Die Atomtheorie hat in den letzten tausend Jahren einen langen Weg zurückgelegt. Beginnend im 5. Jahrhundert v. Chr. Mit Demokrits Theorie unteilbarer „Körperchen“, die mechanisch miteinander interagieren, dann im 18. Jahrhundert auf Daltons Atommodell übergehen und dann im 20. Jahrhundert mit der Entdeckung subatomarer Teilchen und der Quantentheorie reifen. Die Entdeckungsreise war lang und kurvenreich.
Einer der wichtigsten Meilensteine auf diesem Weg war wohl Bohrs Atommodell, das manchmal als Rutherford-Bohr-Atommodell bezeichnet wird. Dieses Modell wurde 1913 vom dänischen Physiker Niels Bohr vorgeschlagen und zeigt das Atom als kleinen, positiv geladenen Kern, der von Elektronen umgeben ist, die sich in kreisförmigen Bahnen (definiert durch ihre Energieniveaus) um das Zentrum bewegen.
Atomtheorie bis zum 19. Jahrhundert:
Die frühesten bekannten Beispiele der Atomtheorie stammen aus dem antiken Griechenland und Indien, wo Philosophen wie Demokrit postulierten, dass alle Materie aus winzigen, unteilbaren und unzerstörbaren Einheiten besteht. Der Begriff „Atom“ wurde im antiken Griechenland geprägt und führte zur Denkschule, die als „Atomismus“ bekannt ist. Diese Theorie war jedoch eher ein philosophisches als ein wissenschaftliches Konzept.
Erst im 19. Jahrhundert wurde die Theorie der Atome als wissenschaftliche Angelegenheit artikuliert, und die ersten evidenzbasierten Experimente wurden durchgeführt. Zum Beispiel verwendete der englische Wissenschaftler John Dalton Anfang des 19. Jahrhunderts das Konzept des Atoms, um zu erklären, warum chemische Elemente auf bestimmte beobachtbare und vorhersehbare Weise reagierten. In einer Reihe von Experimenten mit Gasen entwickelte Dalton die sogenannte Dalton-Atomtheorie.
Diese Theorie erweiterte die Gesetze der Konversation von Masse und bestimmten Proportionen und ging auf fünf Prämissen zurück: Elemente bestehen in ihrem reinsten Zustand aus Teilchen, die Atome genannt werden; Atome eines bestimmten Elements sind bis zum letzten Atom alle gleich; Atome verschiedener Elemente können durch ihre Atomgewichte unterschieden werden; Atome von Elementen vereinigen sich zu chemischen Verbindungen; Atome können bei chemischen Reaktionen weder erzeugt noch zerstört werden, nur die Gruppierung ändert sich jemals.
Entdeckung des Elektrons:
Im späten 19. Jahrhundert begannen Wissenschaftler auch zu theoretisieren, dass das Atom aus mehr als einer Grundeinheit bestand. Die meisten Wissenschaftler wagten jedoch, dass diese Einheit die Größe des kleinsten bekannten Atoms haben würde - Wasserstoff. Bis zum Ende des 19. Jahrhunderts würde sich dies dank der Forschung von Wissenschaftlern wie Sir Joseph John Thomson drastisch ändern.
In einer Reihe von Experimenten mit Kathodenstrahlröhren (bekannt als Crookes-Röhre) stellte Thomson fest, dass Kathodenstrahlen durch elektrische und magnetische Felder abgelenkt werden können. Er kam zu dem Schluss, dass sie nicht aus Licht bestehen, sondern aus negativ geladenen Teilchen bestehen, die 100-mal kleiner und 1800-mal leichter als Wasserstoff sind.
Dies widerlegte effektiv die Vorstellung, dass das Wasserstoffatom die kleinste Einheit der Materie sei, und Thompson ging weiter und schlug vor, dass Atome teilbar seien. Um die Gesamtladung des Atoms zu erklären, die sowohl aus positiven als auch aus negativen Ladungen bestand, schlug Thompson ein Modell vor, bei dem die negativ geladenen „Körperchen“ in einem gleichmäßigen Meer positiver Ladung verteilt waren - das sogenannte Plum Pudding Model.
Diese Körperchen wurden später als "Elektronen" bezeichnet, basierend auf dem theoretischen Teilchen, das der anglo-irische Physiker George Johnstone Stoney 1874 vorausgesagt hatte. Daraus entstand das Plum Pudding Model, das so benannt wurde, weil es der englischen Wüste, aus der es besteht, sehr ähnlich war Pflaumenkuchen und Rosinen. Das Konzept wurde in der britischen Ausgabe vom März 1904 der Welt vorgestellt Philosophisches Magazin, zu großer Anerkennung.
Das Rutherford-Modell:
Nachfolgende Experimente zeigten eine Reihe wissenschaftlicher Probleme mit dem Plum Pudding-Modell. Für den Anfang bestand das Problem zu zeigen, dass das Atom eine einheitliche positive Hintergrundladung besaß, die als „Thomson-Problem“ bekannt wurde. Fünf Jahre später wurde das Modell von Hans Geiger und Ernest Marsden widerlegt, die eine Reihe von Experimenten mit Alpha-Partikeln und Goldfolie durchführten - auch bekannt als. das "Goldfolienexperiment".
In diesem Experiment haben Geiger und Marsden das Streumuster der Alpha-Partikel mit einem Fluoreszenzschirm gemessen. Wenn das Thomson-Modell korrekt wäre, würden die Alpha-Partikel ungehindert die Atomstruktur der Folie passieren. Stattdessen stellten sie jedoch fest, dass einige von ihnen direkt durchschossen, einige jedoch in verschiedene Richtungen verstreut waren, während andere in Richtung der Quelle zurückgingen.
Geiger und Marsden kamen zu dem Schluss, dass die Partikel einer elektrostatischen Kraft ausgesetzt waren, die weitaus größer war als die, die das Thomson-Modell zulässt. Da Alpha-Teilchen nur Heliumkerne sind (die positiv geladen sind), implizierte dies, dass die positive Ladung im Atom nicht weit verteilt war, sondern sich in einem winzigen Volumen konzentrierte. Darüber hinaus bedeutete die Tatsache, dass die Partikel, die nicht abgelenkt wurden, ungehindert hindurchgingen, dass diese positiven Räume durch riesige Schluchten leeren Raums getrennt waren.
Bis 1911 interpretierte der Physiker Ernest Rutherford die Geiger-Marsden-Experimente und lehnte Thomsons Modell des Atoms ab. Stattdessen schlug er ein Modell vor, bei dem das Atom aus einem größtenteils leeren Raum bestand, dessen gesamte positive Ladung in seinem Zentrum in einem sehr kleinen Volumen konzentriert war, das von einer Elektronenwolke umgeben war. Dies wurde als Rutherford-Modell des Atoms bekannt.
Das Bohr-Modell:
Nachfolgende Experimente von Antonius Van den Broek und Niels Bohr verfeinerten das Modell weiter. Während Van den Broek vorschlug, dass die Ordnungszahl eines Elements seiner Kernladung sehr ähnlich ist, schlug letztere ein Sonnensystem-ähnliches Modell des Atoms vor, bei dem ein Kern die Ordnungszahl der positiven Ladung enthält und von einer gleichen umgeben ist Anzahl der Elektronen in Orbitalschalen (auch bekannt als Bohr-Modell).
Darüber hinaus verfeinerte Bohrs Modell bestimmte Elemente des Rutherford-Modells, die problematisch waren. Dazu gehörten die Probleme der klassischen Mechanik, die vorhersagten, dass Elektronen elektromagnetische Strahlung abgeben würden, während sie einen Kern umkreisen. Wegen des Energieverlustes sollte das Elektron schnell nach innen gewunden und in den Kern zusammengebrochen sein. Kurz gesagt, dieses Atommodell implizierte, dass alle Atome instabil waren.
Das Modell sagte auch voraus, dass mit zunehmender Spirale der Elektronen ihre Emission rasch an Frequenz zunehmen würde, wenn die Umlaufbahn kleiner und schneller würde. Experimente mit elektrischen Entladungen im späten 19. Jahrhundert zeigten jedoch, dass Atome nur bei bestimmten diskreten Frequenzen elektromagnetische Energie emittieren.
Bohr löste dieses Problem, indem er vorschlug, dass Elektronen den Kern auf eine Weise umkreisen, die mit Plancks Quantentheorie der Strahlung übereinstimmt. In diesem Modell können Elektronen nur bestimmte erlaubte Orbitale mit einer bestimmten Energie besetzen. Darüber hinaus können sie nur dann Energie gewinnen und verlieren, wenn sie von einer erlaubten Umlaufbahn in eine andere springen und dabei elektromagnetische Strahlung absorbieren oder emittieren.
Diese Umlaufbahnen waren mit bestimmten Energien verbunden, die er als bezeichnete Energie Muscheln oder Energieniveaus. Mit anderen Worten, die Energie eines Elektrons in einem Atom ist nicht kontinuierlich, sondern „quantisiert“. Diese Ebenen sind somit mit der Quantenzahl gekennzeichnet n (n = 1, 2, 3 usw.), die er behauptete, konnte mit der Ryberg-Formel bestimmt werden - eine Regel, die 1888 vom schwedischen Physiker Johannes Ryberg formuliert wurde, um die Wellenlängen von Spektrallinien vieler chemischer Elemente zu beschreiben.
Einfluss des Bohr-Modells:
Während sich Bohrs Modell in mancher Hinsicht als bahnbrechend erwies - Rybergs Konstante und Plancks Konstante (auch bekannt als Quantentheorie) mit dem Rutherford-Modell zu verschmelzen -, litt es unter einigen Fehlern, die spätere Experimente veranschaulichen würden. Zunächst wurde angenommen, dass Elektronen sowohl einen bekannten Radius als auch eine bekannte Umlaufbahn haben, was Werner Heisenberg ein Jahrzehnt später mit seinem Unsicherheitsprinzip widerlegen würde.
Während es für die Vorhersage des Verhaltens von Elektronen in Wasserstoffatomen nützlich war, war Bohrs Modell für die Vorhersage der Spektren größerer Atome nicht besonders nützlich. In diesen Fällen, in denen Atome mehrere Elektronen haben, stimmten die Energieniveaus nicht mit den Vorhersagen von Bohr überein. Das Modell funktionierte auch nicht mit neutralen Heliumatomen.
Das Bohr-Modell konnte auch den Zeeman-Effekt nicht erklären, ein Phänomen, das der niederländische Physiker Pieter Zeeman 1902 feststellte, bei dem Spektrallinien bei Vorhandensein eines externen statischen Magnetfelds in zwei oder mehr geteilt werden. Aus diesem Grund wurden mit Bohrs Atommodell mehrere Verfeinerungen versucht, die sich jedoch ebenfalls als problematisch erwiesen.
Dies würde letztendlich dazu führen, dass Bohrs Modell von der Quantentheorie abgelöst wird - im Einklang mit der Arbeit von Heisenberg und Erwin Schrödinger. Trotzdem bleibt Bohrs Modell als Lehrmittel nützlich, um die Schüler in modernere Theorien einzuführen - wie die Quantenmechanik und das Valenzschalen-Atommodell.
Es würde sich auch als wichtiger Meilenstein bei der Entwicklung des Standardmodells der Teilchenphysik erweisen, das durch „Elektronenwolken“, Elementarteilchen und Unsicherheit gekennzeichnet ist.
Wir haben hier im Space Magazine viele interessante Artikel über Atomtheorie geschrieben. Hier ist John Daltons Atommodell: Was ist das Plum Pudding-Modell, Was ist das Elektronenwolkenmodell? Wer war Demokrit? Und was sind die Teile des Atoms?
Astronomy Cast hat auch einige Episoden zu diesem Thema: Episode 138: Quantenmechanik, Episode 139: Energieniveaus und Spektren, Episode 378: Rutherford und Atome und Episode 392: Das Standardmodell - Intro.
Quellen:
- Niels Bohr (1913) „Zur Konstitution von Atomen und Molekülen, Teil I“
- Niels Bohr (1913) „Zur Konstitution von Atomen und Molekülen, Teil II Systeme, die nur einen einzigen Kern enthalten“
- Encyclopaedia Britannica: Borh-Atommodell
- Hyperphysik - Bohr-Modell
- Universität von Tennessee, Knoxville - Das Borh-Modell
- Universität von Toronto - Das Bohr-Modell des Atoms
- NASA - Stellen Sie sich das Universum vor - Hintergrund: Atome und Lichtenergie
- Über Bildung - Bohr-Modell des Atoms
