Chemie 11 – Atombau 1

oder: Woraus das „Unteilbare“ sich zusammensetzt

Nach der Entdeckung des Periodensystems musste man leider feststellen, dass die Atome (atomos = unteilbar) leider nicht die kleinsten Einheiten zu sein scheinen, sondern ihrerseits wohl untergliedert sind ….

Bis da hin stellte man sich die Atome als massive Kügelchen vor. Schätzt man ihre Radien ab, so kommt man auf Werte zwischen ca. 30 bis 300 pm je nach Atomsorte (1 pico-Meter = 0,000 000 000 001 m).

Das Wasserstoffatom ist mit 30 pm Radius das kleinste Atom. Legt man 17 Millionen Wasserstoffatome hintereinander in eine Reihe, käme man damit nur 1 mm weit. Stellt man sich diese Anordnung nun so vergrößert vor, so dass ein Atom nun einen Durchmesser von einem Millimeter hat, käme man mit dieser Aneinanderreihung 17 km weit.

Historischer Abriss: Atombau (bis Nils Bohr)

Sir Joseph John Thomson (1846-1940)

… entdeckte mit Hilfe einer Kathodenstrahlröhre das erste subatomare Teichen (Elementarteilchen): Das Elektron. Zwar wurde von das Elektron – theoretisch – schon von anderen Wissenschaftlern des 19. Jahrhunderts postuliert. Thomson konnte zusammen mit Millikan (siehe unten) aber den Nachweis führen, dass dieses Teilchen negativ geladen ist und eine wesentlich geringere Masse als das kleinste bekannte Atom (Wasserstoff) besitzt.

Es muss sich also um ein subatomares Teilchen handeln ! Thomson stellte sich die Elektronen in den Atomen so eingebettet vor, wie die Rosinen in einem Muffin. Man nannte sein Atommodell folglich Rosinenkuchenmodell:

Der Name Elektron (Bernstein) geht auf George Johnstone Stoney zurück.

Thomsons Versuch wird in den folgenden Video gut beschrieben. Vom zweiten Teil des Videos (den Berechnungen) ist nur der gezeichnete Versuchsaufbau für dich interessant und die Tatsache, dass man daraus das Verhältnis von Ladung und Masse bestimmen kann (nicht die einzelnen Größen)..

Robert Andrews Millikan (1868-1953)

… konnte mit dem nach ihm benannten Versuch die Ladung kleinster elektrisch geladener Öltröpfchen bestimmen. Den kleinsten von ihm beobachteten Wert nennt man Elementarladung. Man nimmt an, dass ein Elektron genau eine Elementarladung trägt. Jetzt konnte man mit Hilfe des von Thomson ermittelten Verhältnisses auch die Masse eines Elektrons ermitteln. Sie beträgt in etwas 1/1700 der Masse eines Wasserstoffatoms.

Auch in den folgenden Video wird der Millikan-Versuch gut beschrieben. Auch hier ist die Berechnung für unsere Zwecke nicht wichtig:

Ernest Rutherford (1871 – 1937)

“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 fast so unglaublich, wie wenn man mit einer 15-Zoll-Granate auf ein Seidenpapier schießt, sie zurückkommt und dich trifft.“

Quelle: https://beruhmte-zitate.de/autoren/ernest-rutherford/

Ernest Rutherford

Ernest Rutherford beschoss eine dünne Goldfolie mit Alphastrahlen. Alphastrahlen haben 2 positive Elementarladungen und in etwa die Masse eines Heliumatoms. Er erwartete, dass diese Teilchen-Strahlunug von der Goldfolie reflektiert werden würde. Leider passierte dies nur zu einem sehr geringen Bruchteil. das meiste ging einfach durch die Folie hindurch:

Rutherford folgerte daraus, dass fast die gesamte Materie in einem winzigen Atomkern konzentriert sein muss. Der Rest besteht wohl aus einer Hülle, die für den Abstand der Atome sorgt. Dazwischen ist ganz offensichtlich Nichts.

So stellte Rutherford sich ein Atom vor:

Die Größenordnungen kann man mit Hilfe des Verhältnisses der gerade durchfliegenden Alphateilchen und der reflektierten Teilchen abschätzen. Damit man sich die Größenordnungen vorstellen kann, hier ein Vergleich:

Vergrößert man den Atomkern eines Wasserstoffatoms auf die Größe einer Orange, wäre die Hülle ca. 1,5 km entfernt.

Niels Bohr (1885 – 1962)

Erhitzt man beispielsweise ein Natriumsalz im Bunsenbrenner, erhält man eine für das Natrium charakteristische Flammenfärbung:

Untersucht man diese Flamme mit einem Spektroskop (Prisma), dann zeigt sich kein kontinuierliches Spektrum, sondern eine für das Natrium charkateristische Signatur.

Es handelt sich um zwei sehr eng beieinander liegende orange-gelbe Linien bei 589,0 nm und 589,6 nm.

Viele Substanzen habe für sie charakteristische Spektrallinien mit deren Hilfe sie auch identifizieren kann.

Niels Bohr erklärte das Auftreten dieser Spektrallinien durch den Aufbau der Elektronenhülle. Dabei ging er von folgenden Annahmen aus:

• Die Elektronen umkreisen den Atomkern auf Schalen (so wie die Planenten die Sonne umkreisen).
• Jede Schale hat einen klaren Energiezustand der darauf laufenden Elektronen (Quantenzustand). Zwischenzustände gibt es nicht.
• Jedes Elektron hat eine Art „Heimschale“, auf der es sich normalerweise aufhält.
• Durch Anregung (z.B. Hitze) kann das Elektron auf eine höhere Schale angehoben werden. Beim zurückfallen auf seine „Heimschale“ wird die Energiedifferenz als Licht frei. So erklärt er die Striche in den Emissionsspektren.

Beim Berechnen der Farben des Wasserstoffspektrums ergab sich eine gute Übereinstimmung der beobachteten Werte mit Bohrs Theorie. Alle komplizierteren Atome sind allerdings nicht mehr berechenbar.

Aus dem Aufbau des Periodensystems zog Bohr weitere Folgerungen:

• Das Wasserstoffatom besteht aus einem Atomkern mit einer positiven Elementarladung und einem Elektron mit einer negativen Elementarladung. Das die beiden Elementarteilchen unterschiedlich geladen sind, ziehen sie sich an. Dem entgegen wirkt die Fliehkraft aufgrund der Kreisbewegung der Elektronen.
• Den Wasserstoffkern nannte man „Proton“ (griechisch: das Erste). Man nahm an, dass es sich ebenso um ein Elementarteilchen handelt. Das Proton hat – da das Elektron nur eine winzige Masse besitzt – fast die gesamte Masse des Wasserstoffatoms, also 1 u.
• Das Elektron umkreist dieses Proton auf der ersten Schale (n=1, auch K-Schale genannt).
• Jede Schale hat einen maximalen Füllgrad: Die innerste Schale kann maximal 2 Elektronen aufnahmen, die nächste 8, dann 18 …..

Schalen Nummer n	kann max. Elektronen aufnahmen
1	2
2	8
3	18
4	32
n	2n²

• Die Anzahl der Schalen eines Atoms kann man aus dem Periodensystem entnehmen, indem man auf die Zeile schaut, in der das Element steht. Z.B. Magnesium Mg (Ordnungszahl 12) steht in der 3. Zeile, hat demnach 3 Schalen.
• Die Anzahl der Protonen und Elektronen entsprechen der Ordnungszahl (Mg hat also 12 Protonen und 12 Elektronen).
• Die Anzahl der Protonen muss immer gleich der Elektronenzahl sein, sonst hätte das Atom ja nach außen hin eine elektrische Ladung.
• Die Schalen werden zunächst von innen nach außen befüllt:
• 2 Elektronen auf die innerste Schale (n=1 oder K-Schale); mehr geht nicht.
• 8 Elektronen auf die 2. Schale (L-Schale); auch hier geht nicht mehr. Jetzt sind bereits 10 (2+8) Elektronen besetzt; …
• … es bleiben für die 3. Schale (M-Schale) also nur noch 2 übrig.
• Diese Vorgehensweise funktioniert bis zum Argon (Ordnungszahl 18) hervorragend. Ab dann tritt jedoch eine kleine Unregelmäßigkeit auf (mehr dazu auf der nächsten Seite)

James Chadwick (1891 – 1974)

Bohrs Idee war insofern Klasse, als sie die Spektralfarben erklären konnte. Sie hatte jedoch einige Schwächen. Die zwei gravierendsten waren:

• Gleichnamige Ladungen stoßen sich ab. Also müsste der Atomkern, der ja aus mehreren positiven Ladungen besteht, auseinanderfliegen.
• Die Atommassenzahlen stimmen nicht mit der Protonenzahl überein. Sie sind grundsätzlich zu groß: So hat Helium (He) beispielsweise 2 Protonen im Kern und 2 Elektronen in der Hülle. Das Elektron wiegt so gut wie nichts. Also müsste He theoretisch eine Atommasse von 2 u haben. Das ist aber nicht der Fall, He hat 4 u (gemessen).

Die Lösung beider Dilemmas kam mit der Entdeckung des Neutrons durch Chatwick (1933). Das Neutron hat keine elektrische Ladung (daher der Name) aber wie das Proton eine Masse von ca. 1 u. He muss also zusätzlich zu den 2 Protonen und 2 Elektronen über 2 Neutronen verfügen. So erklärt sich die zusätzliche Masse.

Auch das erstgenannte Dilemma kann mit Hilfe der Neutronen erklärt werden, wenn man sich diese wie Klebstoff vorstellt, der die positiv geladenen Protonen zusammenklebt.