Die Atomtheorie ist eine wissenschaftliche Theorie über die Natur der Materie. Die Atomtheorie besagt, dass Materie aus Einheiten besteht, die Atome genannt werden.
Die Atomtheorie begann als philosophisches Konzept im antiken Griechenland. Ein Atom galt damals als unteilbares Wesen. Das Wort Atom stammt vom altgriechischen Adjektiv atomar ab, was „unteilbar“ bedeutet.
Ab dem 19. Jahrhundert begannen Wissenschaftler zu experimentieren und wissenschaftliche Theorien zu entwickeln.
Anfang des 20. Jahrhunderts entdeckten Physiker, dass das "unteilbare Atom" eigentlich ein Konglomerat verschiedener subatomarer Teilchen ( Elektronen, Protonen und Neutronen) ist.
Teilchenphysik ist das wissenschaftliche Gebiet, das subatomare Teilchen untersucht. Auf diesem Gebiet hoffen Physiker, die wahre fundamentale Natur der Materie zu entdecken.
Was hat John Dalton über das Atom herausgefunden?
John Dalton entwickelte das Gesetz der multiplen Proportionen und schlug später ein erstes wissenschaftliches Atommodell vor: Daltons Atomtheorie.
Gegen Ende des 18. Jahrhunderts tauchten zwei Gesetze über chemische Reaktionen auf, ohne Bezug auf den Begriff der Atomtheorie:
Massenerhaltungssatz (Antoine Lavoisier, 1789), der besagt, dass die Gesamtmasse einer chemischen Reaktion konstant bleibt.
Gesetz der bestimmten Proportionen (Joseph Louis Proust, 1799). Dieses Gesetz besagt, dass, wenn eine Verbindung in ihre Bestandteile zerfällt, die Massen der Bestandteile immer die gleichen Proportionen haben.
Gesetz der vielfachen Proportionen
John Dalton studierte beide Gesetze und entwickelte das Gesetz der multiplen Proportionen:
"Wenn sich zwei Elemente zu einer Reihe von Verbindungen verbinden können, wird das Massenverhältnis des zweiten Elements, das sich zu einer festen Masse des ersten Elements verbindet, ein Verhältnis kleiner ganzer Zahlen sein."
Atommodell von Dalton
Dalton schlug vor, dass jedes chemische Element nur aus Atomen eines Typs besteht. Obwohl sie chemisch nicht verändert oder zerstört werden können, können sie sich zu komplexeren Strukturen (Molekülen) verbinden.
Dalton kam zu diesen Schlussfolgerungen empirisch und nach einer wissenschaftlichen Methode. Daher war dies die erste wirklich wissenschaftliche Theorie des Atoms.
Die Atomtheorie von Dalton basiert auf den folgenden Aussagen:
Materie besteht aus Atomen, die unteilbare und unzerstörbare Teilchen sind.
Alle Atome desselben chemischen Elements sind in Masse und Eigenschaften gleich und unterscheiden sich von den Atomen jedes anderen Elements.
Verbindungen werden durch Kombinationen von Atomen verschiedener Elemente gebildet.
Die Entdeckung subatomarer Teilchen
1897 entdeckte JJ Thomson das Elektron:
Das Atom war nicht das kleinste Teilchen eines Elements.
Thomson schlug vor, dass Atome mit anderen konstituierenden Elementen teilbar sind.
Entdeckung des Atomkerns
1909 entdeckte Rutherford, dass der größte Teil der Masse und der positiven Ladung des Atoms in einem sehr kleinen Bruchteil seines Volumens in einem Bereich konzentriert ist, von dem er annahm, dass er im Zentrum liegt.
Diese Entdeckung veranlasste Rutherford, ein planetarisches Atommodell vorzuschlagen, in dem eine Elektronenwolke einen kleinen, kompakten, positiv geladenen Kern umgibt.
Das Quantenmodell des Atoms
Die Quantentheorie revolutionierte die Physik im frühen 20. Jahrhundert, als Max Planck und Albert Einstein postulierten, dass Lichtenergie in diskreten Mengen, den sogenannten Quanten, emittiert oder absorbiert wird.
Das bisherige Planetenmodell wies zwei wesentliche Mängel auf:
Anders als Planeten sind Elektronen geladene Teilchen. Es ist bekannt, dass eine elektrische Ladung des Beschleunigers elektromagnetische Wellen aussendet. Ein umlaufendes Teilchen sollte ständig Energie verlieren und sich spiralförmig auf den Kern zudrehen und im Bruchteil einer Sekunde mit ihm kollidieren.
Das Planetenmodell konnte die Emissions- und Absorptionsspektren der beobachteten Atome nicht erklären.
Bohrs Atomtheorie
1913 entwickelte Niels Bohr das Atommodell von de Bohr: „Elektronen können sich nur auf einer bestimmten Kreisbahn mit dem Drehimpuls um den Kern drehen und die feste Entfernungsenergie vom Kern (d. h. Reichweite) ist proportional zur Energie. "
In diesem Modell kann ein Elektron nicht in den Kern eindringen, da es nicht kontinuierlich Energie verlieren könnte; Stattdessen konnte es nur augenblickliche Quantensprünge zwischen festen Energieniveaus ausführen.
Was ist Welle-Teilchen-Dualität?
1924 behauptete Louis de Broglie, dass alle sich bewegenden Teilchen eine Wellenform aufweisen.
Schrödingers Gleichung (1926) beschreibt ein Elektron als Welle und nicht als Punktteilchen. Stattdessen schlug Max Born vor, die Schrödinger-Wellenfunktion zu verwenden, um die Wahrscheinlichkeit zu berechnen, irgendwo um den Kern herum ein Elektron zu finden.
Beide Theorien führten die Idee des Welle-Teilchen-Dualismus ein: "Das Elektron kann sowohl Wellenlängen- als auch Teilcheneigenschaften aufweisen."
Heisenbergsche Unschärferelation
Eine Folge der Beschreibung von Elektronen als Welle ist die mathematische Unmöglichkeit, gleichzeitig Ort und Impuls eines Elektrons zu berechnen.
Dies wurde als Heisenbergsche Unschärferelation bekannt (Werner Heisenberg, 1927). Dieses Prinzip machte das Bohr-Modell mit seinen klaren und klar definierten Kreisbahnen ungültig.
Wie sieht das moderne Atommodell aus?
Das moderne Atommodell beschreibt die Positionen von Elektronen in einem Atom in Form von Wahrscheinlichkeiten.
Ein Elektron kann in beliebiger Entfernung vom Kern gefunden werden, aber je nach Energieniveau kommt es in einigen Regionen um den Kern herum häufiger vor als in anderen; Dieses Wahrscheinlichkeitsmuster wird als Atomorbital bezeichnet.
