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Atomschalen im Bohrschen Atommodell leicht erklärt

  • by Anatoli Bauer
Atomschalen im Bohrschen Atommodell leicht erklärt

Um das Verhalten von Atomen zu verstehen, müssen wir das Bohr-Atom verstehen. Aber wer war Niels Bohr, nach dem das Bohr-Atom benannt ist? Und warum hat sich der Physiker für sein seltsames und kontraintuitives Modell entschieden?

Niels Bohr

Der dänische Physiker Niels Bohr (1885-1962) war einer der einflussreichsten Wissenschaftler, die je gelebt haben. Mit Mitte 20 hatte Bohr bereits einen Doktortitel und eine Goldmedaille der dänischen Akademie für seine Studien erhalten – eine sehr bedeutende frühe Karriere.

Im Jahr 1912 trat er in die Gruppe von Ernest Rutherford in Manchester ein, wo er begann, an der Atomtheorie zu arbeiten.

Das Bohrsche Atommodell

Als Bohr 1913 in England arbeitete, entwickelte er dieses Atommodell. Er entwickelte das Modell, nachdem er untersucht hatte, wie glühender, heißer Wasserstoff Licht abgibt.

Wenn eine Glühbirne leuchtet, gibt sie alle verschiedenen Wellenlängen des Lichts ab. Wenn sich der Glühfaden erwärmt, werden aufgrund des heißen Glühfadens alle verschiedenen Wellenlängen aus der Glühbirne ausgestrahlt. Wenn jedoch Wasserstoffgas auf eine hohe Temperatur erhitzt wird, so dass es glüht, ist etwas ganz anderes zu sehen, nämlich eine diskrete Wellenlänge – eine Linie im Rot mit nur einer Wellenlänge. Es kann auch eine Linie im Blauen, im Gelben und vielleicht einige andere Linien geben, jede mit einer ganz bestimmten Wellenlänge.

Bohr entwickelte das Modell des Bohr-Atoms im Jahr 1913, als er in England arbeitete.
Bohr schlug vor, dass dies bedeutet, dass die Elektronen in einem Atom ganz bestimmte Energieniveaus einnehmen müssen, anstatt sich auf jedem möglichen Niveau zu befinden. Diese Linien im leuchtenden Wasserstoff stellen Zeiten dar, in denen die Elektronen von einem höheren Energieniveau auf ein niedrigeres springen und infolgedessen ein Photon des sichtbaren Lichts bei diesen ganz bestimmten Wellenlängen aussenden. Nach dem ersten Gesetz der Energieerhaltung muss Energie erhalten bleiben. Die Energie, die beim Springen verloren geht, wird also als Photon emittiert.

Erlaubte Bahnen des Bohr-Atoms

Die Elektronen im Bohr-Atom können sich in mehreren verschiedenen, diskreten stationären Zuständen aufhalten, die etwas unpassend als erlaubte Bahnen bezeichnet werden. Es gibt einen Kern, dann einen Orbit in einem genau definierten Abstand, einen weiteren Orbit und einen weiteren Orbit in einer Art von Treppenstufen.

Ein Elektron kann lange Zeit auf einer Umlaufbahn bleiben, ohne zu beschleunigen. Es kann in einem stationären Zustand ruhen und muss daher kein Licht oder Energie abgeben, wodurch das Atom stabil wird.

Grundzustand und angeregte Zustände

Das niedrigste Energieniveau des Elektrons, über das es nicht hinausgehen kann, wird als Grundzustand bezeichnet. Alle höheren Energiezustände werden als angeregte Zustände bezeichnet. Wenn die Elektronen von einem Zustand zum anderen hüpfen, werden bestimmte Wellenlängen von dem Atom entweder absorbiert oder emittiert.

Analogie zum Alltag

Das Bohr-Atom liegt völlig außerhalb jeglicher natürlicher Erfahrungen, die Menschen in ihrem täglichen Leben machen. Im Leben der Menschen kommt Energie als Kontinuum vor, aber auf der Ebene des Atoms gibt es keinen kontinuierlichen Bereich, sondern diskrete Stufen.

Eine Analogie, die das Bohr-Atom ein wenig aussagekräftiger machen könnte, ist der Vergleich mit Treppenstufen. Wenn ein Objekt stabil auf einer Stufe oder einer anderen Stufe platziert wird, haben die verschiedenen Bahnen eines Bohr-Atoms eine unterschiedliche Energie, ebenso wie das Objekt auf den verschiedenen Stufen. Je höher die Stufe, desto mehr potenzielle Gravitationsenergie hat das Objekt.

Aber im Gegensatz zu Treppenstufen bewegen sich Elektronen nicht von einer Umlaufbahn zur anderen, sondern das Elektron verschwindet buchstäblich von einer Umlaufbahn und taucht auf der nächsten wieder auf. Das ist also ziemlich kontraintuitiv.

Ist das Bohr-Atom ein Miniatur-Sonnensystem?

Das Bohr-Atom ist nicht wie ein Miniatur-Sonnensystem. In einem Sonnensystem kann sich ein Planet in beliebiger Entfernung von der Sonne befinden und er würde eine stabile Umlaufbahn erreichen. Aber in einem Bohr-Atom gibt es nur ganz bestimmte Abstände zum Kern, die das Elektron einnehmen kann.

Außerdem beschleunigen die Planeten auf ihren elliptischen Bahnen ständig. Sie beschleunigen, weil die Schwerkraft sie ständig in Richtung Sonne zieht. Aber im Bohr-Atom beschleunigen die Elektronen nicht und befinden sich in stabilen Bahnen.

Nichtsdestotrotz wurde das Bohr-Atom von den Physikern angenommen, weil es das Verhalten von Atomen äußerst erfolgreich modellierte, insbesondere Dinge wie die Art und Weise, wie ein Atom mit Licht interagiert. Die Seltsamkeit des Atoms spiegelt die Seltsamkeit der Welt auf dieser subatomaren Ebene wider und Bohr konnte sie erfolgreich erklären. Für all diese Arbeiten über das Atom erhielt Niels Bohr 1922 den Nobelpreis für Physik, nur eine weitere seiner vielen Auszeichnungen.

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