8 – Atommodelle

Wir machen uns Bilder von dem, was wir nicht sehen können.

Woraus die unsere Welt mit all ihrer Materie gemacht? Wie ist sie im Allerkleinsten aufgebaut? Auch mit den stärksten Mikroskopen können wir nur begrenzt genau hinschauen. Wir müssen uns darum Bilder davon machen, wie wir uns die Welt im Kleinsten vorstellen.

Dabei gehen wir davon aus, dass die Welt aus kleinsten Teilchen, den Atomen, aufgebaut ist. Und diese wiederum bestehen auch wieder aus noch kleineren Teilchen.

Verschiedene Menschen haben sich verschiedener solcher Bilder oder Modelle von Atomen gemacht. Welches man am besten davon benutzt, hängt davon ab, wofür man das Modell verwenden will. Je komplizierter die Eigenschaften von Atomen sind, die ich betrachten möchte, desto komplizierter muss meist auch das Modell sein, das mir dabei hilft.

Wir stellen ein paar sehr berühmte Modelle von Atomen vor, die sich Menschen im Laufe der letzten 2500 Jahr überlegt haben.

Das Modell von Demokrit

Erkenntnis: Die beiden griechischen Philosophen Leukipp und Demokrit dachten über den Aufbau der Welt im Kleinsten nach. Sie waren überzeugt: Es kann nicht beliebig kleiner werden, irgendwann muss man auf Teilchen stoßen, die sich nicht mehr zerteilen lassen. Kleiner geht es dann nicht. Diese kleinsten Teilchen nannten sie darum „atomos“, was auf griechisch „unteilbar“ bedeutet. Daher kommt heute unser Begriff „Atom“.

Modell: Als ein passendes Bild kann man sich ein solches Atom von Demokrit als eine kleine Kugel vorstellen:

Aus solchen Kugeln, so fanden die beiden, müsste die Welt aufgebaut sein.

Mit dem Modell von Demokrit kann man sich vorstellen, wie Materie im ganz groben Prinzip aufgebaut ist. Und man kann es gut verwenden, wenn es nur darum geht wie Atome sich bewegen, beispielsweise in einem Gas oder in einer Flüssigkeit.

Das Modell von Dalton

Weitere Erkenntnis: Eine ganze Weile später kam in der Chemie die Idee auf, dass die verschiedenen Stoffe auf der Welt aus unterschiedlichen „Elementen“ aufgebaut sein könnten. Beispielsweise aus Eisen, Sauerstoff, Wasserstoff Kohlenstoff usw.

Weiteres Modell: Dalton verknüfte diese Idee mit einer Vorstellung wie die von Demokrit: Diese Elemente müssten alle jeweils aus kleinen Teilchen, den Atomen aufgebaut sein – nur müsste jedes Element aus unterschiedlichen solcher Atome bestehen. Eisenatome wären untereinander alle gleich, aber anders als Kohlenstoffatome. Die Atome könnten sich zwischen den Elementen beispielsweise in ihrer Masse und Größe unterscheiden. Eisenatome könnten schwerer und größer sein als Atome von Kohlenstoff.

Als ein Bild für das Modell von Dalton könnte man unterschiedliche Atome für die unterschiedlichen Elemente zeichnen:

Mit dem Modell von Dalton kann man schon vieles über Reaktionen zwischen Elementen in der Chemie erklären und ausrechnen, wie schwer ein Stoff ist, dass sich aus unterschiedlichen Elementen zusammensetzt.

Das Modell von Thomson

Weitere Erkenntnis: Zu Ende des 19. Jahrhunderts begannen viele Wissenschaftler, die Elektrizität zu erforschen. Man wusste schon, dass es zwei verschiedene elektrische Ladungen gibt, die man „positiv“ und „negativ“ genannt hatte. Thomson entdeckte in einem Experiment, dass aus einem sehr heißen Draht negativ geladene Teilchen heraustraten, die sehr leicht zu sein schienen. Sie mussten aus dem Material des Drahtes gekommen sein.

Weiteres Modell: Thomson machte darum einen radikalen Vorschlag: Das Atom war vielleicht nicht unteilbar, sondern es bestand wiederum auch aus noch kleineren Teilchen. Diese sehr leichten negativ geladenen Teilchen, die er entdeckt hatte, mussten vorher in den Atomen gewesen sein. Er schlus darum ein Modell für Atome vor, was aus negativen und positiven Ladungen bestand. Bei den negativen Ladungen konnte er annehmen, dass es sich um sehr kleine leichte Teilchen handelte. (Wir nennen sie heute „Elektronen“). Weil er weiter nichts über das innere von Atomen wusste, nahm er an, dass die Elektronen einfach irgendwie in den positiv geladenen Rest des Atoms eingebettet waren. Er überlegt sich darum folgendes Bild:

Das Modell von Thomson trifft diese Aussagen:

- - Die negativ geladenen Elektronen sind wie die Rosinen in einem Kuchen in eine positiv geladene Atomkugel eingelagert.
  - Ein Atom ist nach außen neutral geladen. Das heißt, es hat genauso viel positive wie negativ Ladung. Atome können aber Elektronen abgeben oder auch zusätzliche aufnehmen.
  - Wenn ein neutral geladenes Atom ein Elektron abgibt, ist es danach allerdings positiv geladen. (Es wird zu einem positiv geladenen Ion.) Das umgekehrt gilt, wenn das Atom ein zusätzliches Eleketron aufnimmt.

Mit dem Atommodell von Thomson kann man beispielsweise erklären, dass Atome aus elektrisch geladenen Teilchen aufgebaut sind und dass man diese Ladungen auch hinzufügen und entfernen kann.

Das Modell von Rutherford

Weitere Erkenntnis: Um genauer zu wissen, wie sich die Elektronen und die sonstige positiv geladene Materie im Atom verteilt, mursste man sich weitere Experimente überlegen. Rutherford überlegte sich, wie er geschickt in einem Atom „herumstochern“ könnte, um nach kleineren Teilchen zu suchen. Er nahm dafür sehr kleine Teilchen (rdaioaktive Alphateilchen) und stoß sie auf eine sehr dünne Goldfolie. Wenn die Teilchen in den Goldatomen sehr eng zusammensäßen, dann würden die Alphateilchen mit ihnen zusammenstoßen. Tatsächlich passierte das Gegenteil: Die meisten Alphateilchen flogen einfach durch die Goldfolie hindurch.

Weiteres Modell: Rutherford überlegte deshalb, dass er sich die Atome eher nicht als kleine, kompakte Kugeln vorstellen konnte, sondern dass in den Atomen vielmehr ziemlich viel leerer Platz sein musste. Schließlich waren die Alphateilchen nur selten mit einem Teilchen zsuammengestoßen. Er schlug darum ein Modell vor, in dem die positiv geladene Materie wie der Kern einer Kirsche sehr eng in der Mitte vom Atom zusammengezogen war. Die kleinen negativ geladenen Elektronen bewegten sich in seinem Modell dagegen in einem weiten Raum um diesen Kern herum. Diesen Raum nennt man auch „Hülle“.

Das Modell von Rutherford trifft diese Aussagen:

- - Jedes Atom besteht aus einem Kern und einer Hülle.
  - Im Atomkern befindet sich die positive Ladung. Er ist sehr viel kleiner als das gesamte Atom.
  - Die negativ geladenen Elektronen befinden sich in der Hülle des Atoms. Ansonsten ist das Atom weitgehend „leer“.

Mit dem Modell von Rutherford kann man sich noch besser vorstellen, wie sich einzelne Elektronen von einem Atom ablösen oder hinzufügen lassen.

Das Modell von Bohr

Weitere Erkenntnis: In einigen weiteren Experimenten zu Beginn des 20. Jahrhunderts hatte man weiteres über die Elektronen in den Atomen herausgefunden. Zum Beispiel schienen die Elektronen im Atom unterschiedlich viel Energie abgeben zu können. Gibt ein Elektron Energie ab, kann man das beispielsweise manchmal als Licht in verschiedenen Farben sehen. Niels Bohr dachte darüber nach, wie das zum Modell von Rutherford passen könnte.

Weiteres Modell: Bohr machte folgenden Vorschlag: Die Elektronen können sich nicht einfach irgendwie um den Kern herumbewegen, sondern nur auf bestimmten „Bahnen“. Zu jeder dieser „Bahn“ gehört eine bestimmte Menge an Energie. Wenn ein Elektron nun von einer Bahn auf eine andere „wechselt“, dann müsste es dafür Energie abgeben – oder dazubekommen – je nachdem, wie sich die Bahnen in der Energie unterscheiden.

Das Bild von Bohrs Atommodell ist heute das bekannteste. – Auch wenn auch dieses Bild wieder nicht ganz passt, wenn man noch weitere Erkenntnisse dazunimmt. Das wusste auch Bohr. Aber Modelle sind eben nicht wahr. Sie sind gut, wenn sie nützlich sind. Wenn sie für eine Situation nicht nützlich sind, muss ein anderes Modell nehmen – oder sich ein neues ausdenken, das besser passt. Noch komplizierter ist dann beispielsweise…

Das Orbitalmodell

Weitere Erkenntnis: Das Orbitalmodell ist genauer, was die Beschreibung der Elektronenbahnen um den Atomkern angeht. Überlegt haben sich dieses Modell unter anderem Schrödinger und Heisenberg und zwar weniger mit neuen Experimenten, sondern theoretisch. Die beiden gehen in ihrem Modell davon aus, dass man sich Elektronenn am besten gar nicht als kleine Teilchen vorstellt, die an einem bestimmten Ort sind, sondern, dass sie nur mit einer bestimmten Wahrscheinlichkeit in einem bestimmten Bereich (Orbital) sind.

Weiteres Modell: Im Orbitalmodell sind diese Bereiche, in denen sich die Elektronen wahrscheinlich aufhalten, als Wolken, Kugeln oder Hanteln dargestellt.