Liste der Atommodelle

Grundidee und Bedeutung von Atommodellen

Ein Atommodell ist eine Vorstellung vom Aufbau und von der Form der Atome. In der Antike betrachtete die Atomhypothese Atome als unteilbare und unveränderliche Grundbausteine aller materiellen Stoffe. Unterschiedliche Stoffeigenschaften sollten sich durch verschiedene Arten und Kombinationen von Atomen erklären lassen.

Seit Anfang des 19. Jahrhunderts lieferten Chemie und Physik naturwissenschaftliche Hinweise auf die Existenz von Atomen. Das Atom wurde als kleinste Einheit eines chemischen Elements definiert. Die kinetische Gastheorie erklärte das Verhalten von Gasen durch die ungeordnete Bewegung vieler gleicher Moleküle, die jeweils aus wenigen Atomen bestehen. Dafür genügte zunächst das Modell einer kleinen Kugel von ungefähr 0,1 nm Durchmesser und ungefähr 10^{−26} kg Masse.

Beobachtungen an Elektronenstrahlen und radioaktiven Stoffen zeigten Ende des 19. Jahrhunderts, dass Atome selbst aus kleineren Teilchen bestehen. Die Erforschung dieses inneren Aufbaus führte 1925 zur Quantenmechanik. Moderne Atommodelle werden deshalb vor allem durch mathematische Aussagen beschrieben und lassen sich nicht vollständig durch anschauliche Bilder darstellen.

Frühe Teilchen- und Ladungsmodelle

Das Teilchenmodell von Demokrit aus der Zeit um 400 v. Chr. nimmt verschiedenartige feste und unteilbare Teilchen an. Durch ihre unterschiedlichen Kombinationen sollen die bekannten Substanzen entstehen.

Das Dalton-Modell von 1803 bildet die Grundlage der modernen Atomtheorie. Danach bestehen die Elemente aus kleinsten, nicht weiter teilbaren Teilchen. Die Atome verschiedener Elemente unterscheiden sich in ihrer Masse und verbinden sich in bestimmten Anzahlverhältnissen zu Stoffen. Bei chemischen Reaktionen werden die Atome nur neu angeordnet.

Im Dynamidenmodell von 1903 bestehen Atome aus kleinen, rotierenden elektrischen Dipolen, den Dynamiden, sowie aus leerem Raum zwischen ihnen. Nach dem thomsonschen Atommodell von 1903 enthält ein Atom eine gleichmäßig verteilte positive Ladung, in der sich negativ geladene Elektronen bewegen. Dieses Plumpudding- oder Rosinenkuchenmodell konnte die Durchlässigkeit der Atome für energiereiche Teilchenstrahlen erklären, weil die positive Ladung als frei von Materie angenommen wurde.

Das planetarische Modell oder Saturnmodell von Nagaoka Hantarō aus dem Jahr 1904 beschreibt eine positiv geladene Kugel, die von Elektronen umkreist wird. Es nahm zutreffend einen sehr massereichen Kern an, behauptete aber fälschlich eine Energieabstrahlung durch die Elektronenbewegung. Das Haas’sche Atommodell von 1910 führte erstmals eine Quantenbedingung ein: Beim Wasserstoffatom sollte ein Elektron an der Oberfläche eines homogen positiv geladenen Rumpfs kreisen. Für dessen Größe ergab sich dieselbe Formel wie später im Bohrschen Modell für den ersten angeregten Zustand, der zugleich der Grundzustand der Balmer-Serie ist.

Kern-Hülle- und Bahnmodelle

Nach dem rutherfordschen Atommodell von 1911 besitzt das Atom einen sehr kleinen, positiv geladenen Kern, der nahezu seine gesamte Masse enthält. Um ihn liegt eine nicht genauer beschriebene Elektronenhülle. Das Modell erklärte die seltenen starken Ablenkungen von Alphateilchen.

Das barklasche Schalenmodell von 1912 ordnet die Elektronen in Kugelschalen um den positiv geladenen Kern an. Nur die äußerste Schale bestimmt die chemischen Eigenschaften des Elements; über die Bewegung der Elektronen macht das Modell keine Aussage.

Im bohrschen Atommodell von 1913 umkreisen Elektronen den positiv geladenen, massetragenden Kern auf bestimmten Kreisbahnen, ohne dabei Energie abzustrahlen. Mit diesem Modell konnten erstmals einige Energieniveaus des Wasserstoffatoms mit guter Genauigkeit berechnet werden. Aufgrund seines Erfolgs wurden die älteren Modelle praktisch nicht mehr vertreten. Seitdem bezeichnet „Atommodell“ meist ein Modell der Atomhülle; die ab 1919 durch Rutherford entwickelten Modelle des Atomkerns heißen Kernmodelle.

Das bohr-sommerfeldsche Atommodell von 1916 erweitert das Bohr-Modell: Neben bestimmten Kreisbahnen sind auch bestimmte Ellipsenbahnen um den Kern erlaubt.

Quantenmechanische und vereinfachte Modelle

Im Orbitalmodell von 1928 ist der Atomkern von Elektronen in Orbitalen umgeben. Die Form eines Orbitals beschreibt die räumliche Aufenthaltswahrscheinlichkeit eines Elektrons. Streng definiert ist ein Orbital eine stationäre Lösung der quantenmechanischen Schrödingergleichung und damit ein Energiezustand eines Elektrons. Orbitale sind also keine festen Bahnen, sondern Wellenfunktionen der zum Atom gehörenden Elektronen.

Das Thomas-Fermi-Modell von 1928 fasst die gesamte Elektronenhülle als Fermi-Gas auf. Dieses ist in einem Potentialtopf eingeschlossen, der durch die elektrische Anziehung zwischen dem Kern und den Elektronen entsteht.

Für bestimmte Anwendungen lassen sich Atome weiterhin näherungsweise als starre Körper behandeln. In der kinetischen Gastheorie des idealen Gases werden sie als Punkte ohne räumliche Ausdehnung modelliert. Beim Van-der-Waals-Gas gelten sie dagegen als Kugeln mit einem bestimmten Volumen und anziehenden Kräften. Diese Näherungen heißen Punktteilchen-Modell beziehungsweise Modell inkompressibler Kugeln.

Das Kugelwolkenmodell von 1956, auch kimballsches Atommodell oder Tetraedermodell genannt, vereinfacht das Orbitalmodell. Es erleichtert die Erklärung und Berechnung von Molekülorbitalen und wird häufig in der Schule eingesetzt.

Modelle des Atomkerns

Kernmodelle beschreiben vor allem das Verhalten der Protonen und Neutronen, die zusammen als Nukleonen bezeichnet werden.

Das Tröpfchenmodell von 1936 behandelt den Atomkern als Tröpfchen einer elektrisch geladenen Flüssigkeit. Besonders gut beschreibt es mithilfe der Bethe-Weizsäcker-Formel die Bindungsenergie pro Nukleon.

Das Schalenmodell von 1949 überträgt Grundideen des Orbitalmodells der Elektronenhülle auf den Atomkern. Eine besondere Stärke ist die korrekte Modellierung der magischen Zahlen.

Das Fermigasmodell beschreibt die Nukleonen als zwei überlagerte Fermionengase. Daraus lassen sich der Neutronenüberschuss schwerer Kerne und die mittlere kinetische Energie der Nukleonen im Kern begründen.