3.5. Modelle von Atomen

Auf dieser Seite werden Atommodelle nicht ausführlich in allen Details besprochen. Das finden Sie in jedem guten Schulbuch und im Internet. Statt dessen soll der Modellcharakter von 4 Atommodellen genauer unter die Lupe genommen werden. Dabei geht es um die Fragen :

Im einzelnen geht auf dieser Seite um

3.5.1. Die Atomhypothese

Möglicherweise wird an dieser Stelle das Weltbild einiger Leute einstürzen. Ich teile Ihnen 2 Tatsachen mit, die eigentlich alle Gebildeten und besonders jede Chemikerin und jeder Chemiker wissen sollte, die aber durch Hektik und Gewohnheit häufig übersehen werden. Diese beiden Tatsachen sind die Gründe, weshalb man Modelle von Atomen aufstellt und sogar aufstellen muss, und weshalb Modelle die Grundlage der gesamten Chemie sind.

Es ist nicht bewiesen, dass es Atome gibt. Das liegt nicht daran, dass noch nicht genug geforscht wurde, oder dass sich die Wissenschaftler bei ihrer Arbeit ungeschickt angestellt hätten, sondern der Grund ist prinzipieller Natur. Man kann eine Theorie durch noch so viele Beobachtungen nicht beweisen, aber durch eine einzige Beobachtung kann sie widerlegt werden. Tausende oder Millionen von Beobachtungen, die mit der Aussage „Die Materie ist aus Atomen aufgebaut” in Einklang stehen, können diese Aussage zwar wahrscheinlicher machen, aber nicht beweisen. Eine einzige Beobachtung, die der Aussage widerspricht, widerlegt sie dagegen.

Aussagen, die viele Versuche ihrer Widerlegung überstanden haben, und zu denen es viele Beobachtungen gibt, die damit in Einklang stehen, kann man aber (zum Glück !) als gute und sichere, wenn auch vorläufige Arbeitshypothese benutzen. Die Atomhypothese, das heißt die Aussage, dass die Materie aus Atomen aufgebaut ist, ist eine solche. Wir können also ohne weiteres mit ihr arbeiten und stehen dabei auf sicherem Boden.

Gewiss habe ich die beiden vorigen Absätze sehr strikt formuliert. Sicher kann man sie auch mit gefälligeren Worten hinschreiben. Jedoch ändert das nichts an der Tatsache, dass jegliches Wissen in den Naturwissenschaften vorläufig ist und grundsätzlich widerlegt werden kann. Auch wenn Sie in Alltagsformulierungen und Laborjargon Formulierungen wie „Das ist doch bewiesen.” gebrauchen, sollten Sie sich diese Vorläufigkeit und grundsätzliche Widerlegbarkeit immer, oder wenigstens von Zeit zu Zeit, bewusst machen.

Möchten Sie mehr darüber erfahren, wie in den Naturwissenschaften Erkenntnisse gewonnen werden, wie sie sich verändern und manchmal auch in der Mülltonne landen ? Alan F. Chalmers hat einen kompetenten Überblick über die Wissenschaftstheorie (das Teilgebiet der Philosophie, das sich mit solchen Fragen befasst) geschrieben (L–202). Thomas S. Kuhn und Paul Feyerabend, zwei bekannte Wissenschaftstheoretiker, stellen in ihren Büchern (L–203 und L–204) ihre Ansichten zur Erkenntnisgewinnung in einer Form vor, die auch für Nicht–Philosophie–Studierte verständlich ist, und ermöglichen einen detaillierten, wenn auch punktuellen Einblick in die Denkweise der Wissenschaftstheorie.

Oberfläche von Graphit durch RTM-Untersuchung

Bild 1 : Das Bild veranschaulicht die Messergebnisse einer RTM–Untersuchung von Graphit. Bildnachweis (3)

Man kann Atome nicht sehen. Noch niemand hat Atome gesehen. Aber man findet doch oft „Bilder” von Atomen, wie zum Beispiel Bild 1. Wie passt das alles zusammen ?

Bild 1 wurde mit Hilfe eines Rastertunnelmikroskops (RTM) und eines Computerprogramms erstellt. Das RTM unterstützt uns nicht beim Sehen, etwa durch Vergrößerung wie ein Mikroskop, sondern es misst Tunnelströme. Das sind sehr geringe elektrische Ströme, die aufgrund quantenmechanischer Effekte zwischen einer Probe (die elektrisch leitfähig sein muss) und der Messsonde des RTM fließen. Das RTM ist also ein Messgerät für Tunnelströme. Es ist kein Messgerät für die Oberflächengestalt eines Materials. Die Messergebnisse, die man bisher gefunden hat, stehen im Einklang mit der Atomhypothese. Das ist erfreulich, denn niemand muss sich nach einer neuen Erklärung umsehen. Ein Bild ist aber noch nicht entstanden, nur Messergebnisse. Das Bild ist Produkt eines Computerprogramms, das die Messergebnisse graphisch veranschaulicht. Es ist legitim, dass es dies im Sinn der (vorläufigen) Atomhypothese tut, aber natürlich ist so eine Computergraphik kein Beweis für die Existenz von Atomen und auch kein Bild von ihnen.

Bei den folgenden Links wird davon gesprochen, dass man mit dem RTM Atome sehen kann. Nehmen Sie es als Ungenauigkeit oder Laborjargon, Sie wissen es inzwischen besser.

Zum Seitenanfang

 

3.5.2. Atommodelle als Beschreibung der Wirklichkeit

Ich bleibe auf sicherem Boden und mache noch einmal klar, dass die Atomhypothese zwar grundsätzlich widerlegbar ist, aber, da sie seit über 200 Jahren alle Widerlegungsversuche überstanden hat, überaus nützlich zur Beschreibung, Systematisierung und Erklärung der Wirklichkeit ist. Sie ist ein Modell, das heißt ein Bild, das wir uns von der Wirklichkeit machen. Ihre Nützlichkeit hat dazu geführt, dass sie verfeinert worden ist. Es wurden immer detailliertere Modelle vom Aufbau der Atome aufgestellt, mit denen man Beobachtungen immer besser erklären konnte.

Hier sind die wichtigen Eigenschaften aller Atommodelle und damit aller unserer Vorstellungen vom Aufbau der Materie.

Zum Seitenanfang

 

3.5.3. Der alte Demokrit

Am Begriff des Unendlichen haben sich die Philosophen der griechischen Antike intensiv abgearbeitet. Neben dem unendlich großen war das unendlich kleine genauso wichtig. So kam die Frage auf, was wohl passieren mag, wenn man einen Gegenstand, zum Beispiel ein Stück Holz, immer wieder halbiert. Ist irgendwann weiteres Teilen unmöglich, weil es kleinste, unteilbare Teilchen gibt, oder kann man das Teilen unendlich oft weiterführen, was die Konsequenz hätte, dass es unendlich kleine Materieteile gäbe.

Die Griechen der Antike haben nicht versucht, diese Frage durch Beobachtungen oder Experimente zu entscheiden. Solch praktisches Tun war unter ihrer Würde. Sie wollten die Antwort durch spekulatives Denken finden. Einige von ihnen, darunter Demokrit, der von 460 v. Chr. bis 371 v. Chr. lebte, waren der Ansicht, dass es kleinste unteilbare Teilchen gäbe, die er ganz einfach Unteilbare (in seiner Sprache ατομοσ, also atomos) nannte. Andere, zum Beispiel Anaxagoras (499 v. Chr. bis 428 v. Chr.), nahmen an, dass das Teilen unendlich oft möglich sei.

Manchmal liest man, Demokrit wäre der erste Naturwissenschaftler gewesen, oder er hätte die Atome entdeckt. Nein, das hat er nicht. Wirklich nicht. Aber er und seine Mitphilosophen haben sich die Freiheit des Denkens genommen. Sie haben sich von niemandem daran hindern lassen, alle Möglichkeiten durchzudenken, um so die Welt zu verstehen. Das ist ihre wirkliche Leistung, denn das hatte noch niemand zuvor getan.

Zum Seitenanfang

 

3.5.4. Das Atommodell von Dalton – die Atomhypothese

Atommodell von Dalton

Bild 2 : Ein Atom, klein und unteilbar. Sein innerer Aufbau ist nicht Thema dieses Modells.

Kurzbeschreibung : John Dalton, ein englischer Schullehrer und Naturforscher, beschrieb den Aufbau der Materie so : Die Materie ist aus kleinsten, unteilbaren Teilchen aufgebaut. Das ist die Atomhypothese. Sie ist ein Bild eines großen Ausschnitts der Wirklichkeit, nämlich aller Materie.

Er zeichnete dieses Bild noch detaillierter und nannte Eigenschaften der kleinsten Teilchen, denen er zu Ehren Demokrits den Namen Atome gab.

Das ist das Atommodell von Dalton. Wir sollten uns nochmal klar machen, dass es nicht falsch ist, obwohl wir heute mehr über das Atom wissen, sondern dass es eine Beschreibung der Wirklichkeit ist, die wir, je nachdem, welcher Aspekt der Wirklichkeit uns gerade wichtig ist, für ausreichend und angemessen oder für zu einfach ansehen können. Das Atommodell von Dalton legt seinen Schwerpunkt auf die grundlegenden Eigenschaften der Atome. Ihren inneren Aufbau blendet es aus. Deshalb zeigt Bild 2 auch nur ein Atom, nichts weiter.

Was kann man mit dem Dalton–Modell erklären ? Hier sind einige Beispiele.

Der Vorteil des Modells ist seine Einfachheit und leichte Verständlichkeit, sein Nachteil der sehr begrenzte Einsatzbereich – auf gut deutsch, man kann nicht allzuviel damit erklären.

Was kann man mit dem Dalton–Modell nicht erklären ? Vieles. Zum Beispiel

Der Wunsch nach verfeinerten Modellen, die ein genaueres Bild der Wirklichkeit zeigen, ist somit da.

Zum Seitenanfang

 

3.5.5. Das Atommodell von Rutherford

Atommodell von Rutherford

Bild 3 : Ein Atom mit Kern und Hülle.

Kurzbeschreibung : Das Bild vom Aufbau der Materie wird detaillierter. Es sieht so aus : Die Materie besteht aus Atomen. Jedes Atom hat einen kleinen, massereichen Kern und eine relativ große, fast masselose Hülle. Atomkerne bestehen aus Protonen und Neutronen, die Hülle aus Elektronen, die um den Kern kreisen so wie die Planeten um die Sonne. Bild 3 zeigt ein solches Atom.

Jedes Atom (und damit sind elektrisch ungeladene Atome, keine Ionen gemeint) hat gleichviele Protonen wie Elektronen. Die Zahl der Neutronen kann (bei Atomen mit gleicher Protonenzahl) unterschiedlich sein.

Was kann man mit dem Rutherford–Modell erklären ? Hier sind einige Beispiele.

Was kann man mit dem Rutherford–Modell nicht erklären ? Einiges, was die Physiker interessiert, und vieles, was Chemikerinnen interessiert. Ich kann hier fast alle Punkte vom Dalton–Modell abschreiben.

Der Wunsch nach einem Modell, dass das chemische Verhalten der Stoffe erklärt, ist da.

Zum Seitenanfang

 

3.5.6. Das Atommodell von Bohr

Atommodell von Bohr

Bild 4 : Ein Magnesiumatom. Seine 12 Elektronen sind auf 3 Schalen verteilt.

Kurzbeschreibung : Das Bild vom Aufbau der Materie wird nochmals verfeinert. Zum bisher beschriebenen kommen Aussagen zur Struktur der Elektronenhülle hinzu. Sie ist aus Schalen aufgebaut, auf denen sich die Elektronen bewegen. Regeln beschreiben die Besetzung der Schalen durch die einzelnen Elektronen. Bild 4 zeigt den Aufbau eines Atoms nach dem Bohrschen Modell, wie es oft in Schulbüchern zu sehen ist.

Nicht zum Bohrschen Atommodell gehörig, aber oft mit ihm zusammen genannt, ist die Oktettregel. Sie besagt, dass Atome oder Ionen, die 8 Valenzelektronen besitzen, besonders stabil sind.

Was kann man mit dem Bohr–Modell und der daran anschließenden Oktettregel erklären ? Hier sind einige Beispiele.

Was kann man mit dem Bohr–Modell nicht erklären ? Immer noch sehr vieles, zum Beispiel

Das Bohrsche Atommodell ist das letzte der anschaulichen Modelle. Das ist sein großer Vorteil und wohl der Grund, warum es in der Schule so gern benutzt wird. Sein Nachteil ist sein immer noch sehr beschränkter Einsatzbereich. Gerade dort, wo Chemie interessant wird, zeigen sich allzu schnell seine Grenzen.

Zum Seitenanfang

 

3.5.7. Was erwartet man in der Chemie von einem Atommodell ?

Es wird Zeit, ein Modell aufzustellen, dass den Aufbau und besonders das Verhalten der Materie so beschreibt, dass man Eigenschaften und Reaktionen der Stoffe daraus ableiten und damit erklären kann. Beides ist wichtig. Gedanklich zuerst kommt die Erklärung bekannter Beobachtungen. Das ist gewissermaßen ein Test für das Modell. Nur wenn es das Bekannte erklären kann, steht es in Übereinstimmung mit der Wirklichkeit, und es lohnt sich, damit weiter zu arbeiten. Daran anschließend kommt die Ableitung oder Vorhersage zu erwartender Beobachtungen. Welche Eigenschaften wird der Stoff haben, den man herstellen will ? Wird die Reaktion so ablaufen, wie man es sich wünscht ? Warum ist sie doch anders abgelaufen, und was sollte man beim nächsten Versuch ändern ?

Zum Seitenanfang

 

3.5.8. Das Orbitalmodell

ein p-Orbital ein d-Orbital

Bild 5 : Ein p–Orbital (oben) und ein dz2–Orbital (unten). Beide sind leicht idealisiert.

Kurzbeschreibung : Der Aufbau der Elektronenhülle des Atoms wird durch die Lösungen der Schrödinger–Gleichung beschrieben. Punkt. Nicht mehr und nicht weniger.
Leider treten beim Versuch, damit zu arbeiten, 2 Probleme auf.

Um zu prüfen, ob das Modell die Wirklichkeit gut genug beschreibt, braucht man Beobachtungen, die es, hoffentlich gut, erklärt. Eine beobachtbare Größe ist die Aufenthaltswahrscheinlichkeit von Elektronen. Sie steht mit den Wellenfunktionen in einem engen Zusammenhang, sie ist nämlich proportional zu deren Quadrat. Damit ergibt sich eine gute Möglichkeit der Veranschaulichung. Die Wellenfunktionen, die als mathematisches Konstrukt grundsätzlich nicht beobachtbar sind, werden durch die Aufenthaltswahrscheinlichkeiten der Elektronen dargestellt. So ergeben sich Bilder wie Bild 5.

Es bleibt das Problem, dass man die Wellenfunktionen nicht exakt berechnen kann. Aber wenigstens näherungsweise kann man es. Eine Vielzahl von Näherungsverfahren hat sich im Lauf der Zeit entwickelt.

Was kann man mit dem Orbitalmodell erklären ? Alles. Mit genug Zeit, Rechenkapazität und einem tiefgehenden Verständnis des Modells kann man heute fast jede Beobachtung, bei der es um Eigenschaften oder Reaktionen von Stoffen geht, erklären.

Einige Missverständnisse im Zusammenhang mit dem Orbitalmodell

Zusatzinformationen zum Orbitalmodell

 

Was folgt ?

Naja, Atome. Dafür interessieren sich Physiker. Chemikerinnen und Chemiker untersuchen Moleküle und Reaktionen. Sie wollen wissen, wie die Atome zusammengehalten werden, wie also Bindungen funktionieren, und sie wollen wissen, wie bei Reaktionen die Bindungen aufgebrochen werden und neue Bindungen entstehen. Mehr darüber auf der nächsten Seite.

 

 

Impressum        Datenschutzerklärung