Niels Bohr war ein dänischer Physiker und wird als einer der Väter der Quantenmechanik angesehen. Seinen größten Erfolg erzielte er mit der Entwicklung eines Atommodells für das Wasserstoffatom. Obwohl schon andere Atommodelle existierten, hat sich das Bohr’sche Atommodell damals durchgesetzt. Was das Besondere an dem Modell ist und wie es aufgebaut ist, erfährst du hier.
Entstehung und Hintergründe
Zur Zeit von Niels Bohr existierten zahlreiche Modelle, mit denen versucht wurde, die Linienspektren von Atomen zu erklären. Linienspektren sind charakteristische Muster, die Elemente generieren, wenn deren Partikel in eine Flamme gehalten werden. Licht ganz bestimmter Wellenlängen wird ausgestrahlt. Da es Physiker*innen nicht reicht, nur die Farben zu betrachten, sondern sie auch immer die Frequenzen berechnen wollen, beschäftigten sie sich mit der Entwicklung von Atommodellen, die die Aussendung der Energien erklären sollten.
[quads id=1]Das erste Atommodell, das entworfen wurde, stammte von J. J. Thomson. In seiner Vorstellung waren die negativ geladenen Elektronen des Atoms in einer Art positiv geladener Flüssigkeit eingebettet. Aufgemalt sieht das Atommodell aus wie ein Cookie (der berühmte Keks), aber es ist auch als Rosinenpudding-Modell bekannt.
E. Rutherford widerlegte dieses Modell, indem er zeigte, dass der größte Teil eines Atoms aus leerem Raum besteht. Teilchen, die in ein Atom geschossen wurden, kamen ungehindert hindurch. Nur einige wenige erfuhren eine Ablenkung. So entstand die Vorstellung vom Atomaufbau ähnlich eines Solarsystems. Wie Planeten, die sich um die Sonne bewegen, sollten sich die Elektronen um einen positiven Atomkern bewegen (Rutherford‘sches Planetenmodell).
Viele widersprachen dem Modell, weil geladene Partikel, die eine Rotationsbewegung ausführen, Energie verlieren müssten. In der Folge müsste die Kreisbewegung des Elektrons immer enger werden und das negativ geladene Elektron müsste schließlich in den positiven Kern stürzen (und die Physiker*innen haben auch genau berechnet wann – nämlich innerhalb von 16 Pico-Sekunden).
Niels Bohr, der damals im Labor von Rutherford arbeitete, entwickelte den Gedanken des Rutherford‘schen Planetenmodells weiter. Er bezog die Arbeiten von Max Planck, Ernest Rutherford und Albert Einstein mit ein und stellte 1913 sein Atommodell für das Wasserstoffatom vor. Das Modell konnte zur Vorhersage und Berechnung der Spektrallinien verwendet werden. Zudem wurde es 1914 durch das Experiment von J. Franck und G. Hertz bestätigt.
Das Bohr’sche Atommodell: Aufbau des Wasserstoffatoms nach Niels Bohr
Wasserstoff steht im Periodensystem der Elemente an der ersten Stelle. Es ist das am einfachsten aufgebaute Element. Ein Wasserstoffatom besteht aus einem Proton und einem Elektron. In dem Atommodell von Niels Bohr bewegt sich das Elektron auf einer Kreisbahn um den positiv geladenen Kern. Damit das Elektron bei der Rotation um den Kern keine Energie verliert, schlug Niels Bohr vor, dass es sich nur auf ganz bestimmten Bahnen aufhalten kann, die einen definierten Abstand zum Kern haben – den sogenannten Energieniveaus. Bohr fasste dies in seinem ersten Postulat folgendermaßen zusammen:
Erstes Bohr‘sches Postulat: In einem Atom bewegt sich ein Elektron nach den Gesetzen der klassischen Mechanik auf diskreten Kreisbahnen mit den Energien En.
[quads id=2]Auf diesen Bahnen, die Bohr als stationäre Zustände bezeichnete, findet keine Energieabstrahlung statt. Ein Energieverlust findet erst dann statt, wenn das Elektron von einem Zustand höherer in einen Zustand niedrigerer Energie übergeht. Daraus ergab sich Bohrs zweites Postulat:
Zweites Bohr‘sches Postulat: Die Bewegung des Elektrons erfolgt strahlungslos. Beim Übergang des Elektrons von einem stationären Zustand mit der Energie E1 in einen stationären Zustand niedrigerer Energie E2 wird ein Photon emittiert mit der Frequenz:
v=(E1-E2)/h.
h ist dabei das Planck’sche Wirkungsquantum – eine Konstante mit dem Wert 6,626 x 10-34 Js.
Es gibt genau drei Energieniveaus, die das Elektron des Wasserstoffatoms einnehmen kann. Die Niveaus bezeichnete Bohr mit Quantennummern (n=1, n=2, n=3). Höhere Elemente besitzen weitere Energieniveaus.
Das Spektrum von Wasserstoff konnte so erklärt werden. Wird das Element erhitzt, wird den Elektronen Energie zugeführt. Sie springen in ein höheres Energieniveau (zum Beispiel von n=1 nach n=2). Beim Abkühlen fallen sie zurück und emittieren Energie – Licht (Photonen) charakteristischer Wellenlängen, die als Spektrallinien beobachtet werden können.
Schwachstellen des Modells
Obwohl Bohr noch ein drittes Postulat aufstellte, in dem er die Eigenrotation der Elektronen miteinbezog, konnte das Atommodell nur das Wasserstoffatom ausreichend gut erklären. Für die Atome höherer Elemente mit mehreren Elektronen genügte das Modell nicht mehr, da hier weitere Kräfte (zum Beispiel die Abstoßung der Elektronen untereinander) wirken. Aufgrund dieser Abstoßung kann der Ort eines Elektrons im Atom nicht mit Sicherheit angegeben werden.
Das Wasserstoffatom ist am stabilsten, wenn sich das Atom nahe dem Kern auf einem niedrigen Energieniveau (n = 1) bewegt. In höheren Elementen müssen Elektronen aufgrund der Wechselwirkungen auf weiter außen liegende Niveaus ausweichen. Um die ständige Bewegung der Elektronen und deren Abstoßung untereinander miteinzubeziehen, werden in den heutigen Atommodellen Energiewolken oder Wahrscheinlichkeitswolken definiert, in denen die Elektronen sich mit einer bestimmten Wahrscheinlichkeit aufhalten.
[quads id=3]Niels Bohr
Für die Entwicklung seines Atommodells und für seinen Beitrag zur Quantenphysik erhielt Bohr 1922 den Nobelpreis für Physik. Niels Bohr wurde am 7. Oktober 1885 als zweiter Sohn des dänischen Physiologen Christian Bohr geboren. Bohr arbeitete in Dänemark, England und in den USA, bis er am 18. November 1962 in Kopenhagen verstarb. Er war verheiratet und hatte sechs Kinder.