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Dalton: 1808; Atome sind kleine, feste, unverwüstliche Kugeln (Kugelmodell). Von den Atomen eines Elements nahm er an, dass sie alle die gleichen Eigenschaften haben, die sie von den Atomen anderer Elemente unterscheiden. Er betrachtete chemische Reaktionen als Umgruppierungen von Atomen. Mit dieser Idee konnte er die Gesetze der Quantität (Erhaltung der Masse, konstantes Massenverhältnis) erklären.
Erst Ende des 19. Jahrhunderts kam der entscheidende Durchbruch.
Thomson: Die Untersuchung von elektrischen Entladungen in Gasen führte zur Entdeckung eines negativ geladenen Teilchens, das viel leichter ist als ein Atom : Thomson nannte es ein Elektron und konnte zeigen, dass es ein Bestandteil von Atomen ist. Die Vorstellung, dass die Atome unzerstörbar sind, musste aufgegeben werden. Das von Thomson 1898 entwickelte Atommodell basierte auf der Annahme, dass die negativ geladenen Elektronen starr in das positiv geladene Atom eingebettet sind.
Die Untersuchung radioaktiver Strahlung (Strahlung ist in der Physik die Emission oder Übertragung von Energie in Form von Wellen oder Teilchen durch den Raum oder durch ein materielles Medium) brachte weitere Informationen:
Im Jahre 1896 entdeckte er, dass Uran (Uran ist ein chemisches Element mit dem Symbol U und der Ordnungszahl 92) unsichtbare Strahlung au
ssendet, die eine in opakem Papier eingewickelte Fotoplatte schwärzen kann.
Marie und Pierre Curie (Pierre Curie war ein franzö
sischer Physiker, ein Pionier in Kristallographie, Magnetismus , Piezoelektrizität und Radioaktivität ): Im Jahre 1898 entdeckten sie zwei neue, noch stärkere Strahlungselemente, das Polonium (Polonium ist ein chemisches Element mit dem Symbol Po und der Ordnungszahl 84) und Radium (Radium ist ein chemisches Element mit dem Symbol Ra und der Ordnungszahl 88), im Uranerz.
Rutherford: Im Jahre 1903 fand er die Ursache dieser bisher geheimnisvollen Strahlung: die Atome dieser Elemente zerfallen.
Die Rate des radioaktiven Zerfalls der einzelnen radioaktiven Elemente ist unterschiedlich und kann nicht beeinflusst werden. Die Stabilität eines radioaktiven Stoffes wird durch seine Halbwertszeit (Halbwertszeit ist die Zeit, die benötigt wird, um eine Menge auf die Hälfte ihres Ausgangswertes zu reduzieren) angegeben, die Zeit, nach der sie um die Hälfte zerfallen ist.
Die radioaktiven Strahlen selbst sind unsichtbar, aber sie können eine Fotoplatte schwärzen und, wenn sie darauf treffen, einige Substanzen zum Leuchten bringen.
Man unterscheidet drei Arten von Strahlung: a-Strahlen sind doppelt positiv geladene Teilchen (Helium (Helium ist ein chemisches Element mit Symbol He und Ordnungszahl 2) Kerne) mit einer Masse von 4 und haben nur einen Bereich von wenigen Zentimetern in der Luft und sind bereits durch ein Blatt Papier abgeschirmt.
b-Strahlen sind Elektronen mit hoher Geschwindigkeit (bis zu 90% der Lichtgeschwindigkeit (Die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum, allgemein bezeichnet, ist eine universelle physikalische Konstante, die in vielen Bereichen der Physik wichtig ist)), die aus dem Zerfall eines Neutrons in ein Proton und ein Elektron resultieren. Sie können einige Millimeter dicke Metallschichten durchdringen.
g-Strahlen (Gammastrahlen, bezeichnet mit dem griechischen Kleinbuchstaben gamma, durchdringen elektromagnetische Strahlung einer Art, die durch den radioaktiven Zerfall von Atomkernen entsteht) sind hochenergetische Strahlen, ähnlich wie Röntgenstrahlen, die mehrere Zentimeter dicke Bleiplatten durchdringen können.
Die Untersuchung des Verhaltens von a-Strahlen beim Eindringen dünner Metallfolien führte Rutherford 1911 zu grundlegend neuen Erkenntnissen über die Struktur von Atomen.
Da es sich um Teilstrahlen handelt, müsste jedes A-Teilchen an den bisher als undurchdringlich geltenden Atomen stark kompensiert werden; nur sehr wenige wären in der Lage, die Folie zu durchdringen. Das Gegenteil ist jedoch der Fall: Fast alle A-Partikel durchdrangen die Goldfolie, nur sehr wenige waren mehr abgelenkt.
Rutherfords Atommodell (In der Chemie und Physik ist die Atomtheorie eine wissenschaftliche Theorie der Natur der Materie, die besagt, dass die Materie aus diskreten Einheiten besteht, die Atome genannt werden) daher angenommen, dass die Atome aus einem Atomkern und einer Atomhülle bestehen.
Der Atomkern enthält positiv geladene Teilchen, die Protonen (Ein Proton ist ein subatomares Teilchen, Symbol oder, mit einer positiven elektrischen Ladung von +1e Elementarladung und einer Masse, die etwas geringer ist als die eines Neutrons) und praktisch gleich schwere, ungeladene Teilchen, die Neutronen (Das Neutron ist ein subatomares Teilchen, Symbol oder, ohne elektrische Nettoladung und eine Masse, die etwas größer ist als die eines Protons). Aus dem Anteil der abgelenkten A-Teilchen (Alpha-Teilchen bestehen aus zwei Protonen und zwei Neutronen, die zu einem Heliumkern zusammengebunden sind) konnte Rutherford auch die Größe des Atomkerns auf etwa 1014 m abschätzen, während das gesamte Atom einen Durchmesser von etwa 10-10 m hat. Die Atomhülle wird durch die viel leichteren Elektronen gebildet, die den Atomkern mit hoher Geschwindigkeit umkreisen. Ihre elektrische Ladung (elektrische Ladung ist die physikalische Eigenschaft der Materie, die sie in einem elektromagnetischen Feld eine Kraft erfahren lässt) ist gleich der von Protonen, hat aber das umgekehrte Vorzeichen. In einem elektrisch neutralen Atom entspricht also die Anzahl der Protonen der Anzahl der Elektronen.
Ruherford ging auch davon aus, dass nur die Elektronenhülle (in der Chemie und Atomphysik kann man sich eine Elektronenhülle oder eine Hauptenergieebene vorstellen, gefolgt von Elektronen um den Atomkern) des Atoms an chemischen Reaktionen beteiligt ist, während der Atomkern unverändert bleibt.
Nur Bohr konnte etwas über die Verteilung der Elektronen in der Atomhülle sagen (In der Quantenmechanik ist ein Atomorbital eine mathematische Funktion, die das wellenartige Verhalten entweder eines Elektrons oder eines Paares von Elektronen in einem Atom beschreibt). Seine Gedanken basierten auf dem Licht, das glühende Gase ausstrahlt. Wird Licht durch ein Prisma geschickt, entsteht ein Spektrum, in dem alle Farben vorhanden sind, ein kontinuierliches Spektrum. Weißes Licht ist eine Mischung aus Lichtwellen verschiedener Wellenlängen.
Gase oder Metalldämpfe geben jedoch nur dann Lichtstrahlen einer bestimmten Farbe (Wellenlänge) ab, wenn ihnen durch eine Flamme oder elektrische Entladung ausreichend Energie zugeführt wird. Wenn dieses Licht dann auf ein Prisma gerichtet wird, sind nur einzelne farbige Linien sichtbar.
Umgekehrt absorbieren Gase oder Metalldämpfe, wenn sie mit weißem Licht bestrahlt werden, genau die Wellenlängen, die sie auch emittieren können (Absorptionsspektrum (Absorptionsspektroskopie bezeichnet spektroskopische Techniken, die die Absorption von Strahlung als Funktion der Frequenz oder Wellenlänge aufgrund ihrer Wechselwirkung mit einer Probe messen)).
Unter den Elektronen eines Atoms gibt es niederenergetische und hochenergetische Elektronen aber auch Elektronen, die ungefähr die gleiche Energie haben.
Es besteht ein Zusammenhang zwischen der Energie der Elektronen und ihrem Abstand zum Atomkern: Je größer der Abstand eines Elektrons vom Atomkern, desto größer seine Energie. Oder: je größer die Energie eines Elektrons, desto weiter ist es vom Atomkern entfernt (Der Atomkern ist die kleine, dichte Region, die aus Protonen und Neutronen im Zentrum eines Atoms besteht und 1911 von Ernest Rutherford nach dem Geiger-Marsden-Goldfolien-Experiment von 1909 entdeckt wurde).
Durch die Zufuhr von Energie (Flamme, Bogen) wird ein äußeres Elektron (das Elektron ist ein subatomares Teilchen, Symbol oder, mit einer negativen elementaren elektrischen Ladung) gegen die Anziehung des Kerns auf ein höheres Energieniveau angehoben. Bereits nach 10,9 Sekunden fällt er auf ein niedrigeres Energieniveau zurück. Die dabei freigesetzte Energie wird in Form von Licht einer bestimmten Wellenlänge emittiert (In der Physik ist die Wellenlänge einer Sinuswelle die räumliche Periode der Welle – der Abstand, über den sich die Wellenform wiederholt). Da nur bestimmte Energieniveaus der Elektronen erlaubt sind, kann das Atom (Ein Atom ist die kleinste Einheit der gewöhnlichen Materie, die die Eigenschaften eines chemischen Elements hat) nur sehr bestimmte Teile der Energie absorbieren oder freisetzen (Energiequanten (in der Physik ist ein Quant die Mindestmenge jeder physikalischen Einheit, die an einer Wechselwirkung beteiligt ist)).
Bohr stellte sich diese Energieniveaus als konzentrische Kreise (Elektronenschalen) vor, auf denen die Elektronen den Kern umkreisen.
Er fand auch heraus, dass es maximal 2 n2 (n = Schalenzahl) Elektronen in einem Pfad geben kann (auf einer Energieebene (ein quantenmechanisches System oder Teilchen, das gebunden ist – das heißt, räumlich begrenzt – kann nur bestimmte diskrete Energiewerte annehmen)), aber nur maximal acht Elektronen im äußersten Pfad. Diese äußeren Elektronen bestimmen die chemischen Eigenschaften. Die Schalen selbst wurden mit Großbuchstaben beschriftet, beginnend mit K. (…l,m,n,o,p,q)