Atommodelle/ Schülerreferat Physik GK 13

Die Entwicklung von Die Entwicklung von AtommodellenAtommodellen

Gliederung

1. Entstehung des Atombegriffs

2. Das Dalton‘sche Atommodell

3. Das Atommodell von Thomson

4. Rutherfords Streuversuch

5. Das Rutherford‘sche Atommodell

6. Das Bohr‘sche Atommodell

7. Bestätigungen für das Bohr‘sche Atommodell

8. Schwächen des Bohr‘schen Atommodells

1. Die Entstehung des Atombegriffs in der Die Entstehung des Atombegriffs in der AntikeAntike

• Atomvorstellung Demokrits:

• Materie besteht aus kleinsten, unteilbaren

Teilchen -> Atome

• Atome unterscheiden sich in Form, Größe und

Gewicht voneinander

• Grundsubstanz für alle existierenden Stoffe

• Philosophische Spekulation

• „Nur scheinbar hat ein Ding eine Farbe, nur scheinbar ist

es süß oder bitter; in Wirklichkeit gibt es nur Atome

und den leeren Raum.“ –Demokrit (ca. 400 v. Chr.)

2. Das Atommodell von Dalton (1803)Das Atommodell von Dalton (1803)

Kernaussagen:• Atome eines Elements sind kleinste, unteilbare

Kügelchen mit homogener Massenverteilung• Atome eines einzelnen Elements sind untereinander

gleich• Atome zweier versch. Elemente unterscheiden sich

voneinander in ihrer Masse• Atome sind unzerstörbar, können weder vernichtet noch

erzeugt werden• Bei einer chem. Reaktion verbinden sich mehrere Atome

untereinander zu einem Molekül

2. Leistungsfähigkeit und Grenzen des Leistungsfähigkeit und Grenzen des Dalton‘schen AtommodellsDalton‘schen Atommodells

Übereinstimmung mit der Erfahrung

• Gasgesetze

• Gesetz von der Erhaltung der Masse

• Gesetz der konstanten Proportionen

• Gesetz der multiplen Proportionen

Grenzen des Modells

Nichtdeutbarkeit folgender Erscheinungen:

• Elektrische + magnetische Erscheinungen

• Elektrolyse

• Photoeffekt, Glühemission

3. Das Atommodell von Thomson (1903) 3. Das Atommodell von Thomson (1903)

• Kernaussagen:

• Atome sind nicht unteilbar

• Atome bestehen aus homogener Materiekugel

• Positive Ladung und Masse ist kontinuierlich über das ganze Atom verteilt

• Negativ geladene Teilchen (Elektronen) sind darin eingebettet wie Rosinen in einem Kuchen-> Rosinenkuchen-Modell

• Atom besteht aus gleichviel positiv wie negativ geladenen Elektronen

Das Rosinenkuchen-Modell

3. Leistungsfähigkeit und Grenzen des Leistungsfähigkeit und Grenzen des Thomson‘schen AtommodellsThomson‘schen Atommodells

Übereinstimmung mit der Erfahrung

• Ionisierung von Atomen• Nachweis von

Photoeffekt, Glühemission

Grenzen des Modells

Nichtdeutbarkeit folgender Erscheinungen:

• Radioaktivität• Elektrische Neutralität der

Atome

4. Streuversuch – Aufbau und Durchführung4. Streuversuch – Aufbau und Durchführung

Goldfolie

abgelenktes-Teilchen

-Strahlung

Bleiblock

radioaktives Radiumpräparat

Lochblende

Zinksulfidschirm

Lichtblitze

Streuversuch - AnimationStreuversuch - Animation

Goldfolie

Bleiblockmit Radiumpräparat

Zinksulfidschirm

Animation-Start

Lochblende

4. Interpretation und SchlussfolgerungenInterpretation und Schlussfolgerungen

• Ablenkung der Alpha-Teilchen und Winkelverteilung- Sehr kleines Massezentrum im Atom, welches

elektrisch geladen ist• Die meisten Teilchen passieren Goldfolie ungehindert

- Zwischen Kernen muss großer Freiraum bestehen

• Rutherford entwickelt Gleichung, um Streuung der Alpha-Teilchen zu berechnen- Aus ihr geht hervor, dass das reflektierende Objekt

im Atom positiv geladen ist

Nagaokas planetarisches Modell

5. Das Atommodell von Rutherford (1911)Das Atommodell von Rutherford (1911)Kernaussagen:• Die Masse des Atoms ist nicht

gleichmäßig verteilt, sondern im Atomkern konzentriert

• In der Atomhülle befinden sich die negativen Ladungen, der Atomkern ist positiv geladen

• Beide Ladungen sind gleich groß, sodass das Atom nach außen elektrisch neutral ist

• Die Abmessungen des Atomkerns sind klein gegenüber denen der Hülle

• Die Elektronen umkreisen den Atomkern

5. Das Rutherford‘sche AtommodellDas Rutherford‘sche Atommodell

5. Leistungsfähigkeit und Grenzen des Leistungsfähigkeit und Grenzen des Rutherford‘schen AtommodellsRutherford‘schen Atommodells

Vorteile des Modells

• Ermöglicht die Erklärung der Ergebnisse der Streuversuche

• Beschreibt richtig die Masse- und Ladungsverteilung im Atom

Nachteile des Modells

• Stabilität der Atome kann nicht erklärt werden

• Entstehung von Spektrallinien kann nicht erklärt werden

• Ein fester Atomdurchmesser ist nicht erklärbar

• Keine Ableitungen zur räumlichen Verteilung der Elektronen möglich

6. Das Bohr‘sche AtommodellDas Bohr‘sche Atommodell

6. Das Bohrsche AtommodellDas Bohrsche Atommodell

Niels Bohr entwickelte 1913 das Rutherfordsche Atommodell weiter

• Modell ist vergleichbar mit dem Planetensystem

Annahme: Elektronen fliegen auf ähnlichen Kreis- oder Ellipsenbahnen um den Kern

• Problem: im Kreis bewegte Ladungen strahlen elektromagnetische Wellen ab

6. Das Bohr‘sche AtommodellDas Bohr‘sche Atommodell

• Bohr löste Problem durch seine Postulate Elektronen bewegen sich auf Bahnen und Übergänge zwischen den Bahnen sind nur in Sprüngen möglich

• Mit klassischer Physik nicht erklärbar

• Ein Postulat (von lat.: postulatum = „Forderung“) ist ein Grundsatz, den man akzeptieren kann oder nicht.

6. Das Bohr‘sche AtommodellDas Bohr‘sche Atommodell

1. Bohrsches Postulat:

Das Elektron kreist um dem Atomkern auf einer Quantenbahn, die durch einen ganz bestimmten diskreten Energiewert En1 gekennzeichnet ist. Es strahlt bei dieser Kreisbewegung keine Energie ab.

Für die Bewegung auf einer Quantenbahn gilt die Quantenbedingung:

Das Produkt aus dem Umfang 2πr der Kreisbahn und dem Impuls mv des Elektrons muss ein ganzzahliges Vielfaches des Planckschen Wirkumsquantum h sein:

2πr · mv = n · h• Die Zahl n = 1; 2; 3;.... heißt Quantenzahl.

6. Das Bohr‘sche AtommodellDas Bohr‘sche Atommodell

• Auf verschiedenen Quantenbahnen befindet sich das Elektron in jeweils anderen Energiezuständen

• Grundzustand: Bahn mit der Quantenzahl n = 1

• Atom kann Energie absorbieren und in angeregten Zustand übergehen

Bahn mit einer höheren Quantenzahl n2

Nach kurzer zeit fällt spontan zurück

6. Das Bohr‘sche AtommodellDas Bohr‘sche Atommodell

6. Das Bohr‘sche AtommodellDas Bohr‘sche Atommodell

2. Bohrsches Postulat

Die Energie des Atoms ändert sich nur, wenn das Elektron die Quantenbahn wechselt.

Geht das Atom von einem Zusatnd höherer Energie En2 in einen Zustand niedriger Energie En1 über, so emittiert es ein Photon der Energie

h · f = En2 – En1.

6. Das Bohr‘sche AtommodellDas Bohr‘sche Atommodell

6. Das Bohr‘sche AtommodellDas Bohr‘sche Atommodell

6. Das Bohr‘sche AtommodellDas Bohr‘sche Atommodell

Für die Wellenlänge λ der Linien im Wasserstoffspektrum gilt:

• Siehe Tafel xD

R = 1.10 · 10^7 m^-1 ist die Rydberg-Konstante

n2 ist die Quantenzahl des Ausgangsniveaus

n1 ist die Quantenzahl des Endniveaus.

7. Bestätigungen für das Bohr‘sche Bestätigungen für das Bohr‘sche AtommodellAtommodell

Größe der Atome• Ableitung der Größe von Atomen aus allgemeinen

Annahmen

Spektrale Übergänge• Rydberg-Formeln können abgeleitet werden, physikalische

Bedeutung wird klar• Lassen ein einleuchtendes Bild der Vorgänge im Atom

entstehen

Der Franck – Hertz – Versuch (1913)

K : Kathode

G: gitterförmige Zwischenelektrode

A: Auffangelektrode

Der Franck – Hertz – Versuch (1913)

8. Schwächen des Bohr‘schen Schwächen des Bohr‘schen AtommodellsAtommodells

• Postulate werden durch keine grundlegende Prinzipien sondern durch ihren Erfolg gerechtfertigt

• Widerspruch zur Elektrodynamik

• Kreis- und Ellipsenbahnen von Bohr kommen in der Realität nur als klassischer Grenzfall vor

• Bohrs Modell beschreibt das Verhalten von Wasserstoffatomen und von Ionen mit nur einem Elektron Mehrelektronensysteme werden nicht erfasst

8. Schwächen des Bohr‘schen Schwächen des Bohr‘schen AtommodellsAtommodells

• Wasserstoffatom in Bohrs Modell müsste eine flache Scheibe sein

• Chemische Bindungen können nicht erfasst werden

• Aufspaltung vieler Spektrallinien unter dem Einfluss von Magnetfeldern (Zeeman-Effekt) kann nicht erklärt werden

• Die Vorstellung einer definierten Bahn verletzt die 1927 von Werner Heisenberg entdeckte Unschärferelation

• Quantisierung des Drehimpulses nicht erklärbar

Quellen

• http://www.quantenwelt.de/atomphysik/modelle/bohr.html

• http://de.wikipedia.org/wiki/Bohrsches_Atommodell

• http://www.zum.de/Faecher/Materialien/beck/chemkurs/cs11-7.htm

• http://www.leifiphysik.de/web_ph12/geschichte/10atomvorstellung/atom.htm

• http://cynthiondesign.com/historyofearlymodernphysics/atomicmodels.html

• http://www.quantenwelt.de/atomphysik/modelle/rutherford.html

• http://www.chemgapedia.de/vsengine/vlu/vsc/de/ch/13/vlu/analytik/aas/atombau.vlu/Page/vsc/de/ch/13/pc/analytik/aas/aas4_fhv.vscml.html

• Tanja Reimbold, Abiturwissen Physik, Stuttgart 2009

• Autorenkollektiv, DUDEN Abiturwissen Physik, Mannheim 2007

• Wilfried Kuhn, Physik 2, Braunschweig 2000