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Abgebrannten Kernbrennstoff Pool

Turbine eines Kernkraftwerks

Atomtheorie, Evolution von Atommodellen

Atomtheorie, Evolution von Atommodellen

Die Atomtheorie ist eine wissenschaftliche Theorie der Natur der Materie. Die Atomtheorie besagt, dass Materie aus Einheiten besteht, die Atome genannt werden.

Die Atomtheorie begann als philosophisches Konzept im antiken Griechenland. Man glaubte dann, ein Atom sei eine unteilbare Einheit. Das Wort Atom stammt aus dem altgriechischen Adjektiv Atom, was "unteilbar" bedeutet. 

Ab dem 19. Jahrhundert begannen Wissenschaftler, wissenschaftliche Theorien zu experimentieren und zu entwickeln.

Zu Beginn des 20. Jahrhunderts entdeckten Physiker, dass das "unteilbare Atom" tatsächlich ein Konglomerat verschiedener subatomarer Teilchen ( Elektronen, Protonen und Neutronen) ist.

Die Teilchenphysik ist das wissenschaftliche Gebiet, das subatomare Teilchen untersucht. Auf diesem Gebiet hoffen die Physiker, die wahre fundamentale Natur der Materie zu entdecken.

Was hat John Dalton über das Atom entdeckt?

John Dalton entwickelte das Gesetz mit mehreren Proportionen und schlug später ein erstes wissenschaftliches Atommodell vor: Daltons Atomtheorie.

Gegen Ende des 18. Jahrhunderts tauchten zwei Gesetze chemischer Reaktionen auf, ohne auf den Begriff der Atomtheorie Bezug zu nehmen:

  • Gesetz der Massenerhaltung (Antoine Lavoisier, 1789), das besagt, dass die Gesamtmasse bei einer chemischen Reaktion konstant bleibt.

  • Gesetz bestimmter Proportionen (Joseph Louis Proust, 1799). Dieses Gesetz besagt, dass, wenn eine Verbindung in ihre Bestandteile zerlegt wird, die Massen der Bestandteile immer die gleichen Anteile haben.

Gesetz von mehreren Proportionen

John Dalton studierte beide Gesetze und entwickelte das Gesetz mit mehreren Proportionen: 

"Wenn sich zwei Elemente zu einer Reihe von Verbindungen verbinden können, ist das Massenverhältnis des zweiten Elements, das sich mit einer festen Masse des ersten Elements verbindet, ein Verhältnis kleiner Ganzzahlen."

Dalton-Atommodell

Dalton schlug vor, dass jedes chemische Element aus Atomen nur eines Typs besteht. Obwohl sie nicht chemisch modifiziert oder zerstört werden konnten, konnten sie sich zu komplexeren Strukturen (Molekülen) verbinden.

Dalton gelangte zu diesen Schlussfolgerungen empirisch und nach einer wissenschaftlichen Methode. Daher war dies die erste wirklich wissenschaftliche Theorie des Atoms.

Daltons Atomtheorie basiert auf 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

Im Jahr 1897 entdeckte JJ Thomson das Elektron:

Das Atom war nicht das kleinste Teilchen eines Elements.

Thomson schlug vor, dass Atome mit anderen Bestandteilen teilbar seien.

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 sich im Zentrum befindet.

Diese Entdeckung veranlasste Rutherford, ein planetarisches Atommodell vorzuschlagen, bei 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 Größen, die als Quanten bekannt sind, emittiert oder absorbiert wird.

Das vorherige Planetenmodell warf zwei wesentliche Mängel auf:

  1. Im Gegensatz zu Planeten sind Elektronen geladene Teilchen. Es ist bekannt, dass eine elektrische Ladung vom Beschleuniger elektromagnetische Wellen aussendet. Ein umlaufendes Teilchen sollte ständig Energie verlieren und sich in Richtung des Kerns drehen und in Sekundenbruchteilen mit ihm kollidieren.

  2. 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 in einer bestimmten Kreisbahn mit dem Drehimpuls um den Kern drehen, und die feste Abstandsenergie vom Kern (dh der Bereich) ist proportional zur Energie. ""

In diesem Modell kann ein Elektron nicht in den Kern eindringen, da es nicht kontinuierlich Energie verlieren kann. Stattdessen konnte es nur sofortige Quantensprünge zwischen festen Energieniveaus ausführen.

Was ist Welle-Teilchen-Dualität?

Im Jahr 1924 behauptete Louis de Broglie, dass alle sich bewegenden Teilchen eine Wellenform zeigten.

Schrödingers Gleichung (1926) beschreibt ein Elektron eher als Welle als als Punktteilchen. Max Born schlug stattdessen vor, die Schrödinger-Wellenfunktion zu verwenden, um die Wahrscheinlichkeit zu berechnen, ein Elektron irgendwo um den Kern herum zu finden.

Beide Theorien führten die Idee der Welle-Teilchen-Dualität ein: "Das Elektron kann sowohl Wellenlängen- als auch Teilcheneigenschaften aufweisen."

Heisenberg-Unsicherheitsprinzip 

Eine Folge der Beschreibung von Elektronen als Welle ist die mathematische Unmöglichkeit, gleichzeitig die Position und den Impuls eines Elektrons zu berechnen. 

Dies wurde als Heisenberg-Unsicherheitsprinzip bekannt (Werner Heisenberg, 1927). Dieses Prinzip machte das Bohr-Modell mit seinen klaren und klar definierten Kreisbahnen ungültig.

Wie ist das moderne Atommodell?

Das moderne Modell des Atoms beschreibt die Positionen von Elektronen in einem Atom in Form von Wahrscheinlichkeiten.

Ein Elektron kann in jeder Entfernung vom Kern gefunden werden, aber je nach Energieniveau tritt es in einigen Regionen um den Kern herum häufiger auf als in anderen. Dieses Wahrscheinlichkeitsmuster wird als Atomorbital bezeichnet.

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Erscheinungsdatum: 13. November 2018
Geändert am: 11. Oktober 2020