Bohrsches Atommodell
Das Bohrsche Atommodell wurde 1913 von Niels Bohr entwickelt. Es war das erste Atommodell mit Elementen der (damals noch nicht entwickelten) Quantenmechanik, das weite Anerkennung fand.
Schematische Darstellung des Bohrschen Atommodells
Atome bestehen im Bohrschen Atommodell aus einem schweren, positiv geladenen Atomkern und leichten, negativ geladenen Elektronen, die den Atomkern auf geschlossenen Bahnen umkreisen.
Der Durchmesser eines Atomkerns beträgt etwa \(10^{-15}\) Meter oder 1 Femtometer (fm).
Ein Femtometer (fm) ist eine Längeneinheit im Internationalen Einheitensystem, die \(10^{-15}\) Meter entspricht, also einem Billiardstel Meter. Es wird oft als "Fermi" bezeichnet und ist in der Kernphysik die gebräuchliche Maßeinheit für den Durchmesser von Atomkernen.
Zum Vergleich: Der Durchmesser eines menschlichen Haares ist etwa eine Milliarde (\(109^\)) mal größer als der Durchmesser eines Atomkerns.
Der Atomkern besteht aus positiv geladenen Protonen und Neutronen. Die Neutronen sind neutral, d. h. sie tragen keine Ladung.
Protonen und Neutronen werden als Nukleonen bezeichnet.
Nukleonen sind die Bausteine des Atomkerns.
Die Gesamtzahl der Nukleonen in einem Atom wird als Massenzahl bezeichnet und bestimmt weitgehend die Masse des Atoms. Die Nukleonen werden durch die starke Kernkraft zusammengehalten, einer kurzreichweitigen, aber sehr starken Wechselwirkung.
Der Durchmesser der Atomhülle liegt im Bereich von \(10^{-10}\) m. Diese Größe wird auch mit 1 Å abgekürzt. Die Größe des Durchmessers wird durch die Elektronen auf den äußeren Bahnen bestimmt, wobei Atome keine scharfe Grenze haben, sondern die Elektronen einen Wahrscheinlichkeitsraum bilden.
Der Durchmesser der Atomhülle ist über 10000-mal größer als der Durchmesser des Atomkerns.
Für die Beschreibung der Bewegung der Elektronen setzte Bohr durch drei Postulate die klassische Physik teilweise außer Kraft. Als Ergebnis gibt das Bohrsche Atommodell, anders als ältere Atommodelle, viele der am Wasserstoffatom beobachteten Eigenschaften richtig wieder. Andererseits werden viele Details sehr genauer spektroskopischer Messungen von dem Bohrschen Atommodell noch nicht erfasst und manche wichtige Eigenschaften gar nicht erklärt, darunter die räumliche Gestalt und die Möglichkeit zur chemischen Bindung.
Ein Atom mit der gleichen Anzahl an positiv geladenen Protonen und negativ geladenen Elektronen ist elektrisch neutral.
Ist die Anzahl an Protonen eines Atoms ungleich der Anzahl an Elektronen wird es als Ion bezeichnet. Ist die Anzahl an Protonen größer als die Anzahl an Elektronen wird das Atom als positiv geladenes Atom bezeichnet.
Ist die Anzahl an Protonen kleiner als die Anzahl an Elektronen wird das Atom als negativ geladenes Atom bezeichnet.
Atome und chemische Elemente
Atome sind die Grundbausteine der chemischen Elemente.
Das chemische Verhalten der Atome wird durch die Zahl der Protonen im Kern und durch den daraus resultierenden Aufbau der Elektronenhülle bestimmt.
Beispiele chemischer Elemente
- Wasserstoff (H) besteht aus einem Proton im Kern und einem Elektron in der Hülle.
- Helium (He) besteht aus zwei Protonen im Kern und zwei Elektronen in der Hülle.
- Sauerstoff (O) besteht aus acht Protonen im Kern und acht Elektronen in der Hülle.
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Uran (U) besteht aus 92 Protonen im Kern und 92 Elektronen in der Hülle.
Visuelle Verdeutlichung des Atomaufbaus verschiedener Elemente
Nuklide und Isotope
Ein Nuklid ist irgendeine Kombination von Protonen und Neutronen, die einen Atomkern bilden.
Ein Nuklid wird durch die Zahl seiner Protonen (Ordnungszahl) und die Summe der Zahl seiner Pro-tonen und Neutronen (Massenzahl) beschrieben.
Die Schreibweise hierfür ist \(_{A}^{M}X\). \(X\) ist ein Platzhalter für das chemische Symbol (z. B. H, He, O, U).
Schematische Darstellung eines Atomkerns bestehend aus Protonen (rot) und Neutronen (blau).
Es sind mehr als 2000 verschiedene Nuklide bekannt. Die meisten dieser Nuklide sind radioaktiv.
Nuklide mit gleicher Ordnungszahl, aber unterschiedlicher Massenzahl heißen Isotope.
Beispiele von Isotopen
- Wasserstoff-Isotope: \(_{1}^{1}H\), \(_{1}^{2}H\), \(_{1}^{3}H\)
- Kohlenstoff-Isotope: \(_{6}^{12}C\), \(_{6}^{14}C\)
- Uran-Isotope: \(_{92}^{235}U\), \(_{92}^{238}U\)
Nuklidkarte
Alle Nuklide lassen sich in einer Nuklidkarte in Segrè-Darstellung systematisch darstellen.
Eine oftmals genutzte Darstellung besteht aus einem kartesischen Z,N-Koordinatensystem. Auf der waage-rechten Achse ist die Zahl an Protonen Z und auf der vertikalen Achse die Zahl an Neutronen N aufgetragen.
Jedes bekannte Nuklid wird entsprechend seiner Protonenzahl Z und Neutronenzahl N an der entsprechenden Stelle im Koordinatensystem eingetragen.
Nuklidkarte in Segrè-Darstellung mit farblicher Kennzeichnung der Zerfallsarten (Nuklidkarte des Brookhaven National Laboratory).
Eine farbige Koodierung der jeweiligen Nuklide in der Nuklidkarte gibt Hinweise darauf, ob sie stabil sind, d. h. nicht mehr weiter zerfallen, bzw. auf ihre Zerfallsart. So werden stabile Nuklide oftmals auf schwarzem, radioaktive Nuklide auf blauem (\(\beta^-\)-Zerfall), rotem (\(\beta^+\)-Zerfall), gelbem (\(\alpha\)-Zerfall) oder grünem (Spontanspaltung) Hintergrund dargestellt. Ergänzend können die einzelnen Felder noch Angaben wie Nuklidbezeichung, Halbwertszeit, Gamma-Linien etc. enthalten.
Die bekannten Nuklide befinden sich entlang der Diagonalen der Z,N-Ebene.
In der Karlsruher Nuklidkarte genutzte Farbkoodierung für verschiedene Nuklide.
On-line Versionen der Nuklidkarte sind verfügbar unter: