Entdeckung DES ATOMS

Historische Hintergründe der Atommodelle Die vier Elemente Die ersten Atommodelle Das Atom heute: Quantenmechanik

. Feuer . Erde Luft . Wasser .

Feuer, Erde, Wasser, Luft

In Griechenland postulierte der Gelehrte Empedokles, der etwa zwischen 490 bis 430 v.Chr. lebte, alle Stoffe bestünden aus vier Elementen, nämlich Feuer, Erde, Wasser und Luft. Nach seiner Theorie versuchten die Menschen, neue Dinge herzustellen, indem die vier Elemente in unterschiedlichen Mischungsverhältnissen zusammengebracht werden. Alle Feststoffe, z.B. Salz, Metalle und Erze wurde dem Element Erde zugeordnet, alle Flüssigkeiten dem Wasser und alle Gase der Luft.

Später, im Jahr 1675 veröffentlichte der französische Chemiker Lémery sein Buch "Der vollkommene Chymist". Er fand eine andere Einteilung: Er unterschied zwischen Mineralreich (z.B. Wasser, Luft, Metalle, Salze, Erze e.t.c.), Pflanzenreich (z.B. Zucker, Stärke, Öle, Pflanzenfarbstoffe...) und Tierreich (z.B. Eiweißstoffe, Fette u.s.w.). Alle zum Mineralreich gehörenden Stoffe bezeichnete er als anorganisch, alle zum Pflanzen- und Tierreich gehörenden Stoffe organisch. Diese Einteilung in organische und anorganische Chemie ist auch heute noch vorhanden; allerdings sind beide Gebiete nicht mehr völlig voneinander zu trennen.

Ein Teilchen nimmt Formen an

Die ersten schriftlich überlieferten Aussagen über das Atom stammen etwa aus dem 5. Jahrhundert vor unserer Zeitrechnung. Zu dieser Zeit definierten Leukipp von Milet und später sein Schüler Demokrit das Atom als kleinste nicht weiter zu teilende Partikel, aus denen jede Materie besteht (atomos griechisch für unteilbar).

Erst 2300 Jahre später, um 1800, griff John Dalton diese Idee wieder auf. Mit der Entdeckung des Gesetzes der vielfachen Gewichtsverhältnisse konnte er für jeden Stoff ein Atomgewicht definieren.

Die Chemie weist schließlich drei chemische Grundgesetze auf, die für die Entwicklung der Atomtheorie sehr wichtig waren:

• das Gesetz von der Erhaltung der Masse (bei chemischen Reaktionen kann Masse weder erzeugt noch vernichtet werden. Dieses Gesetz ist zwar im physikalischen Sinne nicht korrekt, da nach Einsteins Formel E=mc² durchaus Masse verloren gehen kann - chemische Reaktionen sind immer auch mit Energieänderungen verbunden - jedoch spielt sich dies in einer für chemische Betrachtungsweisen irrelevanten Größenordnung ab.),
• das Gesetz von den konstanten Proportionen (Alle Moleküle einer Verbindung enthalten dieselben Elemente im gleichen Masseverhältnis; z.B. das Masseverhältnis von Kohlenstoff zu Wasserstoff in einem Methanmolekül ist immer 12:4 [Kohlenstoff 1*(12u) : Wasserstoff 4*(1u)]. Es kommen also keine einzelnen Teile von Molekülen vor.)
• das Gesetz der multiplen Proportionen (Verbinden sich zwei Elemente A und B in mehr als einem Masseverhältnis, so stehen die Mengen des Stoffes A, die sich mit der gleichen Menge des Stoffes B verbinden, im Verhältnis kleiner ganzer Zahlen)

1897 entdeckte J.J.Thomson, daß Atome negative Teilchen besitzen. Somit war das Atom physikalisch gesehen nicht länger unteilbar. Er stellte es sich als Teig vor, in dem die negativen Ladungen, wie Rosinen sitzen. Da das Atom an sich neutral war, schloß er, daß wenn es negative Ladungen besitzt, es auch einen positiven Teil hat.

1911 beschoß Ernest Rutherford eine hauchdünne Goldfolie mit Alpha-Strahlen (Heliumkernen). Das Ergebnis war, dass ein großer Teil der Strahlung durch die Folie hindurchging, während wenige davon abgelenkt wurden. Er schloß daraus, dass Atome aus einem positiven Kern bestehen, der den Hauptteil der Masse des Atoms ausmacht, und aus einer negativen Hülle. Der Versuch zeigt auch, daß Atome fast leer sind.

Die Spektroskopie brachten den dänischen Physiker Niels Bohr zu einer genaueren Vorstellung des Atoms. Die Spektroskopie geht auf Versuche von Isaac Newton zurück. 1814 entdeckte Joseph v. Fraunhofer schwarze Linien im Spektrum des Sonnenlichts, von denen man später erkannte, daß deren Lage mit dem Spektrum elektrischer Entladungen des Wasserstoffs übereinstimmt (siehe auch: Historische Entwicklung des Schalenmodells).
Bohr nahm nun an, daß sich das Elektron des Wasserstoffatoms nur in bestimmten Bereichen des Atoms, Schalen, aufhält. In diesen Bahnen kreisen die Elektronen quasi wie Planeten um eine Sonne. Die Spektrallinien entsprechen dann einer Absorption (schwarze Linie) oder einer Emission (farbige Linie) von Energiequanten, wenn das Elektron quasi von einer Schale in die nächste springt.
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Die Quantentheorie oder die Theorie der mikrophysikalischen Erscheinungen arbeitet im Gegensatz zur klassischen Physik mit der sogenannten Quantelung physikalischer Größen, d.h. daß Energie, Ladung, Impuls und andere Größen im atomaren Bereich nicht beliebige kontinuierliche Werte annehmen, sondern nur bestimmte Vielfache eines ganz bestimmten Wertes. Es soll an der Stelle nicht auf physikalische Formeln und Details eingegangen werden.
Anstoß zu dieser Theorie gab Max Planck. Im Jahr 1900 hielt er einen Vortrag über die "Wärmestrahlung schwarzer Körper". In Experimenten konnte nachgewiesen werden, dass zum Glühen gebrachte Materie beim Erhitzen keine kontinuierlichen Spektren emittiert. Planck erhob deshalb die Theorie, Wärmestrahlung werde in diskreten Werten, d.h. Energiequanten abgegeben.
Im Jahr 1922 erhielt Albert Einstein den Nobelpreis für Physik für seine Erklärung des Photoeffekts 1905. Der Effekt ist folgender: Elektronen werden durch Einstrahlung von Licht-, Röntgen- oder Gammastrahlen aus freien Atomen oder Atomverbünden herausgelöst, wobei der dadurch gebildete Photostrom der Intensität der absorbierten Strahlung proportional ist. Das Herauslösen tritt nahezu verzögerungslos ein und nicht erst nach einiger Zeit (was nach den Gesetzen der klassischen Physik notwenig gewesen wäre). Dies erklärte Einstein mit der Teilchennatur des Lichts. Es ist nicht so wie vermutet, dass der Wellencharakter des Lichtes das Atom in Schwingungen versetzt, bis schließlich Elektronen freigesetzt werden. Vielmehr treffen Lichtteilchen (Photonen) unmittelbar auf Elektronen und bewirken so das Herauslösen. Einstein erweiterte damit die Ideen Max Plancks, als er annahm, dass Licht in kleinen Paketen, den Quanten, absorbiert oder emittiert wird.

Die Quantenphysik war ins Leben gerufen, die in Teilen als Widerspruch zur klassischen Physik mit ihrem Kausalitätsprinzip steht: Die Welt ist eben nicht (unter Berücksichtigung möglichst vieler Faktoren) bis ins letzte Detail berechenbar, die Voraussage der Zukunft erweist sich deshalb erst recht als unmöglich. Licht mit Wellencharakter hat auch Teilchencharakter.
Eine weitere Aussage stammt von Louis de Broglies, der aussagte, dass sich auch umgekehrt das Verhalten atomarer Partikel nicht nur mit Teilchen-, sondern auch mit Wellencharakter beschreiben läßt.

Werner Heisenberg und Erwin Schrödinger bringen noch mehr zum Ausdruck: Sie entwickeln die Quantenmechanik, in der unter anderem gesagt wird, daß man für die Position eines Elektrons im Atom für bestimmte Stellen nur eine Aufenthaltswahrscheinlichkeit angeben kann.
Begründet wird dies durch die Heisenbergsche Unschärferelation, die besagt, daß man Ort und Impuls eines Elektrons nicht gleichzeitig messen kann.

• Das heutige Atommodell folgt daher nicht mehr dem Modell Bohrs, das von Elektronen ausgegangen ist, die wie Planeten in Ellipsenbahnen um den Kern (resp. die Sonne) kreisen. Vielmehr sind Elektronenbahnen so etwas wie Aufenthaltswahrscheinlichkeiten für Elektronen, in Orbitalen (orbit für englisch: Planetenbahn, Bereich), die selber ein Mittel zwischen Teilchen und Welle sind.

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