Atomtheorie - Atomic theory

Das aktuelle theoretische Modell des Atoms beinhaltet einen dichten Kern, der von einer wahrscheinlichkeitstheoretischen "Wolke" von Elektronen umgeben ist

Atomtheorie ist die wissenschaftliche Theorie, dass Materie aus Teilchen besteht, die Atome genannt werden . Die Atomtheorie führt ihre Ursprünge auf eine alte philosophische Tradition zurück, die als Atomismus bekannt ist . Wenn man nach dieser Vorstellung einen Stoffklumpen in immer kleinere Stücke zerteilt, gelangt man schließlich an einen Punkt, an dem die Stücke nicht mehr in kleinere Stücke zerteilt werden können. Antike griechische Philosophen nannten diese hypothetischen ultimativen Materieteilchen atomos , ein Wort, das "ungeschnitten" bedeutet.

In den frühen 1800er Jahren bemerkte der Wissenschaftler John Dalton, dass chemische Substanzen sich in Gewichtsanteilen in andere Substanzen zu verbinden schienen, die darauf hindeuteten, dass jedes chemische Element letztendlich aus winzigen unteilbaren Partikeln mit konstantem Gewicht besteht. Kurz nach 1850 entwickelten einige Physiker die kinetische Theorie der Gase und der Wärme, die das Verhalten von Gasen mathematisch modelliert, indem sie annahmen, dass sie aus Teilchen bestehen. Im frühen 20. Jahrhundert bewiesen Albert Einstein und Jean Perrin , dass die Brownsche Bewegung (die unregelmäßige Bewegung von Pollenkörnern in Wasser) durch die Wirkung von Wassermolekülen verursacht wird ; diese dritte Beweislinie verstummte die verbleibenden Zweifel unter Wissenschaftlern, ob Atome und Moleküle real waren. Während des 19. Jahrhunderts hatten einige Wissenschaftler gewarnt, dass die Beweise für Atome indirekt waren und Atome daher möglicherweise nicht wirklich real sind, sondern nur scheinbar real sind.

Anfang des 20. Jahrhunderts hatten Wissenschaftler ziemlich detaillierte und präzise Modelle für die Struktur der Materie entwickelt, die zu strengeren Klassifizierungen für die winzigen unsichtbaren Teilchen führten, aus denen gewöhnliche Materie besteht. Ein Atom wird nun als das Grundteilchen definiert, aus dem ein chemisches Element besteht . Um die Wende des 20. Jahrhunderts entdeckten Physiker, dass die Teilchen, die Chemiker "Atome" nannten, tatsächlich Ansammlungen noch kleinerer Teilchen ( subatomare Teilchen ) sind, aber die Wissenschaftler hielten den Namen außerhalb der Konvention. Der Begriff Elementarteilchen wird heute verwendet, um Teilchen zu bezeichnen, die tatsächlich unteilbar sind.

Geschichte

Philosophischer Atomismus

Die Idee, dass Materie aus diskreten Einheiten besteht, ist eine sehr alte Idee, die in vielen alten Kulturen wie Griechenland und Indien auftaucht. Das Wort „Atom“ ( griechisch : ἄτομος ; atomos ), was „unschneidbar“ bedeutet, wurde von den vorsokratischen griechischen Philosophen Leukipp und seinem Schüler Demokrit ( ca. 460– ca. 370 v. Chr.) geprägt. Demokrit lehrte, dass es unendlich viele Atome gibt, die unerschaffen und ewig sind, und dass die Eigenschaften eines Objekts aus der Art der Atome resultieren, aus denen es besteht. Der Atomismus des Demokrit wurde von dem späteren griechischen Philosophen Epikur (341–270 v. Chr.) und von dem römischen epikureischen Dichter Lucretius ( ca. 99– ca. 55 v. Im frühen Mittelalter geriet der Atomismus in Westeuropa weitgehend in Vergessenheit. Im 12. Jahrhundert wurde es in Westeuropa durch Hinweise darauf in den neu entdeckten Schriften des Aristoteles wieder bekannt . Die gegensätzliche Auffassung von Aristoteles über Materie war, dass Materie kontinuierlich und unendlich sei und unbegrenzt unterteilt werden könne.

Im 14. Jahrhundert führte die Wiederentdeckung wichtiger Werke, die atomistische Lehren beschreiben, darunter Lucretius' De rerum natura und Diogenes Laërtius ' Leben und Meinungen bedeutender Philosophen , zu einer erhöhten wissenschaftlichen Aufmerksamkeit auf das Thema. Da der Atomismus jedoch mit der Philosophie des Epikureismus verbunden war , die den orthodoxen christlichen Lehren widersprach, wurde der Glaube an Atome von den meisten europäischen Philosophen als nicht akzeptabel angesehen. Der französische katholische Priester Pierre Gassendi (1592-1655) belebte den epikureischen Atomismus mit Modifikationen wieder und argumentierte, dass Atome von Gott geschaffen wurden und, obwohl sie extrem zahlreich sind, nicht unendlich sind. Er war der erste, der den Begriff "Molekül" verwendet, um die Ansammlung von Atomen zu beschreiben. Gassendis modifizierte Atomtheorie wurde in Frankreich durch den Arzt François Bernier (1620–1688) und in England durch den Naturphilosophen Walter Charleton (1619–1707) populär. Der Chemiker Robert Boyle (1627–1691) und der Physiker Isaac Newton (1642–1727) verteidigten beide den Atomismus und wurden Ende des 17. Jahrhunderts von Teilen der wissenschaftlichen Gemeinschaft akzeptiert.

John Dalton

Gemälde von John Dalton
Gemälde von John Dalton

Gegen Ende des 18. Jahrhunderts tauchten zwei Gesetze über chemische Reaktionen auf, ohne sich auf den Begriff einer Atomtheorie zu beziehen. Das erste war das Massenerhaltungsgesetz , das eng mit der Arbeit von Antoine Lavoisier verbunden ist und besagt, dass die Gesamtmasse in einer chemischen Reaktion konstant bleibt (dh die Reaktanten haben die gleiche Masse wie die Produkte). Das zweite war das Gesetz bestimmter Proportionen . Dieses Gesetz wurde erstmals 1797 vom französischen Chemiker Joseph Proust aufgestellt und besagt, dass, wenn eine Verbindung in ihre chemischen Bestandteile zerlegt wird, die Massen der Bestandteile immer die gleichen Gewichtsanteile haben, unabhängig von der Menge oder Quelle des Originals Substanz.

John Dalton studierte und erweiterte diese frühere Arbeit und verteidigte eine neue Idee, die später als das Gesetz der multiplen Proportionen bekannt wurde : Wenn die gleichen zwei Elemente kombiniert werden können, um eine Anzahl verschiedener Verbindungen zu bilden, dann die Verhältnisse der Massen der beiden Elemente in ihren verschiedenen Verbindungen werden durch kleine ganze Zahlen dargestellt. Dies ist ein häufiges Muster bei chemischen Reaktionen, das damals von Dalton und anderen Chemikern beobachtet wurde.

Beispiel 1 – Zinnoxide: Dalton identifizierte zwei Zinnoxide. Eines ist ein graues Pulver, in dem auf 100 Teile Zinn 13,5 Teile Sauerstoff enthalten sind. Das andere Oxid ist ein weißes Pulver, in dem auf 100 Teile Zinn 27 Teile Sauerstoff enthalten sind. 13,5 und 27 bilden ein Verhältnis von 1:2. Diese Oxide sind heute als Zinn(II)-oxid (SnO) bzw. Zinn(IV)-oxid (SnO 2 ) bekannt.

Beispiel 2 – Eisenoxide: Dalton identifizierte zwei Eisenoxide. Eines ist ein schwarzes Pulver, in dem auf 100 Teile Eisen etwa 28 Teile Sauerstoff enthalten sind. Das andere ist ein rotes Pulver, in dem auf 100 Teile Eisen 42 Teile Sauerstoff kommen. 28 und 42 bilden ein Verhältnis von 2:3. Diese Oxide sind heute als Eisen(II)-Oxid (besser bekannt als Wüstit) und Eisen(III)-Oxid (der Hauptbestandteil von Rost) bekannt. Ihre Formeln sind FeO bzw. Fe 2 O 3 .

Beispiel 3 – Stickoxide: Es gibt drei Stickoxide, bei denen auf 140 g Stickstoff 80 g, 160 g bzw. 320 g Sauerstoff kommen, was ein Verhältnis von 1:2:4 ergibt. Dies sind Lachgas (N 2 O), Stickstoffmonoxid (NO) bzw. Stickstoffdioxid (NO 2 ).

Dieses wiederkehrende Muster deutet darauf hin, dass Chemikalien nicht in beliebiger Menge, sondern in Vielfachen einer unteilbaren Grundmasse reagieren.

In seinen Schriften verwendete Dalton den Begriff "Atom", um sich auf das Grundteilchen jeder chemischen Substanz zu beziehen , nicht nur für Elemente, wie es heute üblich ist. Dalton benutzte das Wort "Molekül" nicht; stattdessen verwendete er die Begriffe „zusammengesetztes Atom“ und „Elementaratom“. Dalton schlug vor, dass jedes chemische Element aus Atomen eines einzigen, einzigartigen Typs besteht, und obwohl sie mit chemischen Mitteln nicht verändert oder zerstört werden können, können sie sich zu komplexeren Strukturen ( chemischen Verbindungen ) verbinden. Dies war die erste wirklich wissenschaftliche Theorie des Atoms, da Dalton zu seinen Schlussfolgerungen durch Experimente und empirische Untersuchung der Ergebnisse gelangte.

Im Jahr 1803 bezog sich Dalton in einem Vortrag vor der Manchester Literary and Philosophical Society über die Löslichkeit verschiedener Gase wie Kohlendioxid und Stickstoff in Wasser auf eine Liste relativer Atomgewichte für eine Reihe von Substanzen. Dalton gab nicht an, wie er die relativen Gewichte erhielt, vermutete jedoch zunächst, dass die Löslichkeitsunterschiede auf Unterschiede in der Masse und Komplexität der Gasteilchen zurückzuführen seien – eine Idee, die er bei der endgültigen Veröffentlichung des Papiers im Jahr 1805 aufgab Jahren haben mehrere Historiker die Entwicklung von Daltons Atomtheorie seiner Untersuchung der Gaslöslichkeit zugeschrieben, aber eine kürzlich durchgeführte Studie seiner Labornotizbucheinträge kommt zu dem Schluss, dass er 1803 die chemische Atomtheorie entwickelt hat, um Cavendishs und Lavoisiers analytische Daten über die Zusammensetzung von Salpetersäure in Einklang zu bringen , nicht um die Löslichkeit von Gasen in Wasser zu erklären.

Thomas Thomson veröffentlichte in der dritten Auflage seines Buches A System of Chemistry den ersten kurzen Bericht über Daltons Atomtheorie . Im Jahr 1808 veröffentlichte Dalton eine ausführlichere Darstellung im ersten Teil von A New System of Chemical Philosophy . Es dauerte jedoch bis 1811, bis Dalton seine Theorie der multiplen Proportionen begründete.  

Dalton schätzte die Atomgewichte nach den Massenverhältnissen, in denen sie sich kombinierten, wobei das Wasserstoffatom als Einheit genommen wurde. Dalton hat jedoch nicht gedacht, dass bei einigen Elementen Atome in Molekülen existieren – zB existiert reiner Sauerstoff als O 2 . Er glaubte auch fälschlicherweise, dass die einfachste Verbindung zwischen zwei Elementen immer ein Atom von jedem ist (also dachte er, Wasser sei HO, nicht H 2 O). Dies, zusätzlich zu der Rohheit seiner Ausrüstung, verfälschte seine Ergebnisse. Zum Beispiel glaubte er 1803, dass Sauerstoffatome 5,5-mal schwerer seien als Wasserstoffatome, weil er in Wasser 5,5 Gramm Sauerstoff pro 1 Gramm Wasserstoff maß und glaubte, die Formel für Wasser sei HO. Unter Annahme besserer Daten kam er 1806 zu dem Schluss, dass das Atomgewicht von Sauerstoff tatsächlich 7 statt 5,5 betragen muss, und behielt dieses Gewicht für den Rest seines Lebens bei. Andere waren zu dieser Zeit bereits zu dem Schluss gekommen, dass das Sauerstoffatom 8 relativ zu Wasserstoff gleich 1 wiegen muss, wenn man die Daltonsche Formel für das Wassermolekül (HO) annimmt, oder 16, wenn man die moderne Wasserformel (H 2 O) annimmt .

Avogadro

Der Fehler in Daltons Theorie wurde 1811 von Amedeo Avogadro grundsätzlich korrigiert . Avogadro hatte vorgeschlagen, dass gleiche Volumina von zwei beliebigen Gasen bei gleicher Temperatur und gleichem Druck die gleiche Anzahl von Molekülen enthalten (mit anderen Worten, die Masse der Partikel eines Gases beeinflusst nicht das Volumen, das es einnimmt). Avogadros Gesetz ermöglichte es ihm, die zweiatomige Natur zahlreicher Gase abzuleiten, indem er die Volumina untersuchte, bei denen sie reagierten. Zum Beispiel: Da zwei Liter Wasserstoff mit nur einem Liter Sauerstoff zu zwei Litern Wasserdampf reagieren (bei konstantem Druck und konstanter Temperatur), bedeutet dies, dass sich ein einzelnes Sauerstoffmolekül in zwei Teile spaltet, um zwei Wasserteilchen zu bilden. So konnte Avogadro genauere Schätzungen der Atommasse von Sauerstoff und verschiedenen anderen Elementen liefern und unterschied klar zwischen Molekülen und Atomen.

Brownsche Bewegung

Im Jahr 1827 beobachtete der britische Botaniker Robert Brown , dass Staubpartikel in im Wasser schwimmenden Pollenkörnern ohne ersichtlichen Grund ständig hin und her wackelten. Im Jahr 1905 stellte Albert Einstein die Theorie auf, dass diese Brownsche Bewegung durch die Wassermoleküle verursacht wurde, die die Körner ständig umherschleudern, und entwickelte ein hypothetisches mathematisches Modell, um sie zu beschreiben. Dieses Modell wurde 1908 vom französischen Physiker Jean Perrin experimentell validiert und lieferte damit zusätzliche Validierung für die Teilchentheorie (und damit auch für die Atomtheorie).

Statistische Mechanik

Um das Ideale Gasgesetz und statistische Formen der Physik einzuführen , war es notwendig, die Existenz von Atomen zu postulieren. 1738 postulierte der Schweizer Physiker und Mathematiker Daniel Bernoulli , dass sowohl der Druck von Gasen als auch die Wärme durch die zugrunde liegende Bewegung von Molekülen verursacht werden.

Im Jahr 1860 wandte James Clerk Maxwell , ein lautstarker Befürworter des Atomismus, als erster die statistische Mechanik in der Physik an. Ludwig Boltzmann und Rudolf Clausius erweiterten seine Arbeiten über Gase und die Gesetze der Thermodynamik insbesondere den zweiten Hauptsatz der Entropie. In den 1870er Jahren erweiterte Josiah Willard Gibbs , der manchmal als Amerikas größter Physiker bezeichnet wird, die Gesetze der Entropie und Thermodynamik und prägte den Begriff „Statistische Mechanik“. Einstein erfand später unabhängig Gibbs Gesetze neu, weil sie nur in einer obskuren amerikanischen Zeitschrift gedruckt worden waren. Einstein kommentierte später, wenn er von Gibbs Arbeit gewusst hätte, hätte er „diese Arbeiten überhaupt nicht veröffentlicht, sondern mich auf die Behandlung einiger weniger Punkte beschränkt [die unterschiedlich waren]“. Die gesamte statistische Mechanik und die Gesetze von Wärme, Gas und Entropie wurden notwendigerweise auf der Existenz von Atomen postuliert.

Entdeckung subatomarer Teilchen

Die Kathodenstrahlen (blau) wurden von der Kathode emittiert, durch die Schlitze zu einem Strahl geschärft und dann beim Passieren zwischen den beiden elektrifizierten Platten abgelenkt.

Atome galten bis 1897 als die kleinstmögliche Teilung der Materie, als JJ Thomson das Elektron durch seine Arbeit an Kathodenstrahlen entdeckte .

Eine Crookes-Röhre ist ein verschlossener Glasbehälter, in dem zwei Elektroden durch ein Vakuum getrennt sind. Wenn an die Elektroden eine Spannung angelegt wird, werden Kathodenstrahlen erzeugt, die einen glühenden Fleck erzeugen, wo sie auf das Glas am gegenüberliegenden Ende der Röhre treffen. Durch Experimente entdeckte Thomson, dass die Strahlen durch ein elektrisches Feld (zusätzlich zu den bereits bekannten Magnetfeldern) abgelenkt werden können . Er kam zu dem Schluss, dass diese Strahlen nicht eine Form von Licht sind, sondern aus sehr leichten negativ geladenen Teilchen bestehen, die er " Korpuskel " nennt (sie wurden später von anderen Wissenschaftlern in Elektronen umbenannt). Er maß das Masse-Ladungs-Verhältnis und stellte fest, dass es 1800-mal kleiner war als das von Wasserstoff, dem kleinsten Atom. Diese Korpuskeln waren ein Teilchen wie kein anderes bisher bekanntes.

Thomson schlug vor, dass Atome teilbar seien und dass die Korpuskeln ihre Bausteine ​​seien. Um die neutrale Gesamtladung des Atoms zu erklären, schlug er vor, dass die Korpuskeln in einem einheitlichen Meer positiver Ladung verteilt sind; Dies war das Plumpudding-Modell, da die Elektronen wie Rosinen in einem Plumpudding in die positive Ladung eingebettet waren (obwohl sie in Thomsons Modell nicht stationär waren).

Entdeckung des Kerns

Das Geiger-Marsden-Experiment
Links: Erwartete Ergebnisse: Alphateilchen passieren das Plumpudding-Modell des Atoms mit vernachlässigbarer Ablenkung.
Rechts: Beobachtete Ergebnisse: Ein kleiner Teil der Partikel wurde durch die konzentrierte positive Ladung des Kerns abgelenkt.

Thomsons Plumpudding-Modell wurde 1909 von einem seiner ehemaligen Studenten, Ernest Rutherford , widerlegt Center.

Ernest Rutherford und seine Kollegen Hans Geiger und Ernest Marsden kamen zu Zweifeln am Thomson-Modell, nachdem sie beim Versuch, ein Instrument zur Messung des Ladungs-zu-Masse-Verhältnisses von Alphateilchen (dies sind positiv geladene Teilchen, die von bestimmte radioaktive Stoffe wie Radium ). Die Alphateilchen wurden von der Luft in der Detektionskammer gestreut, was die Messungen unzuverlässig machte. Thomson war bei seiner Arbeit über Kathodenstrahlen auf ein ähnliches Problem gestoßen, das er löste, indem er in seinen Instrumenten ein nahezu perfektes Vakuum erzeugte. Rutherford glaubte nicht, dass er auf dasselbe Problem stoßen würde, weil Alphateilchen viel schwerer sind als Elektronen. Nach Thomsons Atommodell ist die positive Ladung im Atom nicht konzentriert genug, um ein elektrisches Feld zu erzeugen, das stark genug ist, um ein Alphateilchen abzulenken, und die Elektronen sind so leicht, dass sie von den viel schwereren Alphateilchen mühelos zur Seite geschoben werden sollten. Da es jedoch zu Streuungen kam, beschlossen Rutherford und seine Kollegen, diese Streuung sorgfältig zu untersuchen.

Zwischen 1908 und 1913 führten Rutherford und seine Kollegen eine Reihe von Experimenten durch, bei denen sie dünne Metallfolien mit Alphateilchen beschossen. Sie entdeckten Alphateilchen, die um Winkel von mehr als 90° abgelenkt wurden. Um dies zu erklären, schlug Rutherford vor, dass die positive Ladung des Atoms nicht über das gesamte Atomvolumen verteilt ist, wie Thomson glaubte, sondern in einem winzigen Kern im Zentrum konzentriert ist. Nur eine so starke Ladungskonzentration könnte ein elektrisches Feld erzeugen, das stark genug ist, um die beobachteten Alphateilchen abzulenken. Rutherfords Modell wird manchmal als "Planetenmodell" bezeichnet. Allerdings Hantaro Nagaoka wurde von Rutherford als ersten zitiert einen Planeten Atom in 1904. Und Planetenmodellen vorzuschlagen hatte bereits 1897 wie die von vorgeschlagen Joseph Larmor .

Erste Schritte zu einem quantenphysikalischen Modell des Atoms

Das Planetenmodell des Atoms hatte zwei wesentliche Mängel. Der erste ist, dass Elektronen im Gegensatz zu Planeten, die eine Sonne umkreisen, geladene Teilchen sind. Eine beschleunigende elektrische Ladung emittiert bekanntlich elektromagnetische Wellen gemäß der Larmor-Formel im klassischen Elektromagnetismus . Eine umlaufende Ladung sollte stetig Energie verlieren und sich spiralförmig zum Kern hin drehen und in einem kleinen Bruchteil einer Sekunde mit ihm kollidieren. Das zweite Problem bestand darin, dass das Planetenmodell die beobachteten Emissions- und Absorptionsspektren von Atomen mit hohen Spitzenwerten nicht erklären konnte .

Das Bohrsche Atommodell

Die Quantentheorie revolutionierte die Physik zu Beginn des 20. Jahrhunderts, als Max Planck und Albert Einstein postulierten, dass Lichtenergie in diskreten Mengen, den sogenannten Quanten (Singular, Quanten ), emittiert oder absorbiert wird . Dies führte zu einer Reihe von Quantenatommodellen wie dem Quantenmodell von Arthur Erich Haas im Jahr 1910 und dem John William Nicholson Quantenatommodell von 1912 , das den Drehimpuls als h /2 π quantisierte . Diese Idee hat Niels Bohr 1913 in sein Bohrsches Atommodell eingearbeitet , bei dem ein Elektron den Kern nur auf Kreisbahnen mit festem Drehimpuls und Energie umkreisen kann, wobei sein Abstand vom Kern (dh deren Radien) proportional zu seine Energie. Nach diesem Modell könnte ein Elektron nicht in den Kern hineinspiralen, weil es nicht kontinuierlich Energie verlieren könnte; stattdessen konnte es nur augenblickliche „ Quantensprünge “ zwischen den festen Energieniveaus machen . Wenn dies geschah, wurde Licht mit einer Frequenz emittiert oder absorbiert, die proportional zur Energieänderung war (daher die Absorption und Emission von Licht in diskreten Spektren).

Bohrs Modell war nicht perfekt. Es konnte nur die Spektrallinien von Wasserstoff vorhersagen ; es konnte die von Mehrelektronenatomen nicht vorhersagen. Schlimmer noch, als sich die spektrographische Technologie verbesserte, wurden zusätzliche Spektrallinien im Wasserstoff beobachtet, die Bohrs Modell nicht erklären konnte. 1916 fügte Arnold Sommerfeld dem Bohr-Modell elliptische Bahnen hinzu, um die zusätzlichen Emissionslinien zu erklären, aber dies machte das Modell sehr schwierig zu verwenden, und es konnte immer noch keine komplexeren Atome erklären.

Entdeckung von Isotopen

Beim Experimentieren mit den radioaktiven Zerfallsprodukten entdeckte der Radiochemiker Frederick Soddy 1913 , dass es an jeder Position des Periodensystems mehr als ein Element zu geben schien . Der Begriff Isotop wurde von Margaret Todd als passender Name für diese Elemente geprägt.

Im selben Jahr JJ Thomson ein Experiment durchgeführt , in dem er einen Strom von kanalisiert Neon - Ionen durch magnetische und elektrische Felder, eine photographische Platte am anderen Ende schlägt. Er beobachtete zwei leuchtende Flecken auf der Platte, die auf zwei verschiedene Ablenkungsbahnen hindeuteten. Thomson kam zu dem Schluss, dass dies daran lag, dass einige der Neonionen eine andere Masse hatten. Die Natur dieser unterschiedlichen Masse sollte später durch die Entdeckung der Neutronen im Jahr 1932 erklärt werden.

Entdeckung nuklearer Teilchen

Im Jahr 1917 beschoss Rutherford Stickstoffgas mit Alphateilchen und beobachtete, wie Wasserstoffkerne aus dem Gas emittiert wurden (Rutherford erkannte diese, weil er sie zuvor beim Beschuss von Wasserstoff mit Alphateilchen und beim Beobachten von Wasserstoffkernen in den Produkten erhalten hatte). Rutherford schloss daraus, dass die Wasserstoffkerne aus den Kernen der Stickstoffatome selbst hervorgingen (er hatte tatsächlich einen Stickstoff gespalten).

Aus eigener Arbeit und der Arbeit seiner Schüler Bohr und Henry Moseley wusste Rutherford, dass die positive Ladung jedes Atoms immer der einer ganzen Zahl von Wasserstoffkernen gleichgesetzt werden kann. Dies, gepaart mit der Atommasse vieler Elemente, die ungefähr einer ganzen Zahl von Wasserstoffatomen entspricht - die damals als die leichtesten Teilchen galten - führte ihn zu dem Schluss, dass Wasserstoffkerne singuläre Teilchen und ein Grundbestandteil aller Atomkerne waren. Er nannte solche Teilchen Protonen . Weitere Experimente von Rutherford fanden heraus, dass die Kernmasse der meisten Atome die ihrer Protonen überstieg; er spekulierte, dass diese überschüssige Masse aus bisher unbekannten neutral geladenen Teilchen bestand, die versuchsweise „ Neutronen “ genannt wurden.

1928 beobachtete Walter Bothe , dass Beryllium beim Beschuss mit Alphateilchen eine stark durchdringende, elektrisch neutrale Strahlung aussendete. Später wurde entdeckt, dass diese Strahlung Wasserstoffatome aus Paraffinwachs herausschlagen kann . Ursprünglich dachte man, dass es sich um hochenergetische Gammastrahlung handelt , da Gammastrahlung eine ähnliche Wirkung auf Elektronen in Metallen hatte, aber James Chadwick fand heraus, dass der Ionisierungseffekt zu stark war, als dass er auf elektromagnetische Strahlung zurückzuführen wäre, solange Energie und Impuls wurden im Zusammenspiel konserviert. 1932 setzte Chadwick verschiedene Elemente wie Wasserstoff und Stickstoff der mysteriösen "Berylliumstrahlung" aus und schloss durch die Messung der Energien der zurückprallenden geladenen Teilchen, dass die Strahlung tatsächlich aus elektrisch neutralen Teilchen bestand, die nicht masselos sein konnten wie der Gammastrahl, sondern mussten eine Masse ähnlich der eines Protons haben. Chadwick behauptete nun, diese Teilchen seien Rutherfords Neutronen. Für seine Entdeckung des Neutrons erhielt Chadwick 1935 den Nobelpreis.

Quantenphysikalische Modelle des Atoms

Die fünf gefüllten Atomorbitale eines Neonatoms sind getrennt und von links nach rechts in aufsteigender Energie angeordnet, wobei die letzten drei Orbitale energetisch gleich sind . Jedes Orbital hält bis zu zwei Elektronen, die höchstwahrscheinlich in den Zonen existieren, die durch die farbigen Blasen dargestellt werden. Jedes Elektron ist in beiden Orbitalzonen gleichermaßen vorhanden, hier nur farblich dargestellt, um die unterschiedliche Wellenphase hervorzuheben.

1924 schlug Louis de Broglie vor, dass alle sich bewegenden Teilchen – insbesondere subatomare Teilchen wie Elektronen – ein gewisses wellenähnliches Verhalten aufweisen. Fasziniert von dieser Idee untersuchte Erwin Schrödinger , ob sich die Bewegung eines Elektrons in einem Atom besser als Welle erklären lässt als als Teilchen. Die 1926 veröffentlichte Schrödinger-Gleichung beschreibt ein Elektron als Wellenfunktion statt als Punktteilchen. Dieser Ansatz sagte elegant viele der spektralen Phänomene voraus, die Bohrs Modell nicht erklären konnte. Obwohl dieses Konzept mathematisch praktisch war, war es schwierig zu visualisieren und stieß auf Widerstand. Einer ihrer Kritiker, Max Born , schlug stattdessen vor, dass die Schrödinger-Wellenfunktion nicht die physikalische Ausdehnung eines Elektrons beschreibt (wie eine Ladungsverteilung im klassischen Elektromagnetismus), sondern vielmehr die Wahrscheinlichkeit angibt, dass ein Elektron gemessen bei a bestimmter Punkt. Dies brachte die Vorstellungen von wellenförmigen und teilchenförmigen Elektronen in Einklang: Das Verhalten eines Elektrons oder einer anderen subatomaren Einheit hat sowohl wellen- als auch teilchenähnliche Aspekte , und ob der eine oder der andere offensichtlicher ist, hängt davon ab die Situation.

Eine Folge der Beschreibung von Elektronen als Wellenformen ist, dass es mathematisch unmöglich ist, gleichzeitig den Ort und den Impuls eines Elektrons abzuleiten. Dies wurde als Heisen bekannt Unschärferelation nach dem theoretischen Physiker Werner Heisen , der als erster eine Version davon im Jahr 1927 veröffentlicht (Heisen analysiert , um ein Gedankenexperiment , wo man versucht, gleichzeitig eine Elektron Position und Dynamik zu messen . Allerdings Heisen nicht präzise geben mathematische Definitionen, was die "Unsicherheit" in diesen Messungen bedeutete. Die genaue mathematische Aussage des Orts-Impuls-Unsicherheitsprinzips stammt von Earle Hesse Kennard , Wolfgang Pauli und Hermann Weyl .) Dies entkräftete Bohrs Modell mit seinen sauberen, klar definierten kreisförmige Bahnen. Das moderne Atommodell beschreibt die Positionen von Elektronen in einem Atom in Form von Wahrscheinlichkeiten. Ein Elektron kann potentiell in beliebiger Entfernung vom Kern gefunden werden, aber je nach Energieniveau und Drehimpuls kommt es in bestimmten Regionen um den Kern herum häufiger vor als in anderen; dieses Muster wird als sein Atomorbital bezeichnet . Die Orbitale haben verschiedene Formen – Kugel , Hantel , Torus usw. – mit dem Kern in der Mitte. Die Formen von Atomorbitalen werden durch Lösen der Schrödinger-Gleichung gefunden; analytische Lösungen der Schrödinger-Gleichung sind jedoch für sehr wenige relativ einfache Modell-Hamilton-Operatoren einschließlich des Wasserstoffatoms und des Dihydrogenkations bekannt . Sogar das Heliumatom , das nur zwei Elektronen enthält, hat allen Versuchen einer vollständig analytischen Behandlung getrotzt.

Siehe auch

Fußnoten

Literaturverzeichnis

  • Andrew G. van Melsen (1960) [Erstveröffentlichung 1952]. Von Atomos zu Atom: Die Geschichte des Konzepts Atom . Übersetzt von Henry J. Koren. Dover-Publikationen. ISBN 0-486-49584-1.
  • JP Millington (1906). John Dalton . JM Dent & Co. (London); EP Dutton & Co. (New York).
  • Jaume Navarro (2012). Eine Geschichte des Elektrons: JJ und GP Thomson . Cambridge University Press. ISBN 978-1-107-00522-8.

Weiterlesen

Externe Links

  • Atomismus von S. Mark Cohen.
  • Atomtheorie - Informationen über Atomtheorie in Bezug auf Elektronen und Strom detailliert beschrieben.