P116 Ein Blick zurück

 21. Das Wasserstoffatom

Beginnen wir mit dem einfachsten Atom, was es gibt: Das H-Atom hat einen einfach positiv geladenen Atomkern (ein Proton) und ein Elektron in der Elektronenhülle.

In Prüfungen kann es vorkommen, dass man einige Eigenschaften historischer Vorstellungen über Atome kennen soll. Wir stellen sie hier zusammen.

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21.1. Historische Atommodelle

Vor 2500 Jahren: In der griechischen Philosophie entsteht die Vorstellung, die Welt sei aus kleinsten unteilbaren Teilchen aufgebaut, Atome genannt (Demokrit).

Im 18. und 19. Jahrhundert führte man viele Eigenschaften der Gase auf das Verhalten solcher klienr Gasteilchen zurück.

Insbesondere:

Ab 1860 wurden Spektren von atomaren Gasen untersucht und die Emissionslinien klassifiziert (Kirchhoff, Bunsen, Fraunhofer).

Ab 1870 wurde das Periodensystem der chemischen Elemente entwickelt (Mendelejew)

Thomsonsches Atommodell:

1904 entwickelte J.J. Thomson die Vorstellung, dass das Atom aus einer gleichmäßig verteilten positiv geladenen Masse besteht, in der die Elektronen als negativgeladene Teilchen eingebettet sind "Rosinenkuchenmodell").

1905 zeigte Einstein durch Auswerten der Brownschen Bewegung, dass Atome keine Modellvorstellungen sind, sondern real existierende Objekte.

 Auszüge aus der Originalarbeit von Thomson 

Rutherfordsches Atommodell:

1911 konnte Ernest Rutherford durch Streuversuche von Helium-Atomkernen (Alphastrahlung) an Goldatomen zeigen, dass Atome im wesentlichen aus leerem Raum bestehen. Sie haben einen winzig kleinen Atomkern, in dem fast die gesamte Masse sitzt. Er und sein Assistent Marsden beobachteten, dass ganz selten die Heliumkerne extrem stark abgelenkt, sogar zurückgeworfen wurden. Sie sind auf den sehr kompakten Atomkern gestoßen. Durch die Elektronenhülle konnten sie immer ungehindert durchgehen.

 

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Auf Rutherford geht die Vorstellung vom Atomkern, umgeben von einer Elektronenhülle, zurück.

Das erweiterte Nils Bohr 1913 zu seinem berühmten Atomodell des Wasserstoffs. Dafür erhielt er nicht nur den Nobelpreis, sondern legte auch die Grundlage für viele Abituraufgaben.

(Übrigens: Sein Sohn Aarge erhielt 1975 ebenfalls den Nobelpreis für entsprechende Arbeiten über den Atomkern)

Erst 1914  zeigte sich die quantenhafte Emission und Absorption von Energie (Franck-Hertz-Versuch). 

Das erste Bild eines Atoms wurde 1951 mit einem Feldelektronenmikroskop hergestellt: Es war ein Leuchtpunkt auf dem Fluoreszenzschirm, der aber auch die Wärmebewegung wiederspiegelte.

 Inszwischen können wir nicht nur einzelne Atome beobachten, sondern auch mit ihnen einzeln Nanostrukturen und Nanomaschinen zusammenbauen.

Auch zeitaufgelöste Beobachtung des Verhaltens der Elektronen im Inneren der Atome sind inzwischen kein Problem mehr.

21.2 Größenvorstellungen

In 12 g Kohlenstoff sind etwa 6*10^23 Atome, wahrscheinlich mehr als es Sterne im Universum gibt.

Die Massen der Atome liegen in der Größenordnung 10^(-27) kg bis 10^(-26 kg), also dem 10- bis 100 000-fachen der Elektronenmasse.

Die Ausdehnung kann man mit dem Ölfleckversuch abschätzen: Eine bekannte Menge Öl wird auf Wasser gespritzt. Es bildet sich eine einmolekulare Scchiht, aus deren Größe man die Größe der Moleküle abschätzen kann.

Die Atomgröße liegt im Bereich von 0,1 nm.

Die Größe der Atomkerne liegt bei 1/100 000 des Atoms, also bei 10^(-15 ) m = 1 fm.

Stell Dir den Königsplatz in Kassel als Atom vor, dann wäre der Atomkern ein Stecknadelkopf in der Platzmitte. 

 Atome sind leere Gebilde aus Feldern.

Mehr Info zum Ölfleckversuch