Atommodelle verstehen: Dalton bis Orbitalmodell

Atome sind so winzig, dass man sie nicht wie Alltagsgegenstände betrachten kann. Forschende untersuchen deshalb messbare Wirkungen: Wie reagieren Stoffe miteinander? Wie werden elektrisch geladene Teilchen abgelenkt? Welches Licht senden Atome aus?

Ein gutes Modell muss nicht jedes Merkmal eines Atoms darstellen. Es muss für seinen Zweck brauchbar sein. Ein Stadtplan zeigt zum Beispiel Straßen, aber keine einzelnen Blätter an den Bäumen. Ähnlich zeigt jedes Atommodell nur ausgewählte Eigenschaften. Die Entwicklung der Atommodelle folgt dabei einem wiederkehrenden Muster: Eine Beobachtung passt nicht vollständig zum bisherigen Modell. Ein neues Modell übernimmt brauchbare Gedanken, verändert andere und erklärt dadurch mehr.

Zu Beginn des 19. Jahrhunderts beschrieb John Dalton Stoffe mithilfe kleinster Teilchen. Sein Modell wird oft Kugelteilchenmodell genannt. Nach Dalton besteht jedes Element aus einer eigenen Atomsorte. Atome eines Elements sind untereinander gleich; Atome verschiedener Elemente unterscheiden sich unter anderem in ihrer Masse. Bei chemischen Reaktionen werden Atome weder erzeugt noch vernichtet, sondern neu angeordnet. Damit lässt sich erklären, warum bei einer chemischen Reaktion jede Atomsorte erhalten bleibt. Das Modell eignet sich auch dazu, feste ganzzahlige Anzahlverhältnisse in Verbindungen zu deuten.

Daltons Annahme unteilbarer Atome erwies sich jedoch als Grenze. Versuche mit Kathodenstrahlen zeigten kleine, negativ geladene Teilchen: die Elektronen. Kathodenstrahlen entstehen in einer fast luftleeren Glasröhre, an deren Enden eine hohe elektrische Spannung anliegt. Atome mussten also kleinere Bestandteile besitzen. Joseph John Thomson entwickelte daraufhin das Rosinenkuchenmodell. Darin ist positive Ladung gleichmäßig im Atom verteilt. Die negativen Elektronen stecken darin wie Rosinen in einem Kuchen. Gleich große positive und negative Ladungen machen das Atom insgesamt neutral, also nach außen ungeladen.

Ernest Rutherford und seine Mitarbeiter schossen Alphateilchen auf eine sehr dünne Metallfolie. Alphateilchen sind winzige, positiv geladene Teilchen, die manche radioaktive Stoffe aussenden. Dabei gilt: Gleichartige elektrische Ladungen stoßen sich ab, ungleichartige ziehen sich an.

Die entscheidenden Beobachtungen waren: Die meisten Alphateilchen flogen nahezu ungehindert durch die Folie. Einige wurden abgelenkt. Sehr wenige wurden stark abgelenkt oder sogar zurückgeworfen. Aus diesen Beobachtungen entstand das Kern-Hülle-Modell.

Das Rutherford-Modell konnte den kleinen Atomkern erklären. Es ließ aber eine wichtige Frage offen: Warum fallen die negativ geladenen Elektronen nicht in den positiven Kern?

Niels Bohr ergänzte das Kern-Hülle-Modell um festgelegte Energien. In seinem Modell dürfen sich Elektronen nur auf bestimmten Bahnen beziehungsweise Schalen befinden. Eine Bahn weiter außen gehört zu einer höheren Energie. Beim Rücksprung auf eine energieärmere Bahn gibt das Elektron den Energieunterschied als Strahlung ab, zum Beispiel als Licht. So konnten Energieaufnahme und Lichtaussendung anschaulich miteinander verbunden werden.

Das Bohr-Modell ist anschaulich, doch feste Kreisbahnen beschreiben Elektronen nicht ausreichend. Das modernere Orbitalmodell ersetzt die genaue Bahn durch eine Aufenthaltswahrscheinlichkeit: Es gibt an, wo man ein Elektron mit großer Wahrscheinlichkeit antrifft. Beim Wasserstoffatom ist dieser Raum kugelförmig. Das heißt nicht, dass das Elektron auf einer Kugel entlangläuft.

Im Unterricht vereinfacht man diese Vorstellung. Das Schalenmodell ordnet Elektronen verschiedenen Energiestufen zu. Das Kugelwolkenmodell stellt Aufenthaltsräume innerhalb von Schalen als vereinfachte Elektronenwolken dar. Genauer erklärt das Orbitalmodell die Seite „Orbitalmodell“, das Bohr-Modell die Seite „Bohrsches Atommodell“.