Klassische Atommodelle im Realitätscheck

Nach einer langen Zeit, wo das Atom vor allem eine philosophische Idee war, brachte das 18. Jahrhundert und vor allem der Beginn des 19. Jahrhunderts ernstzunehmende Fortschritte der ursprünglich antiken Ideen. So fing man beispielsweise an, unterschiedliche Elemente und somit unterschiedliche "Arten" von Atomen zu vermuten. Ein früher Vorläufer des Periodensystems der Elemente (PSE) wurde um 1800 von John Dalton entwickelt. Heute kennen wir das PSE aus dem Chemie-Unterricht der Schule mit seinen 118 chemischen Elementen, die aus Atomen einer ganz bestimmten Masse aufgebaut sind: Ein Sauerstoff-Atom ist z.B. deutlich schwerer als ein Wasserstoff-Atom.
  

Verglichen damit, wie lange sich die antiken und philosophischen Ideen gehalten haben, ging die Entdeckung und Entwicklung des Periodensystems eher zügig. In circa 100 Jahren entdeckte man immer mehr Elemente - also unterschiedliche Atomgrößen - und die zugehörigen Modelle vom Aufbau der Atome wurden immer detailreicher. Die vier folgenden Atommodelle verdeutlichen die einzelnen Entwicklungssprünge:
  

Modell nach Dalton (1803)

John Dalton schlug 1803 ein Modell vor, nach dessen Vorstellung ein Atom ein nicht weiter teilbares Teilchen wäre. Jeder Stoff bestünde aus diesen kugelförmigen Teilchen und je nach Element haben die Atome eine unterschiedliche Masse. Dalton unterschied also bereits nach unterschiedlichen Atomgrößen bzw. Elementen und er hielt zudem fest, dass bestimmte Anzahlverhältnisse von unterschiedlichen Atomen in Zusammensetzung neue Stoffe bilden, die man heute Moleküle nennen würde. Bild: MINT-Campus

Modell nach Thompson (1903)

100 Jahre nach Dalton wurden die Modelle allmählig umfangreicher. Joseph John Thomson entdeckte das Elektron und räumte damit mit der Sichtweise auf, dass das Atom die kleinste Struktureinheit aller Stoffe sei. Das Atom sollte nun also aus kleineren Bausteinen bestehen, die zudem elektrisch geladen sind. Sein "Rosinenkuchenmodell" besagt, dass sich positive Ladungen und die negativen Ladungen (die Elektronen) ungeordnet im Atom bewegen. Bild: Kurzon / Wikipedia Commons

Modell nach Rutherford (1911)

Ernest Rutherford stützte sich auf Thomsons Rosinenkuchen und basiered auf neuen experimentellen Erkenntissen machte er neue Vorschläge zur internen Struktur der Atome. Statt einem umgeordenten Rosinenkuchen unterschied Rutherford 1911 erstmals zwischen einer Atomhülle und dem Atomkern. Der Kern ist sehr klein, positiv geladen und trägt die Hauptmasse des Atoms. Die Hülle um den Kern beinhaltet eine gewisse Menge Elektronen, die sich in ihr bewegen. Bild: Bensteele1995 / Wikipedia Commons

Modell nach Bohr (1913)

Nur zwei Jahre nach Rutherford brachte der dänische Physiker Niels Bohr noch mehr Ordnung ins Atom. Im positiv geladenen Atomkern ist nachwievor fast die ganze Masse des Atoms konzentriert, aber die Elektronen bewegen sich nach Bohr nicht ungeordnet in der Atomhülle. Vielmehr umkreisen die Elektronen auf festen Kreisbahnen den Kern. Jede dieser Kreisbahn ist energetisch festgelegt, d.h. ein Elektron auf einer Kreisbahn hat ein ganz bestimmtes Energieniveau. Wenn ein Elektron von einer Bahn auf eine andere wechselt, wird dabei entweder Energie benötigt oder frei. Bild: Thalia Inga / Wikipedia Commons

  

Niels Bohr hat mit seinem Atommodell zwar versucht, die physikalischen und experimentellen Erkenntnisse seiner Zeit in ein Modell zu vereinigen, aber auch sein Vorschlag lässt Fragen offen bzw. wirft neue Probleme auf. So hilft die Einführung von diskreten Kreisbahnen und Energieniveaus einerseits die damals bekannte Wechselwirkung zwischen Materie und elektromagnetischer Strahlung (Licht) zu verstehen; gleichzeitig müsste nach den Gesetzen der Physik das Bohr'sche Atom direkt wieder zusammenfallen. Der Grund: Eine den Kern umkreisende Ladung strahlt zwangsläufig Energie ab. Dieser kontinuierliche Energieverlust würde bewirken, dass das Elektron auf einer Spiralbahn in den Kern stürzt. Das Bohr'sche Modell kann also auch nicht des Rätsels Lösung sein - einfach weil das Atom nicht stabil ist. Die Animation rechts verdeutlicht das Dilemma. Animation: Jacopo Bertolotti / Wikipedia Commons

Was lernen wir daraus? Die Physik des frühen 20. Jahrhunderts hat große Fortschritte gemacht. Immer kompliziertere Experimente haben Einblicke in die Welt des ganz Kleinen gegeben und die Vorstellungen vom Atom und sein Aufbau sind dadurch immer konkreter geworden. Jedoch zeigt das Dilemma bei Bohr, dass was grundsätzlich Neues her muss. Die Vorstellung des Elektrons als umkreisendes Punktteilchen scheint nicht zufriedenstellend. Ist es ein Ausweg, die Lokalität des Elektrons aufzuweichen und es nicht mehr als Punktladung zu verstehen? Genau hier beginnt die Quantenphysik!