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Von starren Kugeln zu wirbelnden Wolken – Atommodelle im Überblick

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Team Digital
Von starren Kugeln zu wirbelnden Wolken – Atommodelle im Überblick
lernst du in der 8. Klasse - 9. Klasse - 10. Klasse

Grundlagen zum Thema Von starren Kugeln zu wirbelnden Wolken – Atommodelle im Überblick

Das Kern-Hülle-Modell der Atome in der Chemie

Wie lässt sich die kovalente Bindung mit dem Atommodell erklären? Welches Modell hat Rutherford entwickelt? Im folgenden Text werden genau diese Fragen beantwortet.

Was besagt das Kern-Hülle-Modell von Rutherford?

Der Physiker Ernest Rutherford entwickelte das Kern-Hülle-Modell (Rutherford-Atommodell). Der Atomaufbau kennzeichnet sich dabei so: Ein Atom besteht aus den negativen Elektronen und den positiven Protonen. Einfach erklärt besagt das Kern-Hülle-Modell nach Rutherford, dass ein Atom aus einer Atomhülle und einem Atomkern besteht. In der folgenden Abbildung kannst du dir ansehen, wie sich Rutherford das Kern-Hülle-Modell vorgestellt hat:

Aufbau Kern-Hülle-Modell Rutherford

Mit dem Rutherford-Atommodell lässt sich die Entstehung chemischer Bindungen gut erklären.

Wie entwickelte Ernest Rutherford das Kern-Hülle-Modell?

Der Physiker Rutherford experimentierte mit einer Goldfolie im Jahr 1910. Doch wie kam Rutherford zu seinen Erkenntnissen? Bei dem Streuversuch schoss Rutherford $\alpha$-Teilchen auf eine sehr dünne Goldfolie. Diese $\alpha$-Teilchen sind zweifach positiv geladen und sehr klein. Die meisten der $\alpha$-Teilchen flogen direkt durch die Goldfolie hindurch. Das stimmte mit dem bis dahin geltenden Thomson-Atommodell überein. Doch einige $\alpha$-Teilchen wurden reflektiert und abgelenkt. Das konnte wiederum nicht mit dem Thomson-Modell erklärt werden. So entwickelte Rutherford ein neues Atommodell: das Kern-Hülle-Modell.

Die Bedeutung des neuen Modells: Das Kern-Hülle-Modell hatte eine riesengroße Bedeutung für das Verständnis der chemischen Bindung. Man wollte immer gerne wissen, wie Atome zusammengehalten werden. Die verschiedenen Bindungsarten konnten mit diesem Modell gut erklärt werden.

Kern-Hülle-Modell Aufbau – Atomkern und Atomhülle

Im Folgenden wird das Kern-Hülle-Modell beschrieben. Nach Rutherford besteht ein Atom aus einem Atomkern und einer Atomhülle, die fast leer ist. Der Atomkern ist elektrisch positiv geladen. In der Atomhülle sind negativ geladene Elektronen, die schnell um den Atomkern kreisen. Aufgrund der hohen Geschwindigkeit der Elektronen nahm Rutherford an, dass die Elektronen nicht in den positiven Atomkern stürzen.

Nehmen wir einmal an, der Atomkern hätte die Größe einer Murmel. Dann hätte die Atomhülle die Ausmaße eines Fußballfelds. Die Masse eines Atoms ist im Atomkern konzentriert, dabei ist die Masse eines Protons 1 836-mal größer als die Masse eines Elektrons. Wie wir heute wissen, befinden sich im Kern auch noch Neutronen. Ein Neutron ist dabei noch etwas schwerer – es ist 1 839-mal schwerer als ein Elektron. Die Elektronen bewegen sich um den Atomkern. Dabei ist ihre Geschwindigkeit sehr, sehr groß.

Was sind Elektronen, Neutronen und Protonen?

Die Eigenschaften der Teilchen im Atom kannst du dir in der folgenden Tabelle ansehen:

Elektron
  • Negativ geladene Teilchen
  • Sie befinden sich in der Atomhülle.
  • Proton
  • Positiv geladene Teilchen
  • Sie befinden sich dicht gepackt im Atomkern.
  • In der Regel liegen genauso viele Protonen wie Elektronen vor.
  • Die Protonen stoßen sich aufgrund der Neutronen nicht ab.
  • Neutron
  • Neutrale Teilchen
  • Sie befinden sich im Atomkern zwischen den Protonen.
  • Sie verhindern die Abstoßung der Protonen.
  • Was sind Elektronen?

    Elektronen sind negativ geladene Teilchen. Die Elektronen bewegen sich auf Kreisbahnen in der Atomhülle immer wieder um den Atomkern. Du kannst dir das wie bei unserem Sonnensystem vorstellen: Dort bewegen sich die Planten auch auf Kreisbahnen um die Sonne.

    Was sind Protonen?

    Protonen sind positiv geladene Teilchen und befinden sich ganz dicht gepackt im Atomkern. Dabei liegen genauso viele Protonen wie Elektronen in einem Atom vor. Aber Moment mal: Würden sich nicht eigentlich zwei positive Ladungen voneinander abstoßen, wenn sie sich zu nahe kommen? Im Atomkern stoßen sich die Protonen aber nicht ab. Wie kommt es dazu? Das liegt daran, dass sich im Atomkern auch die Neutronen befinden. Diese haben keine Ladung. Deswegen stoßen sich die Protonen nicht voneinander ab.

    Was sind Neutronen?

    Neutronen sind neutral geladene Teilchen. Sie befinden sich zwischen den Protonen und verhindern so eine Abstoßung der Protonen.

    Eine Ausnahme gibt es: Das Wasserstoffatom besitzt keine Neutronen, weil es nur ein Proton besitzt. Es kann beim Wasserstoffatom im Atomkern also zu keiner Abstoßung kommen, sodass auch keine Neutronen notwendig sind.

    Was kann das Kern-Hülle-Modell nicht erklären?

    Was sind die Grenzen des Kern-Hülle-Modells? Die Stabilität des Atoms kann mit dem Kern-Hülle-Modell nach Rutherford nicht erklärt werden. Das Modell erklärt nicht, wie sich die Elektronen in der Atomhülle verhalten und warum die Elektronen zum Beispiel nicht einfach vom positiven Atomkern angezogen werden und somit in den Kern stürzen. Bewegen sich die Elektronen auf kreisförmigen oder elliptischen Bahnen um den Atomkern, dann treten Radialbeschleunigungen auf. Beschleunigte Elektronen senden somit elektromagnetische Wellen aus und müssten nach dem Energieerhaltungssatz Energie verlieren und damit allmählich in den Atomkern stürzen. Das machen sie aber nicht. Außerdem war bekannt, dass jedes Element charakteristische Spektrallinien aussendet. Die Entstehung dieser Spektrallinien konnte jedoch mit dem rutherfordschen Atommodell nicht gedeutet werden.

    Es war bald klar, dass mit dem rutherfordschen Atommodell nicht alle Fragen beantwortet werden konnten. Im Jahr 1913 entwickelte Niels Bohr für das Wasserstoffatom ein Kern-Hülle-Modell (bohrsches Atommodell), bei dem sich die Elektronen auf festen Kreisbahnen um den Atomkern bewegen. Dieses sogenannte Schalenmodell stellte also eine Weiterentwicklung des Kern-Hülle-Modells von Rutherford dar.

    Zusammenfassung

    In diesem Text haben wir das Kern-Hülle-Modell kennengelernt: Das Rutherford-Modell ist, einfach erklärt, ein Atommodell, bei dem das Atom aus einem Atomkern und einer Atomhülle besteht.

    Im Anschluss an das Video und diesen Text findest du Übungsaufgaben, um dein erlerntes Wissen zu überprüfen. Viel Spaß!

    Teste dein Wissen zum Thema Kern-Hülle-Modell!

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    Vorschaubild einer Übung
    2 Kommentare
    2 Kommentare
    1. Danke! Das Video rettet mich für den Test in zwei Tagen!

      Von Leni, vor 3 Monaten
    2. Keine Kommentare :( Ihr macht das doch so gut! 🫶

      Von Halallie, vor 4 Monaten

    Von starren Kugeln zu wirbelnden Wolken – Atommodelle im Überblick Übung

    Du möchtest dein gelerntes Wissen anwenden? Mit den Aufgaben zum Video Von starren Kugeln zu wirbelnden Wolken – Atommodelle im Überblick kannst du es wiederholen und üben.
    • Stelle die geschichtliche Entwicklung zum heutigen Atommodell dar.

      Tipps

      Das Orbitalmodell basiert unter anderem auf dem Schalenmodell.

      Lösung

      Die Vorstellung, dass Materie aus Atomen zusammengesetzt ist, besteht schon seit der Antike, als die Philosophen Demokrit und Leukipp als erste den Grundgedanken ausformulierten:
      Wenn man Materie immer weiter zerteilt und zerkleinert, dann muss man irgendwann bei kleinsten Teilchen landen, die nicht weiter teilbar sind. Wie diese Atome aber genau aussehen und ob es sie wirklich gibt, das konnte lange niemand sagen.

      Im 19. und 20. Jahrhundert wurden durch Experimente und Berechnungen neue Erkenntnisse gewonnen und entscheidende Fortschritte gemacht, die zu den folgenden Modellen führten:

      • 1808: Dalton’sche Atomhypothese von John Dalton
      • 1903: Rosinenkuchenmodell von Joseph John Thomson
      • 1911: Kern-Hülle-Modell von Ernest Rutherford
      • 1913: Schalenmodell von Niels Bohr
      • ab 1923: Orbitalmodell, das auf allen vorherigen Modellen basiert und zusätzlich einige Erkenntnisse der Quantenmechanik berücksichtigt

    • Begründe, wieso es bis heute immer wieder neue Modelle zur Atomvorstellung gibt.

      Tipps

      Es gibt zwei richtige Antworten.

      Lösung

      Du kennst sicherlich ein Modell einer Eisenbahn. Dieses Modell zeigt dir, wie eine Eisenbahn aufgebaut ist und wie sie funktioniert. Es hilft uns, die Grundprinzipien dieses Verkehrsmittels zu verstehen. Doch trotz aller Genauigkeit zeigt dieses Modell nicht die Realität: Es ermöglicht uns nicht, tatsächlich in einen Zug zu steigen und zu reisen. Ähnlich verhält es sich in der Welt der Chemie.

      Modelle im Bereich des Atomaufbaus dienen dazu, die komplexe Wirklichkeit zu vereinfachen und zu veranschaulichen. Sie helfen uns, die grundlegenden Strukturen und Eigenschaften von Atomen zu begreifen. Aber wie das Eisenbahnmodell zeigen auch chemische Modelle nicht die Realität, sondern vereinfachte Darstellungen, die für bestimmte Zwecke geeignet sind. Für die schulische Chemie kann beispielsweise das Schalenmodell ausreichen, da es bestimmte Grundkonzepte vermittelt.

      Durch Experimente und Berechnungen gewinnen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler ständig neue Erkenntnisse, die zu neuen Modellen führen.

    • Gib das Atommodell nach John Dalton wieder.

      Tipps

      Der Begriff „átomos“ kommt aus dem Altgriechischen und bedeutet „unteilbar“.

      Ein Wasserstoffatom ist kleiner und leichter als ein Sauerstoffatom.

      Lösung

      Über 2 000 Jahre nach der ersten Atomvorstellung nach Leukipp und Demokrit griff der Chemiker John Dalton die Idee wieder auf – als Modellvorstellung:

      Laut Dalton bestehe jegliche Materie aus kleinen, kugelförmigen Teilchen. Sie heißen Atome. Diese sind unteilbar und damit auch unzerstörbar.

      Die Atome eines chemischen Elements sind alle gleich groß und gleich schwer, während sich die Atome verschiedener Elemente in Größe und Masse unterscheiden. Es gibt also verschiedene Atomsorten.

      Atome können sich chemisch verbinden und auch wieder trennen. Man spricht dann von Molekülen. So entsteht ein neuer Stoff aus den Atomen verschiedener Elemente: eine chemische Verbindung.

      Mit seinen Annahmen konnte Dalton einige wichtige Beobachtungen erklären, zum Beispiel dass in einer chemischen Verbindung die Bestandteile immer im gleichen, ganzzahligen Verhältnis vorliegen. Außerdem konnte er erklären, dass die Gesamtmasse der Stoffe vor und nach einer chemischen Reaktion stets gleich bleibt.

    • Charakterisiere die verschiedenen Atommodelle.

      Tipps

      Jedem Atommodell werden eine Annahme sowie ein Wissenschaftler zugeordnet.

      Ein anderer Begriff für „Schalen“ ist „Bahnen“.

      Lösung

      Die Vorstellung, dass Materie aus Atomen zusammengesetzt ist, besteht schon seit der Antike. Aber erst im 19. und 20. Jahrhundert wurden durch Experimente und Berechnungen neue Erkenntnisse gewonnen und entscheidende Fortschritte gemacht.

      $\underline{\text{Rosinenkuchenmodell (1903)}}$

      • Der Physiker Joseph John Thomson konnte nachweisen, dass aus ungeladener Materie elektrisch negative Ladungsträger herausgelöst werden können – er entdeckte die Elektronen.
      • Ihm zufolge sind die Elektronen in den Atomen wie in eine weiche, positiv geladene Masse eingebettet.
      • Das Atom ist nach außen elektrisch neutral, da die Ladungen sich ausgleichen. Aber die Elektronen können eben auch herausgelöst werden.

      $\underline{\text{Kern-Hülle-Modell (1911)}}$
      • Ein Schüler von Thomson, Ernest Rutherford, beschoss in seinem berühmten Streuversuch eine dünne Goldfolie mit Helium-Ionen.
      • Da in seltenen Fällen eine starke Rückstreuung der Ionen auftrat, ging er davon aus, dass nahezu die gesamte Masse der einzelnen Goldatome auf sehr kleinem Raum konzentriert sein muss. Er entdeckte den Atomkern.
      • Die fast masselosen, aber negativ geladenen Elektronen kreisen in der ansonsten völlig leeren Atomhülle um den Kern.

      $\underline{\text{Schalenmodell (1913)}}$
      • Der dänische Physiker Niels Bohr ging der Frage nach, wie genau sich die Elektronen um den Kern herum bewegen.
      • Laut Bohr bewegen sich Elektronen auf festgelegten Bahnen um den Kern, auf denen sie sich in einem energetisch stabilen Zustand befinden.
      • Bohrs Schalenmodell deckt sich mit der Einteilung der Elemente in Perioden und Gruppen im Periodensystem und erklärt auch die unterschiedlichen Größen der Atome.

    • Benenne die Abbildungen der Atommodelle.

      Tipps

      Das Rosinenkuchenmodell heißt so, weil in dem Modell die Elektronen in eine positiv geladene Masse eingebettet sind: wie Rosinen in einem Kuchen.

      Das Kern-Hülle-Modell sagt aus, dass sich die Protonen und Neutronen im Atomkern sowie dass sich die Elektronen in der Atomhülle befinden.

      Lösung

      Die Vorstellung, dass Materie aus Atomen zusammengesetzt ist, besteht schon seit der Antike. Aber erst im 19. und 20. Jahrhundert wurden aus Experimenten und Berechnungen neue Erkenntnisse gewonnen und entscheidende Fortschritte gemacht, die zu den folgenden Modellen führten:

      • 1808: Dalton’sche Atomhypothese von John Dalton
      • 1903: Rosinenkuchenmodell von Joseph John Thomson
      • 1911: Kern-Hülle-Modell von Ernest Rutherford
      • 1913: Schalenmodell von Niels Bohr
      • ab 1923: Orbitalmodell, das auf allen vorherigen Modellen basiert und zusätzlich einige Erkenntnisse der Quantenmechanik berücksichtigt

    • Gib an, welche Aussagen das Orbitalmodell annimmt.

      Tipps

      Es gibt drei richtige Antworten.

      Lösung

      Die Vorstellung, dass Materie aus Atomen zusammengesetzt ist, besteht schon seit der Antike. Aber erst im 19. und 20. Jahrhundert wurden durch Experimente und Berechnungen neue Erkenntnisse gewonnen und entscheidende Fortschritte gemacht.

      Die Atommodelle von Dalton, Thomson, Rutherford und Bohr berücksichtigten jeweils neue Aspekte, die den Weg zum heutigen Orbitalmodell bereiteten. Zusätzlich berücksichtigt das Orbitalmodell einige Erkenntnisse der Quantenmechanik:

      • Elektronen sind nicht nur Teilchen, sondern haben auch Wellencharakter.
      • Das bedeutet, dass sie verschiedene Schwingungszustände einnehmen können.
      • Elektronen halten sich mit einer gewissen Aufenthaltswahrscheinlichkeit in bestimmten Bereichen auf. Ihr genauer Aufenthaltsort kann jedoch nicht exakt bestimmt werden kann.