Atommodelle 1: Wie der Kern ins Atom kam
Um Chemie und Physik zu verstehen, musst Du wissen, was Atome sind. Der Atombegriff hat sich über die Zeit sehr verändert und es gab einige Modellvorstellungen, um diese kleinsten Teile zu verstehen. In diesen 2 Artikeln möchte ich Dir die verschiedenen Atommodelle erklären. Dieses Mal beschäftigen wir uns mit allen Atommodellen, die Elektronen noch nicht in Schalen oder Bahnen ordneten. Wir fangen bei den alten Griechen an und begeben uns dann zusammen auf eine Reise bis in die Neuzeit!
Demokrit, 400 v. Chr.
Das Wort Atom stammt von dem griechischen Wort atomos (unteilbar) ab. Der griechische Philosoph Demokrit prägte diesen Begriff. Er postulierte, dass alle Materie aus kleinsten Teilchen besteht. Wenn man einen Block eines Materials immer weiter teilt, kommt man irgendwann zu einem Atom, das sich nicht mehr teilen lässt. Heutzutage wissen wir natürlich, dass man Atome per Kernspaltung sehr wohl teilen kann. Der Begriff "Atom" wird jedoch immernoch genutzt. Atome stellte man sich damals als sehr kleine Körper mit verschieden vielen Flächen (Platonische Körper) vor, je nachdem welchem Element sie angehörten. Damals stellte man sich die Welt zusammengesetzt aus den Elementen Feuer, Erde, Wasser, Luft und Äther vor.
John Dalton, 1803
Inzwischen war bekannt, dass Stoffe und damit auch deren Atome sich voneinander unterscheiden. Es waren auch viel mehr Elemente bekannt, die wir heute auch kennen. Dalton schlug daher vor, dass die Atome der verschiedenen Elemente einfach unterschiedlich groß waren und damit auch unterschiedlich viel wogen (Atommasse). Die Atome wurden aber noch als feste Kugeln neutraler Ladung betrachtet.
Joseph Thomson, 1903
Das Bild des Atoms änderte sich mit Thomson drastisch. Zum ersten Mal war von ihm entdeckt worden, dass sich im Atom positive und negative Ladungen befinden, die Protonen und Elektronen genannt wurden.
Thomson entdeckte auch, dass Elektronen eine Masse haben. Heute wissen wir, dass diese sehr gering ist und kaum etwas vom Atomgewicht ausmacht.
Ernest Rutherford, 1911
Den Hauptteil der Masse eines Atoms macht nämlich der Kern aus, in dem sich die Protonen und Neutronen befinden. Diesen entdeckte Ernest Rutherford 1911, nachdem er sein berühmtes Goldfolienexperiment gemacht hatte und sein Atommodell sah dann so aus:
Rutherford's berühmtes Goldfolienexperiment, mit dem er die Existenz von Atomkernen entdeckte, siehst Du unten. Er schoss Alpha-Strahlung (ganz kleine, positiv geladene Teilchen) auf eine Goldfolie. Wären Atome feste Kugeln, müsste diese Strahlung eigentlich von der Goldfolie abprallen. Aber so war es nicht: Ein Großteil der Strahlung ging einfach durch die Folie hindurch! Nur ein kleiner Prozentsatz wurde abgelenkt oder sogar reflektiert. Rutherford schlussfolgerte richtig, dass sich die positiv geladenen Protonen im Atom in einem sehr kleinen Kern befinden, während der Großteil des Atoms aus einer Elektronenwolke besteht, wo die Alpha-Strahlung einfach hindurchgelangen kann.
Im unteren Teil des Bildes ist das nochmal detaillierter dargestellt. Gezeigt ist hier eine dünne Schicht aus Atomen mit Elektronenhülle (rot) und Kern (dunkelblauer Punkt in der Mitte). Die Alpha-Strahlung wird nur vom Kern abgelenkt oder reflektiert. Da dieser jedoch winzig klein ist, passiert das nur sehr selten und die meiste Strahlung fliegt gerade hindurch.
Mit der Entdeckung des Atomkerns hörte die Forschungsarbeit zum Atom aber nicht auf, im Gegenteil! Mit der Quantenmechanik wurde hier nochmal ein ganz neues Kapitel aufgemacht. Hierzu aber mehr im nächsten Teil dieses Artikels.
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