Die Geschichte des Atoms – Theorien und Modelle
Alle Materie besteht aus Atomen. Dies ist etwas, was wir jetzt als gegeben betrachten, und eines der Dinge, die Sie gleich zu Beginn des Chemieunterrichts an der High School oder der Sekundarschule lernen. Trotzdem sind unsere Vorstellungen darüber, was ein Atom ist, überraschend neu: noch vor hundert Jahren diskutierten Wissenschaftler darüber, wie genau ein Atom aussah. Diese Grafik wirft einen Blick auf die Schlüsselmodelle für das Atom vorgeschlagen, und wie sie im Laufe der Zeit verändert.
Obwohl unsere Grafik in den 1800er Jahren beginnt, gab es die Idee der Atome schon lange vorher. In der Tat müssen wir den ganzen Weg zurück ins antike Griechenland gehen, um seine Entstehung zu finden. Das Wort ‚Atom‘ kommt eigentlich aus dem Altgriechischen und bedeutet grob übersetzt ‚unteilbar‘. Die antike griechische Theorie wurde verschiedenen Gelehrten zugeschrieben, wird aber meistens Demokrit (460-370 v. Chr.) und seinem Mentor Leukippos zugeschrieben . Obwohl ihre Vorstellungen von Atomen im Vergleich zu unseren heutigen Konzepten rudimentär waren, skizzierten sie die Idee, dass alles aus Atomen besteht, unsichtbaren und unteilbaren Materiekugeln unendlicher Art und Anzahl.
Diese Gelehrten stellten sich Atome vor, deren Form je nach Atomtyp variiert. Sie stellten sich Eisenatome mit Haken vor, die sie miteinander verriegelten, Erklären, warum Eisen bei Raumtemperatur ein Feststoff war. Wasseratome waren glatt und rutschig und erklärten, warum Wasser bei Raumtemperatur flüssig war und gegossen werden konnte. Obwohl wir jetzt wissen, dass dies nicht der Fall ist, legten ihre Ideen den Grundstein für zukünftige Atommodelle.
Es war jedoch ein langes Warten, bevor diese Fundamente errichtet wurden. Erst 1803 begann der englische Chemiker John Dalton, eine wissenschaftlichere Definition des Atoms zu entwickeln. Er stützte sich auf die Ideen der alten Griechen, als er Atome als kleine, harte Kugeln beschrieb, die unteilbar sind, und dass Atome eines bestimmten Elements miteinander identisch sind. Der letztere Punkt ist einer, der so ziemlich immer noch zutrifft, mit der bemerkenswerten Ausnahme von Isotopen verschiedener Elemente, die sich in ihrer Anzahl von Neutronen unterscheiden. Da das Neutron jedoch erst 1932 entdeckt wurde, können wir Dalton dieses Versehen wahrscheinlich verzeihen. Er entwickelte auch Theorien darüber, wie sich Atome zu Verbindungen verbinden, und entwickelte auch den ersten Satz chemischer Symbole für die bekannten Elemente.
Daltons Darstellung der Atomtheorie war ein Anfang, aber sie sagte uns immer noch nicht viel über die Natur der Atome selbst aus. Was folgte, war eine weitere, kürzere Pause, in der unser Wissen über Atome nicht so weit fortgeschritten war. Es gab einige Versuche zu definieren, wie Atome aussehen könnten, wie Lord Kelvins Vorschlag, dass sie eine wirbelartige Struktur haben könnten, aber erst kurz nach der Wende des 20.Der erste Durchbruch kam in den späten 1800er Jahren, als der englische Physiker Joseph John (JJ) Thomson entdeckte, dass das Atom nicht so unteilbar war, wie zuvor behauptet. Er führte Experimente mit Kathodenstrahlen durch, die in einer Entladungsröhre erzeugt wurden, und stellte fest, dass die Strahlen von positiv geladenen Metallplatten angezogen, aber von negativ geladenen abgestoßen wurden. Daraus folgerte er, dass die Strahlen negativ geladen sein müssen.
Durch Messung der Ladung der Teilchen in den Strahlen konnte er ableiten, dass sie zweitausendmal leichter waren als Wasserstoff, und durch Ändern des Metalls, aus dem die Kathode hergestellt wurde, konnte er feststellen, dass diese Teilchen in vielen Arten von Atomen vorhanden waren. Er hatte das Elektron entdeckt (obwohl er es als ‚Korpuskel‘ bezeichnete) und gezeigt, dass Atome nicht unteilbar waren, sondern kleinere Bestandteile hatten. Diese Entdeckung würde ihm 1906 einen Nobelpreis einbringen.
1904 legte er sein Modell des Atoms vor, das auf seinen Erkenntnissen beruhte. Es wurde als Plumpudding-Modell bezeichnet (wenn auch nicht von Thomson selbst) und sah das Atom als eine Kugel positiver Ladung mit Elektronen vor, die wie Pflaumen in einem Pudding übersät waren. Wissenschaftler hatten begonnen, in die Innereien des Atoms zu blicken, aber Thomsons Modell würde nicht lange herumhängen – und es war einer seiner Schüler, der die Beweise lieferte, um es der Geschichte zu übergeben.Ernest Rutherford war ein neuseeländischer Physiker, der an der Cambridge University bei Thomson studierte. Es war seine spätere Arbeit an der Universität von Manchester, die weitere Einblicke in das Innere eines Atoms geben würde. Diese Arbeit kam, nachdem er bereits 1908 einen Nobelpreis für seine Untersuchungen zur Chemie radioaktiver Substanzen erhalten hatte.Rutherford entwickelte ein Experiment zur Untersuchung der Atomstruktur, bei dem positiv geladene Alphateilchen auf ein dünnes Blatt Goldfolie abgefeuert wurden. Die Alphateilchen waren so klein, dass sie die Goldfolie passieren konnten, und nach Thomsons Modell, das die positive Ladung zeigte, die über das gesamte Atom diffundierte, sollte dies mit geringer oder keiner Ablenkung geschehen. Durch die Durchführung dieses Experiments hoffte er, Thomsons Modell bestätigen zu können, aber am Ende tat er genau das Gegenteil.
Während des Experiments passierten die meisten Alphateilchen die Folie mit geringer oder keiner Ablenkung. Eine sehr kleine Anzahl der Partikel wurde jedoch in sehr großen Winkeln von ihren ursprünglichen Bahnen abgelenkt. Das war völlig unerwartet; Wie Rutherford selbst bemerkte, „Es war fast so unglaublich, als ob Sie eine 15-Zoll-Granate auf ein Stück Seidenpapier feuerten und es kam zurück und traf Sie“. Die einzig mögliche Erklärung war, dass die positive Ladung nicht im Atom verteilt, sondern in einem kleinen, dichten Zentrum konzentriert war: dem Kern. Der größte Teil des Restes des Atoms war einfach leerer Raum.
Rutherfords Entdeckung des Atomkerns bedeutete, dass das Atommodell überdacht werden musste. Er schlug ein Modell vor, bei dem die Elektronen den positiv geladenen Kern umkreisen. Dies war zwar eine Verbesserung des Thomson-Modells, erklärte aber nicht, was die Elektronen im Orbit hielt, anstatt sich einfach in den Kern zu drehen.
Geben Sie Niels Bohr ein. Bohr war ein dänischer Physiker, der versuchte, die Probleme mit Rutherfords Modell zu lösen. Er erkannte, dass die klassische Physik nicht richtig erklären konnte, was auf atomarer Ebene vor sich ging; stattdessen berief er sich auf die Quantentheorie, um die Anordnung der Elektronen zu erklären. Sein Modell postulierte die Existenz von Energieniveaus oder Elektronenhüllen. Elektronen konnten nur in diesen spezifischen Energieniveaus gefunden werden; mit anderen Worten, ihre Energie wurde quantisiert und konnte nicht irgendeinen Wert annehmen. Elektronen konnten sich zwischen diesen Energieniveaus bewegen (von Bohr als ’stationäre Zustände‘ bezeichnet), mussten dies jedoch entweder durch Absorption oder Emission von Energie tun.
Bohrs Vorschlag stabiler Energieniveaus befasste sich in gewissem Maße, aber nicht vollständig, mit dem Problem der Elektronen, die sich in den Kern spiralförmig bewegen. Die genauen Gründe sind etwas komplexer, als wir hier diskutieren werden, weil wir in die komplexe Welt der Quantenmechanik einsteigen; und wie Bohr selbst sagte: „Wenn die Quantenmechanik Sie nicht zutiefst schockiert hat, haben Sie sie noch nicht verstanden“. Mit anderen Worten, es wird irgendwie komisch.
Bohrs Modell löste nicht alle Probleme des Atommodells. Es funktionierte gut für Wasserstoffatome, konnte aber Beobachtungen schwererer Elemente nicht erklären. Es verstößt auch gegen die Heisenbergsche Unschärferelation, einen der Eckpfeiler der Quantenmechanik, der besagt, dass wir nicht sowohl die genaue Position als auch den Impuls eines Elektrons kennen können. Dennoch wurde dieses Prinzip erst einige Jahre nach Bohrs Vorschlag postuliert. Trotz alledem ist Bohrs wahrscheinlich immer noch das Modell des Atoms, mit dem Sie am besten vertraut sind, da es oft das erste ist, das während Chemiekursen an Gymnasien oder weiterführenden Schulen eingeführt wurde. Es hat immer noch seine Verwendung zu; es ist sehr praktisch, um die chemische Bindung und die Reaktivität einiger Elementgruppen auf einer einfachen Ebene zu erklären.
Auf jeden Fall musste das Modell noch verfeinert werden. Zu diesem Zeitpunkt untersuchten und versuchten viele Wissenschaftler, das Quantenmodell des Atoms zu entwickeln. Chef unter diesen war der österreichische Physiker Erwin Schrödinger, von dem Sie wahrscheinlich schon einmal gehört haben (er ist der Typ mit der Katze und der Kiste). 1926 schlug Schrödinger vor, dass sich die Elektronen nicht in festen Bahnen oder Schalen bewegen, sondern wie Wellen verhalten. Dies scheint ein wenig seltsam, aber Sie erinnern sich wahrscheinlich bereits daran, dass sich Licht sowohl als Welle als auch als Teilchen verhalten kann (was als Wellen-Teilchen-Dualität bekannt ist), und es stellt sich heraus, dass Elektronen dies auch können.
Schrödinger löste eine Reihe mathematischer Gleichungen, um ein Modell für die Verteilung von Elektronen in einem Atom zu entwickeln. Sein Modell zeigt den Kern, der von Wolken der Elektronendichte umgeben ist. Diese Wolken sind Wahrscheinlichkeitswolken; Obwohl wir nicht genau wissen, wo sich die Elektronen befinden, wissen wir, dass sie wahrscheinlich in bestimmten Regionen des Weltraums zu finden sind. Diese Bereiche des Raumes werden als Elektronenorbitale bezeichnet. Es ist vielleicht verständlich, warum der Chemieunterricht in der High School nicht direkt zu diesem Modell führt, obwohl es heute das akzeptierte Modell ist, weil es etwas mehr Zeit braucht, um sich zurechtzufinden!
Schrödingers war nicht ganz das letzte Wort über das Atom. 1932 entdeckte der englische Physiker James Chadwick (ein Schüler von Ernest Rutherford) die Existenz des Neutrons und vervollständigte unser Bild der subatomaren Teilchen, aus denen ein Atom besteht. Die Geschichte endet auch dort nicht; physiker haben seitdem entdeckt, dass die Protonen und Neutronen, aus denen der Kern besteht, selbst in Teilchen teilbar sind, die Quarks genannt werden – aber das geht über den Rahmen dieses Beitrags hinaus! Auf jeden Fall gibt uns das Atom ein großartiges Beispiel dafür, wie sich wissenschaftliche Modelle im Laufe der Zeit ändern können, und zeigt, wie neue Beweise zu neuen Modellen führen können.
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