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Zwischen 1900 und 1930 wurde das auch heute übliche Modell zum Aufbau
von Atomen entwickelt.
Für die Chemie haben wir 3 Grundbausteine: Die negativ geladenen Elektronen
bilden die Hülle.
Der Kern ist aus zwei Kernbausteinen (Nukleonen) zusammengesetzt
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positiven Protonen und neutralen Neutronen.
{In der modernen
Physik werden noch tieferliegende Elementarteilchen definiert, die sog. Quarks.
Für die Chemie ist dies ohne Bedeutung!}
Das chemische Verhalten ist durch den elektronischen Aufbau von Atomen erklärbar.
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Größen- und Massenverhältnisse
für das H-Atom:
Durchmesser - Kern 2,4
* 10-15
m; Atom 10-10 m; Elektron < 10-19 m
Masse - Kern 1,0072 u; Elektron
0,0005 u
1 u = 1,66 * 10-27 kg
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Allgemein:
Um einen kleinen Kern, der praktisch die ganze Masse
des Atoms enthält,
befindet sich eine Elektronenhülle.
(Anschaulich:
Um ein Kügelchen mit dem Durchmesser 1cm kreist im Abstand
200 m
ein Körnchen mit dem Durchmesser 0,001 mm.)
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Wie wurde dieses Größenverhältnis
Kern / Atom experimentell festgestellt?
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In der Chemie werden die Massen als Vielfache einer kleinsten Einheit angegeben.
1 AME (atomare Masseneinheit) ist die Masse von 1/12 mol C-12-Atomen. Manchmal
wird auch dafür das Symbol 1 u verwendet. Zum Zusammenhang zwischen der
Masse und der Stoffmenge (= Angabe der Anzahl von Teilchen dividiert durch die
Avogadrozahl NA) "bei Wissenslücken" Abschnitt Stöchiometrie.
Genähert passt die Atommasse M zur Gesamtzahl der Nukleonen
eines Atoms. Genau ist die Anzahl der Protonen im Kern eines Atoms als Ordnungszahl
festgelegt. Die Ordnungszahl legt eindeutig die Einordnung der Elemente in das
Periodensystem fest. Die Atommasse liefert den experimentell ermittelten Zusammenhang
zwischen der Teilchenzahl und der Masse (in Gramm).
Lewis erkannte 1902, dass die Elektronen das chemische Verhalten bestimmen
sollten. Elektronenpaare sind für eine Bindung verantwortlich. Es lag nahe,
Elektronen in einer Art Schalenmodell anzuordnen. Eine "Achterschale" soll
dabei besondere Stabilität besitzen. Die späteren Entdeckungen führten
zu einer Angabe, was solche Schalen genauer sind. Für einfache Überlegungen
benutzt man noch heute dieses erste Modell.
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Grundideen des Schalenmodells,
Oktettregel und Valenzelektronen
Keine Theorie - aber nützliche
Regeln
nicht zum Atombau, sondern zur chemischen Bindung!
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Physikalische Theorien lieferten genaue Angaben zur Struktur von Atomen.
- Die historisch erste physikalische Theorie ist das Modell von Bohr und
Sommerfeld. Elektronen bewegen sich auf Kreis- und Ellipsenbahnen um den
Kern. Zusätzlich dreht sich das Elektron um die eigene Achse. (Ein
"Planetenmodell")
- Von Schrödinger und Heisenberg stammt die moderne Vorstellung.
Es können keine festen Orte oder Bahnen definiert werden, sondern nur
"Wahrscheinlichkeitsräume". Die aus dieser Theorie herrührende
Form von "Orbitalen" hat sich als sehr wertvoll für qualitative
Interpretationen der kovalenten Bindung herausgestellt.
- Beiden Theorien gemeinsam sind die "Quantenzahlen". Wie von
Pauli theoretisch begründet, gibt es für jedes Elektron in einem
Atom eine eindeutige Nummerierung mit 4 Quantenzahlen. Quantenzahlen geben
eindeutig an, welche Energie ein Elektron in einem Atom besitzt.
- Selbstverständlich existieren hier (komplizierte!) mathematische
Theorien. Für das chemische Verständnis kann man aber mit einigen
Grundprinzipien qualitativ - und ohne mathematischen Formalismus (!) - sinnvolle Schlüsse ziehen.
- Die theoretischen Ergebnisse sind ebenso selbstverständlich auch
durch physikalische Experimente bewiesen worden!
WEITER: Atomkern
- Isotope
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