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Dalton: 1808; Atome sind kleine, massivem unzerstörbare Kugeln (Kugelmodell). Von den Atomen eines Elementes nahm er an, dass sie alle gleiche Eigenschaften haben, durch die sie sich von den Atomen anderer Elemente Unterscheiden. Chemische Reaktionen betrachtete er als Umgruppierungen der Atome. Mit dieser Vorstellung konnte er die Mengengesetze (Erhaltung der Masse, konstantes Massenverhältnis) erklären.
Erst Ende des 19. Jahrhunderts erfolgte der entscheidende Durchbruch.
Thomson: Die Untersuchung elektrischer Entladungen in Gasen führte zur Entdeckung eines negativ geladenen Teilchens, das wesentlich leichter ist als ein Atom: Thomson nannte es Elektron und konnte zeigen dass es ein Bestandteil der Atome ist. Die Vorstellung , dass die Atome unzerstörbar sind, musste also aufgegeben werden.
Das von Thomson 1898 ausgearbeitete Atommodell ging von der Annahme aus, dass im positiv geladenen Atom die negativ geladenen Elektronen starr eingelagert sind.
Weitere Aufschlüsse brachte die Untersuchung der radioaktiven Strahlung:
Becquerel: Er entdeckte 1896, dass Uran eine unsichtbare Strahlung aussendet, die
eine in lichtundurchlässiges Papier eingepackte Fotoplatte schwärzen
kann.
Marie und
Pierre Curie: Sie entdecketen 1898 im Uranerz zwei neue, noch wesentlich stärker
strahlende Elemente, das Polonium und das Radium.
Rutherford: Er fand 1903 die Ursache dieser bis dahin rätselhaften Strahlung: Die Atome dieser Elemente zerfallen.
Der radioaktive Zerfall verläuft bei den einzelnen radioaktiven Elementen unterschiedlich rasch und ist nicht zu beeinflussen.
Die Beständigkeit eines radioaktiven Stoffes wird durch seine Halbwertszeit angegeben, jener Zeit nach der er zur Hälfte zerfallen ist.
Die radioaktiven Strahlen selbst sind unsichtbar, können aber eine Fotoplatte schwärzen und bringen, wenn sie auftreffen, manche Stoffe zum Leuchten.
Man unterscheidet drei Arten:
a-Strahlen sind zweifach positiv geladene Teilchen (Helium-Kerne) mit einer Masse von 4 u. Sie haben an Luft nur eine _Reichweite von wenigen Zentimetern und werden bereits durch ein Blatt Papier abgeschirmt.
b-Strahlen sind Elektronen mit hoher Geschwindigkeit (bis 90% der Lichtgeschwindigkeit), die durch den Zerfall eines Neutrons in ein Proton und ein Elektron entstehen. Sie können einige Millimeter dicke Metallschichten durchdringen.
g-Strahlen sind energiereiche Strahlen ähnlich den Röntgenstrahlen, die mehrere Zentimeter dicke Bleiplatten durchdringen können.
Die Untersuchung des Verhaltens von a-Strahlen bei der Durchdringung dünner Metallfolien führte Rutherford im Jahre 1911 zu grundlegend neuen Erkenntnissen über den Aufbau der Atome.
Rutherfordscher Streuversuch:
Eine etwa 1/2000 Millimeter (1000 Atomlagen) dicke Goldfolie wurde mit a-Strahlen beschossen. Da es sich um Teilchestrahlen handelt müsste jedes a-Teilchen an den bis dahin für undurchdringlich gehaltenen Atomen stark abgelent werden; nur sehr wenige würden die Folie durchdringen können.
Das Gegenteil ist jedoch eingetreten: fast alle a-Teilchen durchdrangen die Goldfolie, nur ganz wenige wurden stärker abgelenkt.
Schema des Durchgangs von a-Teilchen durch eine Goldfolie
(a' = abgelenktes a-Teilchen)
Die Vorstellung, dass Atome undurchdringliche, feste Teilchen sind, konnte somit nicht länger aufrechterhalten werden.
Das Rutherfordsche Atommodell ging daher davon aus, dass die Atome aus einem Atomkern und einer Atomhülle bestehen.
Im Atomkern befinden sich positiv geladene Teilchen, die Protonen und praktisch gleich schwere, ungeladene Teilchen, die Neutronen. Aus dem Anteil der abgelenkten a-Teilchen konnte Rutherford auch die Größe des Atomkerns mit etwa 10-14 m abschätzen, während das ganze Atom einen Durchmesser von ungefähr 10-10 m aufweist.
Die Atomhülle wird von den wesentlich leichteren Elektronen gebildet, die den Atomkern mit hoher Geschwindigkeit umkreisen. Ihre elektrische Ladung ist gleich groß wie die der Protonen, hat aber entgegengesetztes Vorzeichen. In einem elektrisch neutralen Atom daher die Zahl der Protonen gleich der Zahl der Elektronen.
Ruherford nahm weiters an, dass an chemischen Reaktionen nur die Elektronenhülle des Atoms beteiligt ist, der Atomkern hingegen unverändert bleibt.
Erst Bohr konnte etwas über die Verteilung der Elektronen in der Atomhülle aussagen. Bei seinen Überlegungen ging er vom Licht aus, das leuchtende Gase aussendet.
Schickt man Licht durch ein Prisma so entsteht ein Spektrum in dem alle Farben vorhanden sind, ein kontinuierliches Spektrum. Weißes Licht ist ein Gemisch von Lichtwellen verschiedener Wellenlängen.
Gase oder Metalldämpfe jedoch senden, wenn man ihnen durch eine Flamme oder elektrische Entladung genügend Energie zurührt, nur Lichtstrahlen ganz bestimmer Farbe(Wellenlänge) aus. Wird dieses Licht dann auf ein Prisma gerichtet, so sind nur einzelne farbige Linien zu erkennen.
Werden umgekehrt Gase oder Metalldämpfe mit weißem Licht bestrahlt, so absorpieren (aufsaugen) sie genau jene Wellenlängen, die sie auch aussenden können (Absorptions-spektrum).
Den Umstand, dass Atome nur Licht ganz bestimmter Wellenlänge aussenden oder aufnehmen können, erklärte Bohr mit folgender Annahme:
Die Atomhülle besteht aus Elektronen, die sich mit großer Geschwindigkeit im Raum um den Atomkern aufhalten. Unter den Elektronen eines Atoms gibt es energieärmere und
energiereichere - aber auch welche die über annähernd gleiche Energie verfügen.
Zwischen der Energie der Elektronen und ihrem Abstand vom Atomkern besteht ein Zusammenhang:
Je größer der Abstand eines Elektrons vom Atomkern ist, desto größer ist auch seine Energie. Oder: Je größer die Energie eines Elektrons, desto weiter ist es vom Atomkern entfernt.
Durch Energiezufuhr (Flamme, Lichtbogen) wird ein äußeres Elektron gegen die Anziehungskraft des Kerns auf ein höheres Energieniveau gehoben. Schon nach 10 -9 Sekunden fällt es auf ein niedrigeres Energieniveau zurück. Die dabei frei werdende Energie wird in Form von Licht bestimmter Wellenlänge abgegeben. Da nur bestimmte Energieniveaus der Elektronen erlaubt sind, kann das Atom nur ganz bestimmte Energieportionen (Energiequanten) aufnehmen oder abgeben.
Bohr stellte sich diese Energieniveaus als konzentrische Kreisbahnen (Elektronenschalen) vor, auf denen die Elektronen den Kern umkreisen.
Er stellte weiters fest, dass sich in einer Bahn (auf einem Energieniveau) maximal 2 n2 (n = Schalennummer) Elektronen befinden können, in der jeweils äußersten aber nur maximal acht Elektronen. Diese Außenelektronen bestimmen die chemischen Eigenschaften. Die Schalen selbst bezeichnete er mit Großbuchstaben, beginnend mit K. (...L,M,N,O,P,Q)
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