach dem thomsonschen Atommodell (1903) besteht das Atom aus einer gleichmäßig verteilten positiven Ladung und negativ geladenen Elektronen, die sich darin bewegen. Dieses Modell wird auch als Plumpudding-Modell oder zu deutsch Rosinenkuchenmodell bezeichnet.

Im planetarischen Modell bzw. Saturnmodell von Nagaoka Hantarō (1904) ist das Atom eine positiv geladene Kugel, umkreist von den negativ geladenen Elektronen. In Analogie zur Stabilität der Ringe des Saturns postuliert das Modell richtig einen sehr massereichen Kern, aber falsch auch eine Energieabstrahlung durch die Bewegung der Elektronen.

Nach dem rutherfordschen Atommodell (1911) besteht das Atom aus einem positiv geladenen Atomkern, der nahezu die gesamte Masse des Atoms beinhaltet, und einer Atomhülle aus Elektronen.

Nach dem bohrschen Atommodell (1913) besteht das Atom aus einem positiv geladenen, massetragenden Kern und Elektronen, die diesen auf bestimmten Bahnen umkreisen, ohne Energie abzustrahlen.

Das bohr-sommerfeldsche Atommodell (1916) ist eine Erweiterung des bohrschen Atommodells, in dem auch bestimmte Ellipsenbahnen um den Atomkern zugelassen sind.

Das Schalenmodell (Atomphysik) vereinfacht das Atom so, dass ein positiv geladener Atomkern von Kugelschalen umgeben ist, in denen sich die Elektronen befinden. Nur die jeweils äußerste Schale ist für die chemischen Eigenschaften des Elements verantwortlich. Über die Bewegung der Elektronen wird keine Aussage gemacht.

Das Kugelwolkenmodell (kimballsches Atommodell, Tetraedermodell) ist ein in der Schule häufig verwendetes Atommodell, welches eine Erweiterung des Schalenmodells darstellt.

Nach dem Orbitalmodell (1928) besteht das Atom aus einem Kern, der von Elektronen in Orbitalen umgeben ist. Die Form der Orbitale ist durch die räumliche Aufenthaltswahrscheinlichkeit der Elektronen gegeben. Im strengen Sinn ist ein Orbital eine stationäre Lösung der quantenmechanischen Schrödingergleichung (ein Energiezustand eines Elektrons).

Im Thomas-Fermi-Modell (1928) wird die Elektronenhülle pauschal als ein Fermi-Gas beschrieben, das in dem Potentialtopf eingeschlossen ist, der von der Coulomb-Anziehung durch den Kern herrührt.

In manchen Bereichen können Atome nach wie vor als Punkte ohne Ausdehnung genähert werden, in der kinetischen Gastheorie etwa beim Modell des idealen Gases, in anderen als Kugeln mit bestimmtem Volumen, etwa beim Van-der-Waals-Gas. Das entsprechende Modell heißt auch Punktteilchen-Modell bzw. inkompressible Kugeln-Modell.

Modelle des Atomkerns

Das Tröpfchenmodell (1936) beschreibt den Atomkern als Tröpfchen einer elektrisch geladenen Flüssigkeit.
Das Schalenmodell (1949) beschreibt den Atomkern in enger Analogie zum Orbitalmodell der Atomhülle.

Basierend auf einem Artikel in:

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