Das BOHRsche Atommodell
Kernphysik, Niels Bohr, Bohrsches Atommodell, Atom, Modell, Schalen, Schalenmodell, Energieniveau, Quantenzahl
Das BOHRsche Atommodell wurde 1913 von Niels BOHR vorgestellt. Das BOHRsche Atommodell ist eine Weiterentwicklung des RUTHERFORDschen Atommodells.
Das BOHRsche Atommodell ist Basis der meisten Logos, die Atome darstellen sollen (s. Kopfzeile).
Bohr formulierte die folgenden Postulate.
Die Formulierungen der Postulate sind an die Kenntnisse der Mittelstufe angelegt und didaktisch reduziert. Für die Oberstufe folgen weitere Betrachtungen.
Postulate des BOHRschen Atommodells
1. Postulat
Die Elektronen können sich nur auf festen Bahnen um den Atomkern bewegen.
Diese Bahnen werden Schalen genannt. Die Bahnen werden von innen nach außen mit den Buchstaben K, L, M, … benannt. Alternativ können die Bahnen auch mit den Hauptquantenzahlen n= 1, 2, 3, … benannt werden. ►01
Die Elektronen besetzen die Schalen von innen nach außen. Erst wenn eine Schale gefüllt ist, dann können die Elektronen die folgende Schale besetzen. ►02
In den Bereichen zwischen den Schalen können sich die Elektronen nicht aufhalten. ►03
Um die Übersichtlichkeit zur verbessern, wurde in Bild 02 auf die Darstellung der Neutronen verzichtet.
- K-Schale (n=1) – maximal 2 Elektronen
- L-Schale (n=2) – maximal 8 Elektronen
- M-Schale (n=3) – maximal 18 Elektronen
- N-Schale (n=4) – maximal 32 Elektronen
- O-Schale (n=5) – maximal 50 Elektronen
- P-Schale (n=6) – maximal 72 Elektronen
Die maximale Besetzung der Schalen kann mit der folgenden Formel berechnet werden:
x=2·n2
2. Postulat
Elektronen bewegen sich strahlungsfrei auf den Schalen. Dabei geben sie keine Energie ab. Sie bewegen sich mit konstanter Bahngeschwindigkeit in einem festen Anstand um den Kern.
Geschwindigkeit und Abstand sind vom jeweiligen Atom abhängig.
3. Postulat
Elektronen können die Schalen wechseln. Dabei werden Energien absorbiert oder emittiert.
- Beim Übergang von eine kernnahe auf eine kernferne Schale, wird das Atom Energie absorbieren (aufnehmen). ►04 (A)
- Beim Übergang von eine kernferne auf eine kernnahe Schale, wird das Atom Energie emittiert (abgegeben). ►04 (B,C,D)
Da sich die Elektronen nur auf bestimmten Schalen aufhalten können, können beim Wechsel zwischen den Schalen auch nur diskrete (feste, atomspezifische) Energien emittiert oder absorbiert werden. Die Übergänge zwischen den Schalen bzw. Energieniveaus werden als Quantensprung bezeichnet.
A – Das Atom nimmt Energie auf. Ein Elektron von Schale K (kernnah) wechselt auf eine Schale M (kernfern).
B, C, D – Das Atom gibt Energie ab. Das geschieht in Form eines Photons.
Je „weiter“ der Sprung, desto größer die angegebene Energie. Bei einigen Übergängen wird dabei Licht im sichtbaren Spektrum emittiert.
Dieses Prinzip wird u.a. bei Leuchtstofflampen genutzt.
Im nebenstehenden Video gibt Frau Dr. Mai Thi Nguyen-Kim, den meisten sicher besser als maiLab bekannt, eine tolle und kompakte Erklärung zum Bohrschen Atommodell.
Wie jedes Modell, hat auch das BOHRsche Atommodell seine Grenzen.
- Nach der HEISENBERGschen Unschärferelation ist der Bahnbegriff überworfen. Gerade einem Quantenobjekt, wie einem Elektron, kann keine Bahn zugeschrieben werden.
- Da das BOHRsche Atommodell kleine relativistischen Einflüsse berücksichtigt, ist es für große Kerne nur bedingt geeignet.
- Feinstrukturen der Atomniveaus bzw. der Energieniveauschemata können nicht erklärt werden.
Weitere Grenzen, aber auch Möglichlkeiten des BOHRschen Atommodells, werden im 3. Semester der Oberstufe besprochen.