Atommodelle - Rutherford und Bohr erklären den Aufbau des PSE

Einige Fragen stellen sich, wenn man sich das Periodensystem mit den Elementen anschaut:

• Gibt es vielleicht noch mehr Elemente "zwischen" den bekannten?
• Woher kommt die Periodizität der Eigenschaften, wenn man die Atome der Masse nach aufreiht?

Schon früh wurde den Chemikern und Physiker klar, dass sie klären mussten, was die Atome der verschiedenen Elemente unterscheidet? Das führte letztendlich dazu, dass erklärt wurde, wie die Atome aufgebaut sind. Zwei Physiker brachte dabei den Durchbruch. Der eine durch ein Experiment, der andere eher durch theoretische Überlegungen.

Das Kern-Hülle-Modell nach Rutherford

Im Buch zu lesen: Zum Thema Kern-Hülle-Modell und Isotope findest du in unserem Buch Informationen auf den Seiten 182, 184 und 185.

Aufgabe 1 Informiere dich im Buch über das Kern-Hülle-Modell und den Aufbau des Atoms. Fülle die Lücken des Arbeitsblattes aus. In diesem Video werden sehr schön die Größenverhältnisse von Atom, Atomkern und Elektron verdeutlicht.

Begriffe und Dinge, die du nun kennen sollst: Atomkern, Atomhülle Elektron, Neutron, Proton ... deren Eigenschaften und ihre Position im Atom Isotop

Aufgabe 2 Fülle das Arbeitsblatt aus, bei dem es um die Bestimmung der Anzahl der Elementarteilchen geht. Eine Video-Anleitung findest du hier.

Aufgabe 3 Im Buch wird das Rutherford'sche Streuexperiment auf den Seiten 182 und 183 recht kurz beschrieben. Man findet aber Videos, die das Experiment zeigen und mit Animationen sicherlich besser erklären können. Das Rutherford-Experiment ... ein etwas älterer Film, der aber das Experiment richtig zeigt und alles gut erklärt. Versuche die folgenden Fragen zu beantworten, um kontrollieren, ob du das Experiment von Rutherford verstanden hast: Warum war sich Rutherford sicher, dass die Atome größtenteils aus leerem Raum bestehen? [Lösung zeigen][Lösung wieder verstecken] Weil der größte Teil der Alpha-Teilchen einfach, ohne seine Flugbahn zu verändern, durch die Goldfolie durchgeflogen ist. Wie hätten die Atome aussehen müssen, damit keine Strahlung durchkommt? [Lösung zeigen][Lösung wieder verstecken] Wären Atome kompakte Kugeln, wie Dalton sie sich vorstellte, hätten die Alpha-Teilchen komplett daran abprallen müssen. Warum war nach dem Experiment klar, dass der Kern eine positive Ladung haben muss? [Lösung zeigen][Lösung wieder verstecken] Wäre der Kern negativ wäre vermutlich das Alpha-Teilchen bei einem Zusammenprall, aufgrund der Anziehung von postiver und negativer Ladung, daran hängengeblieben. So stoßen sich die gleichen Ladungen ab. Die negativen Elektronen sind aber in Bewegung und können daher schlechter getroffen werden. Warum musste Rutherford eine möglichst dünne Goldfolie verwenden? [Lösung zeigen][Lösung wieder verstecken] Wenn du viele Schichten Atome übereinander liegen, sind immer merh Atomkerne im Weg. Das heißt, die Alpha-Teilchen werden eher hängenblieben. Ab einer gewissen Dicke wird tatsächlich auch die gesamte Alpha-Strahlung von einer Goldfolie "geschluckt".

Ionen ... geladene Atom

Bei Mineralwasser findest du auf der Rückseite immer Informationen über die Inhaltsstoffe. Sicher findest du da so etwas wie Na⁺ oder Cl^-! Ist also im Mineralwasser Natrium und Chlor enthalten? Dann sollte man das sicher nicht trinken, oder? Aber welche Bedeutung haben das dann das Plus und das Minus am Atom?

Vom Atomaufbau kennst du ja die die Ladung der verschiedenen Elementarteilchen. Und auch hier haben wir jeweils Teilchen mit einer Ladung. Das bedeutet dann, dass ...

• Na⁺ eine Art Natriumatom mit positiver Ladung ist.
• Cl^- eine Art Chloratom mit negativer Ladung ist.

Tatsächlich nennt man solche geladenen Teilchen nicht Atome sondern Ionen. Aber wie entstehen sie?

Wie du dir vielleicht denken kannst, hat das was mit den Elementarteilchen zu tun, denn sie sind geladen und wenn man deren Anzahl verändert, es also nicht mehr gleich viele Elektronen wie Protonen gibt, überwiegt eine der Ladungen und das Teilchen ist nach außen hin nicht neutral sondern eben geladen.

Aufgabe 4 Schau dir das Video mit den Erklärungen an, was Na+ oder Cl- bedeuten. Es wird auch erklärt, wie die Ladung zustande kommt und wie man darauf kommt, wie das geladene "Atome" aufgebaut sein muss. Halte die beiden Beispiele im Heft fest. Verständniskontrolle: Warum macht es Sinn, dass eher die Anzahl der Elektronen verändert werden als die der Protonen? [Lösung zeigen][Lösung wieder verstecken] Weil der Hülle außen ist und deshalb ein Elektron dazu oder das Entfernen eines Elektrons leichter stattfinden kann, als wenn etwas innen am Kern verändert werden soll. Warum darf man die Anzahl der Protonen soweiso nicht verändern? [Lösung zeigen][Lösung wieder verstecken] Die Anzahl der Protonen bestimmt die Art des Atoms. Verändert man die Protonenzahl so hätte man ein anderes Element. Warum darf man Na+ nicht Atom nennen? [Lösung zeigen][Lösung wieder verstecken] Bei den Atomen ist die Anzahl von Protonen gleich der Anzahl der Elektronen. Das ist bei geladenen Teilchen nicht der Fall.

Ion = geladenes Atom, bei dem entweder Elektronen im Vergleich zum "Normalzustand" entfernt oder hinzugefügt wurden. Anion = negativ geladenes Ion, wie Cl- Kation = positiv geladenes Ion, wie Na+.

Aufgabe 5 In der Schule soll für die restlichen Ionen auf dem ausgeteilten Mineralwasser-Etikett (außer Sulfat und Hydr. Carb.) ebenfalls bestimmt werden, wieviele Elektronen, Protonen und Neutronen diese haben.

Weitere Beispiele:

• Al³⁺ hat einen Überschuss von 3 positiven Ladungen, damit fehlen also 3 Elektronen im Vergleich zum neutralen Al-Atom.
• S^2- hat 2 negative Ladungen mehr als positive. Deshalb müssen zwei Elektronen mehr als beim neutralen S-Atom enthalten sein.

Stellt sich nun die Frage, warum machen diese Atome das? Warum geben sie Elektronen ab oder nehmen welche auf? Gibt es auch Na^- oder Cl⁺? Dazu stellen wir eine einfache theoretische Überlegung an:

Aufgabe 6 Vergleiche die Anzahl der Elektronen de Ionen mit anderen Atomsorten. Welche (ungeladene) Atomsorte hat soviele Elektronen wie die Na+, Cl- und die anderen Ionen auf der Mineralwasserflasche? Trage in die restlichen Spalten ein: "Symbol des Elementes" "Anzahl Protonen" "Anzahl Elektronen" ...

Edelgasregel: Atome versuche immer die Elektronenkonfiguration benachbarter Edelgase zu erreichen und geben deswegen Elektron ab bzw. nehmen Elektronen auf. Elektronenkonfiguration = Anzahl und Verteilung der Elektronen in der Atomhülle.

Mit der Edelgasregel kann man im Prinzip vorhersagen, welche Art von Ion bevorzugt aus einem Atom wird. Aber es ist immer noch nicht klar, warum die Elektronenkonfiguration von den Edelgasen so besonders ist. Eventuell ließe es sich mit den Eigenschaften der Edelgase erklären. Edelgase heißen ja so, weil sie sehr reaktionsträge sind. Vielleicht hat dies eben auch mit der Anzahl an Elektronen zu tun. Und dann stellt sich natürlich auch noch die Frage, wo gehen Elektronen hin, wenn sie ein Atom verlassen bzw. wo kommen Elektronen her, wenn ein Atom negativ geladen ist.

Was die Besonderheit der Edelgase ist wird nun gleich durch Herrn Bohr geklärt. Auf die Beantwortung der zweiten Frage musst du noch ein wenig warten, das wird das nächste Thema sein.

Abschluss

• Das Atom - John Dalton und Niels Bohr - Meilensteine der Naturwissenschaft und Technik ... der Film ist ein guter Rückblick über die Entwicklung des Atommodells bis Bohr und wie es danach weiter ging.
• Ein eher physikalische Sicht bietet der Film Klein aber oho - das Atom aus der Reihe Telekolleg Physik. Dabei werden alle wichtigen Experimente gezeigt, die zur Entwicklung des Atommodells geführt haben.

Übrigens:

• Das es tatsächlich keine Lücke mehr im Periodensystem geben kann, wurde von  Moseley Henry Moseley  nachgewiesen. Und zwar zur gleichen Zeit, wie Bohr sein Atommodell aufstellte. Im Grunde genommen bestätigte er damit die Atommodelle von Rutherford und Bohr, die aufeinander aufbauten.
• Bei den Isotopen sind die Kernforschungsinstitute auf der Jagd nach Atomen mit immer größerer Ordnungszahl, die auch auch immer schwerer sind. Allerdings sind alle diese künstlich erzeugten Elemente radioaktiv und zerfallen meist sehr schnell. Das liegt an der großen Anzahl an Protonen, die nicht mehr von den Neutronen abgeschirmt werden können, so dass sie die positiven Ladungen abstoßen und das Atom zerfällt. Die Physiker vermuten aber, dass es bestimmte Ordnungszahlen gibt, ab denen es plötzlich wieder stabile Isotope gibt. Man verwendet die Begriffe "Magische Zahlen" oder "Insel der Stabilität". Siehe auch  Magische_Zahl .

• Interessanter Weise gibt es den Roman "Atomgewicht 500". Es ist ein "alter" Science-Fiction Roman aus dem Jahre 1934 vom dem, aus der DDR stammenden Autor, Hans Dominik. Es geht dabei um Atome mit einem Gewicht von über 500 u, die stabil sein sollen und als wundersame Energiequellen dienen sollen Mehr dazu ....

ACHTUNG, Kontrolle!! - Zeigen Sie Ihre Kenntnisse zu Atommodelle vor!

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Es gibt einen MultipleChoice-Test in dem du in allgemeinen Fragen zu den beiden Atommodellen dein Wissen testen kannst. Außerdem gibt es einen Lückentext, in dem du bestimmte Berechnungen bezüglich der Anzahl der Elementarteilchen vornehmen musst.