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Die Revolution des Bohrschen Atommodells aufgrund des Welle-Teilchen-Dualismus des Lichts

Facharbeit (Schule) 2010 13 Seiten

Chemie - Physikalische und Theoretische Chemie

Leseprobe

Inhaltverzeichnis

Die Geschichte des Atoms

Die Entstehung des Bohr-Atommodells

Unstimmigkeiten in Bohrs Theorie

Die Wellennatur des Lichtes

Die Teilchennatur des Lichtes

Der Welle-Teilchen-Dualismus

Schrödingers Mathematik: Das Ergebnis ist .ein Orbital!

Der Nutzen, der sich aus den Erkenntnissen ziehen ließ

Wohin der Weg führt

Literaturverzeichnis

Sie sind unter uns.

Und nicht nur das: Sie sind um uns, in uns, einfach überall, aber sie sind so klein, dass es selbst den renommiertesten Wissenschaftlern mit dem besten Apparatus noch nicht gelungen ist, ein Atom, geschweige denn dessen Aufbau, unter die Lupe zu nehmen.

Die Geschichte des Atoms

Obwohl Atome so unvorstellbar klein sind, vermuteten bereits die Griechen Leukipp und dessen Schüler Demokrit im 5. Jh. v. Chr. die Existenz dieser „unteilbaren“ (gr. átomos) Bausteine aller Materie und begründeten die Lehre der sogenannten Atomistik. Im Laufe der Jahrhunderte wurde diese Idee immer weiter überdacht, spezifiziert und verfeinert. Die erste Atomtheorie, die auf den Beobachtungen chemischer Reaktionen basiert, wurde jedoch erst am Anfang des 19. Jh. von dem britischen Chemiker und Physiker John Dalton (1766-1844) aufgestellt, auch als chemische Atomtheorie bekannt. Bald darauf stießen Wissenschaftler immer tiefer in den Mikrokosmos vor: 1874 postulierte George Johnstone Stoney, basierend auf den Erkenntnissen Michael Faradays (1791-1867), einen elektrischen Ladungsträger, welchen er 1891 auf den Namen „Elektron“ (gr. für Bernstein) taufte. Das Elektron wurde in den folgenden Jahren zum Hauptobjekt vieler Experimente und Forschungen. Zu Beginn des 20. Jh. wurde dann auch das Proton durch die Experimente von Joseph John Thomson (1856-1940) und Wilhem Karl Werner Wien (1864-1928) nachgewiesen. Bald darauf fasste Ernest Rutherford (1871-1937) die Entdeckungen zu dem nach ihm benannten Rutherford-Atommodell zusammen. Dennoch blieb ein Rätsel ungelöst: Die Atommassen wichen nach wie vor erheblich von der Summe von Protonen und Elektronen ab, obwohl deren Ladungen ausgeglichen waren. Es war ebenfalls Rutherford, der im Jahr 1920 die Theorie des Neutrons einführte, welche dann 1932 durch die Experimente von James Chadwick (1891-1974) verifiziert werden konnte.

Im Laufe des 20. Jahrhunderts konnten immer mehr subatomare Teilchen identifiziert und nachgewiesen werden. 1968 stellten Experimentalphysiker am Stanford Linear Acceleration Center fest, dass auch Protonen und Neutronen nicht elementar sind, sondern aus winzigen Quarks aufgebaut sind[1], einige der kleinsten Vertreter des mittlerweile recht großen „Teilchenzoos“ der Physik.[2]

Die Entstehung des Bohr-Atommodells

Analog zur Chemie entwickelte sich auch die Physik im Zuge der industriellen Revolution in Europa weiter:

1900 formulierte Max Planck (1858-1947) die Quantenhypothese, welche in den folgenden Jahren aufgegriffen und weiterentwickelt werden sollte.

Mit diesen Errungenschaften als Grundlage vereinte der Däne Niels Henrik David Bohr (1885-1962) das Rutherford-Atommodell mit den Quantenbedingungen und erschuf das Bohr-Atommodell, auch bekannt als Schalenmodell, da es die Elektronen in einem Atom bestimmte, auf Kugeloberflächen begrenzte, Energieniveaus oder Schalen, gekennzeichnet mit den Großbuchstaben von K-Q, zuordnet.[3] Auf jeder möglichen Bahn besitzt das Elektron eine bestimmte Energie und, da sich der positiv geladene Atomkern und die negativ geladenen Elektronen aufgrund elektrostatischer Kräfte anziehen, müssen die Elektronen auf den äußeren Schalen höhere Energien besitzen als die inneren Elektronen. Folglich muss inneren Elektronen Energie zugeführt werden, damit sie diese Kräfte überwinden und auf äußere Bahnen springen können. Aus der von Johann Jakob Balmer (1825-1898) entwickelten Gleichung, auf der das Bohr-Atommodell aufbaut, geht zudem hervor, dass die „erlaubten“ Bahnen energetisch begrenzt sind, und dass die Energie eines Elektrons nur Werte annehmen kann, die es auf eine dieser Bahnen bringen würden.

Auch heute besitzt das Modell Relevanz: Unter dem Thema „Schalenmodell und Besetzungsschema“[4] findet es Eingang in die Lehrpläne des Chemieunterrichts an Sekundarschulen, da es die Zusammenhänge im Schulunterricht einer breiten Masse auf einfachere Weise als das Orbitalmodell es vermag, verständlich zu machen.

Unstimmigkeiten in Bohrs Theorie

Untersuchungen von Atomspektren zeigten jedoch bald, dass Bohrs Modell nur in der Lage war, das Spektrum des Wasserstoff-Atoms, genauer gesagt, des Protium-Isotops, exakt zu berechnen. Bei Atomen, die mehrere Elektronen mit sich führten, blieb der Erfolg allerdings aus.

Wo lag das Problem? Welche Entdeckungen waren noch nicht gemacht worden, die zur Entwicklung des modernen Orbitalmodells führen sollten?

Des Rätsels Lösung liegt in der bis heute nur unvollständig geklärten Beschaffenheit des Lichtes, welches die Atomspektren erzeugt. An dieser Stelle soll nun der Einfluss des Welle-Teilchen-Dualismus des Lichts auf das moderne Bild der Elektronenstruktur eines Atoms gezeigt werden, aber auch Werdegang des Modells und die dafür notwendigen Versuche, Hypothesen und Theorien einiger großer Wissenschaftler.

Die Wellennatur des Lichtes

„Was ist Licht? Seit den Zeiten Youngs und Fresnels wissen wir, dass es eine Wellenbewegung ist. Wir kennen die Geschwindigkeit der Wellen, wir kennen ihre Wellenlänge, wir wissen, dass es Transversalwellen sind; wir kennen mit einem Wort die geometrischen Verhältnisse der Bewegung vollkommen. An diesen Dingen ist kein Zweifel mehr möglich, eine Wiederlegung dieser Anschauung ist für den Physiker undenkbar. Die Wellentheorie ist, menschlich gesprochen, Gewissheit.“[5]

Mit diesen Worten ordnete Heinrich Rudolf Hertz (1857-1894), Entdecker elektromagnetischer Wellen, Licht als eine Erscheinung ein. In der Wellentheorie wird Licht im Vakuum durch die Formel c= λ·ν beschrieben, wobei c die Lichtgeschwindigkeit, λ die Wellenlänge und ν die Frequenz ausdrückt. Sichtbares Licht weist eine Wellenlänge von 380nm bis 780nm auf, entweder als monochromatisches Licht, welches eine einzige Farbe darstellt, oder als polychromatisches Licht, in welchem mehr als eine Wellenlänge vertreten ist. Sind alle Wellenlängen des sichtbaren Lichts vorhanden, ist die daraus resultierende Farbe des Lichts weiß. Abb. 1 illustriert die verschiedenen Wellenlängen und ihre Klassifizierung.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

[...]


[1] vgl. Greene, S. 22

[2] vgl. ebd., S.24

[3] vgl. Arndt; Halberstadt, S. 54

[4] vgl. Ministerium für Schule und Weiterbildung des Landes Nordrhein-Westfalen: Inhaltsfelder und fachliche Kontexte für das Fach Chemie

[5] vgl. Physik, S. 306

Details

Seiten
13
Jahr
2010
ISBN (eBook)
9783640963911
Dateigröße
2.8 MB
Sprache
Deutsch
Katalognummer
v175448
Note
1+
Schlagworte
Atommodell Welle-Teilchen-Dualismus Bohr einstein Planck Heisenberg Orbitalmodell Wellenformel Licht de Broglie

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Titel: Die Revolution des Bohrschen Atommodells aufgrund des Welle-Teilchen-Dualismus des Lichts