Sie können im Internet nach einem Bild eines Atoms suchen und eines finden, obwohl noch niemand zuvor ein Atom gesehen hat. Wir haben jedoch eine Einschätzung, wie ein einzelnes Atom aufgrund der Arbeit einer Reihe verschiedener Wissenschaftler wie dem dänischen Physiker Niels Bohr aussieht.
Atome sind die Bausteine der Materie - ein einzelnes Atom eines einzelnen Elements ist die grundlegendste Einheit in der Natur, die sich immer noch an die Regeln der Physik hält, die wir im täglichen Leben beobachten können (die subatomaren Teilchen, aus denen Atome bestehen, haben ihre eigenen Sonderregeln). . Wissenschaftler vermuteten, dass Atome lange Zeit existierten, bevor sie ihre Struktur konzipieren konnten - selbst die alten Griechen vermuteten, dass die Materie des Universums aus Komponenten bestand, die so klein waren, dass sie nicht in kleinere Teile zerlegt werden konnten, und nannten diese Grundeinheiten Atomos , was "ungeteilt" bedeutet. Bis zum Ende des 19. Jahrhunderts war klar, dass chemische Substanzen in Atome zerlegt werden konnten, die sehr klein waren und Atome verschiedener Elemente ein vorhersehbares Gewicht hatten.
Doch dann entdeckte der britische Physiker JJ Thomson 1897 Elektronen - negativ geladene Teilchen in den Atomen, von denen jeder fast ein Jahrhundert lang geglaubt hatte, sie seien völlig unteilbar - als die kleinsten Dinge, die es gab. Thomson stellte nur die Hypothese auf, dass Elektronen existieren, konnte aber nicht genau herausfinden, wie Elektronen in ein Atom passen. Seine beste Vermutung war das " Pflaumenpudding-Modell ", das das Atom als positiv geladenen Kuchen darstellte, der mit negativ geladenen Bereichen übersät war, die wie Früchte in einem alten Dessert verstreut waren.
"Es wurde festgestellt, dass Elektronen negativ elektrisch sind und alle die gleiche Masse und im Vergleich zu Atomen sehr klein sind", sagt Dudley Herschbach, ein Harvard-Chemiker, der 1986 den Nobelpreis für Chemie für seine "Beiträge zur Dynamik chemischer Elementarprozesse" erhielt , "in einer E-Mail. "Ernest Rutherford entdeckte den Kern 1911. Die Kerne waren positiv elektrisch, mit verschiedenen Massen, aber viel größer als Elektronen, aber sehr klein."
Ein riesiger Sprung nach vorne
Niels Bohr war Rutherfords Schüler, der 1912 spielerisch das Projekt seines Mentors übernahm, die Struktur des Atoms zu entschlüsseln. Er brauchte nur ein Jahr, um ein funktionierendes Modell eines Wasserstoffatoms zu entwickeln.
"Bohrs Modell von 1913 für das Wasserstoffatom hatte kreisförmige Elektronenbahnen um die protonenähnlichen Erdbahnen um die Sonne", sagt Herschbach. "Bohr hatte ein einfaches und regelmäßiges Muster für das Spektrum des Wasserstoffatoms verwendet, das Johann Balmer 1885 gefunden hatte. Er nutzte auch die Idee der Quantenidee, die Max Planck 1900 gefunden hatte."
1913 war das Bohrsche Modell ein großer Fortschritt, da es Merkmale der neugeborenen Quantenmechanik in die Beschreibung von Atomen und Molekülen einbezog. In diesem Jahr veröffentlichte er drei Artikel über die Konstitution von Atomen und Molekülen: Der erste und bekannteste war dem Wasserstoffatom gewidmet, und die anderen beiden beschrieben einige Elemente mit mehr Elektronen, wobei er sein Modell als Rahmen verwendete. Das Modell, das er für das Wasserstoffatom vorschlug, hatte Elektronen, die sich um den Kern bewegten, jedoch nur auf speziellen Spuren mit unterschiedlichen Energieniveaus. Bohr vermutete, dass Licht emittiert wurde, wenn ein Elektron von einer Spur mit höherer Energie zu einer Spur mit niedrigerer Energie sprang - das war es, was Wasserstoff in einer Glasröhre zum Leuchten brachte. Er hat Wasserstoff richtig verstanden, aber sein Modell war ein wenig fehlerhaft.
"Das Modell konnte den richtigen Wert der Grundzustandsenergien von Elektronen mit vielen Elektronen und der Bindungsenergien der Moleküle nicht vorhersagen - selbst für die einfachsten 2-Elektronen-Systeme wie das Heliumatom oder ein Wasserstoffmolekül", sagt Anatoly Svidzinsky , Professor am Institut für Quantenwissenschaft und -technik von Texas A & M, in einem E-Mail-Interview. "Bereits 1913 war klar, dass Bohrs Modell nicht ganz korrekt ist. Selbst für das Wasserstoffatom sagt das Bohr'sche Modell fälschlicherweise voraus, dass der Grundzustand des Atoms einen Drehimpuls ungleich Null besitzt."
Der Nobelpreis von 1922
Was für Sie natürlich nicht viel Sinn macht, wenn Sie kein Quantenphysiker sind. Bohrs Modell wurde jedoch beschleunigt, um 1922 einen Nobelpreis für Physik zu erhalten. Doch als Bohr seinen Ruf in der Welt der Physik festigte, verbesserten Wissenschaftler sein Modell:
"Bohrs Modell für das Wasserstoffatom wurde 1916 von Arnold Sommerfeld verbessert", sagt Herschbach. "Er fand elliptische Bahnen, die für Spektrenlinien in der Nähe von Kreisbahnen verantwortlich waren. Das Bohr-Sommerfeld-Modell für das Wasserstoffatom ist grundlegend, aber Quanten- und Relativitätstheorie wurden zu Hauptaspekten."
Zwischen 1925 und 1928 entwickelten Werner Heisenberg, Max Born, Wolfgang Pauli, Erwin Schrödinger und Paul Dirac diese Aspekte weit über Bohrs Atommodell hinaus, aber sein Modell ist bei weitem das bekannteste. Die Quantenphysik der Atommodelle hat uns weniger wie eine von Elektronenplaneten umgebene Sonne aussehen lassen, sondern eher wie moderne Kunst. Es ist wahrscheinlich, dass wir immer noch das Bohr-Modell verwenden, da es eine gute Einführung in das Konzept eines Atoms ist.
"Im Jahr 1913 hat Bohrs Modell gezeigt, dass Quantisierung ein richtiger Weg ist, um die Mikrowelt zu beschreiben", sagt Svidzinsky. "So zeigte Bohrs Modell den Wissenschaftlern eine Richtung für die Suche und stimulierte die Weiterentwicklung der Quantenmechanik. Wenn Sie den Weg kennen, werden Sie früher oder später die richtige Lösung für das Problem finden. Man kann sich das Bohr'sche Modell als eines der folgenden vorstellen." Wegweiser entlang eines Wanderweges in die Quantenwelt. "
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Niels Bohrs Vater, Christian Bohr , wurde für drei verschiedene Nobelpreise in der Physiologie der Medizin nominiert, obwohl er nie gewann.
