Apr 13, 2019

Wie sieht ein Atom aus?

Elektronen, die wie die Planeten im Sonnensystem auf ihrer Umlaufbahn in kosmischer Schönheit um den Atomkern kreisen, wobei der Atomkern selbst wie eine Sonne zu sein scheint, nur mit weniger Strahlung... Eine Anordnung in Schalen, auf denen die Elektronen liegen... Das sind Ideen, wie Menschen gerne versuchen, sich dieses kleine Teilchen, das im Namen schon gleich mit drin hat, dass es so winzig ist, dass es unteilbar ist (viele physiknahe Menschen fallen gerade beim "unteilbar" lachend vom Stuhl), vorzustellen. Nur sind diese Ideen dooferweise falsch. Das Modell dazu mag schön sein, aber es stimmt nicht wirklich mit der Realität überein. Aber beginnen wir doch erst einmal von vorne.

Atome sind sehr klein. Ein einzelnes Atom mit dem bloßen, menschlichen Auge zu sehen, ist unmöglich und auch sonst ist unsere Vorstellungskraft für die Größenordnung von \(10^{-11}\) bis \(10^{-10}\) Metern kaum ausgelegt. Dennoch ist es irgendwo verständlich, dass wir versuchen, eine Vorstellung von Atomen zu etablieren, weil es komisch ist, mit irgendwas zu arbeiten, ja wissenschaftlich zu denken, zu dem kein Bild existiert. Ich glaube, die allgemeine Vorstellung ist noch relativ stark vom Schalenmodell geprägt, aber genau genommen ist das nicht korrekt. Auch das Atom-Logo, der Editor, mit dem ich diese Zeilen tippe, ist nicht ganz korrekt. Dort ist nämlich Folgendes zu sehen:

Logo des Editors Atom

Grob gesagt liegt ein Problem dieses Bilds darin, dass der Atomkern im Vergleich zur Atomhülle zu groß ist. Zwar ist dieser Teil sehr massereich, macht aber nicht wirklich etwas von der Größe aus. Die eigentliche Größe kommt durch die Hülle. Diese Hülle aus Elektronen ist aber auch problematisch, denn Elektronen stehen nicht still. Selbst, wenn das eine Momentaufnahme wäre, könnten die Elektronen nicht genau lokalisiert werden. Das liegt nicht an Messinstrumenten, die nicht gut genug sind, sondern an der Physik dahinter. Das Phänomen der Heisenbergschen Unschärferelation lässt zumindest einen Bereich zu, in dem die Elektronen unterwegs sind, sodass grob gesagt werden kann, wo Elektronen sind, dazu dann weiter unten mehr mit den Atomorbitalen. Somit ist übrigens auch ein Teil meines Headers falsch. Aber dass eine grinsende Avocado auf ein paar angedeuteten (und inkorrekten) Elektronenbahnen nur symbolisch zu sehen ist, konntet ihr euch bestimmt schon denken.

Teil des Headers von Guacamol

Aber fangen wir vielleicht erst einmal zeitlich gesehen vorher mit Atommodellen an. Das Atommodell von Dalton geht zunächst einmal davon aus, dass Atome als kleinste, kugelförmige Einheit bestehen, die sich je nach Element in Volumen und Masse unterscheiden. Eine exakt abgeschlossene Kugel ist ein Atom nicht, grob gesagt sind sie auch je nach Element unterschiedlich in Volumen und Masse schon. Es kommt halt darauf an, wie eng man diesen Punkt sehen möchte, denn für Ionen haben wir einen anderen Durchmesser und auch eine geringfügig andere Masse. Auf den Atomdurchmesser komme ich später nochmal zurück.

Mit Thompson und einem Kathodenstrahl wurde das Bild der unzerteilbaren Einheit des Atoms endgültig zerstört. Solch ein Kathodenstrahl ist letztlich ein Elektronenstrahl im Vakuum. Aber wenn wir Elektronen haben, dann ist ein Atom nicht die kleinste Einheit. Abgesehen davon ist so ein Atom von außen betrachtet elektrisch neutral. Wir brauchen also noch eine positive Ladung. Das war die Geburtsstunde des Rosinenkuchenmodells, ein richtig leckerer Name im Vergleich zu sonstigen Namen von Modellen.

Rosinenkuchenmodell von Thompson (Tjalfave, CC BY-SA 4.0, https://commons.wikimedia.org/wiki/File:PlumPuddingModel_ManyCorpuscles.png)

Dieses Modell geht davon aus, dass ein Atom eine große, positive Ladung besitzt und mit Elektronen gespickt ist, quasi wie Rosinen. Übrigens geht dieses Modell auch davon aus, dass die Masse des Atoms durch die Elektronen zustande kommt. Aber offensichtlich hat sich dieses Modell nicht durchgesetzt.
Das liegt an einem Versuch von Rutherford, in dem vereinfacht gesagt Atome, darunter so was wie Goldfolie, mit Alpha-Strahlen beschossen wurde. Alpha-Strahlen sind positiv geladene Heliumkerne. Im Modell von Thompson wäre die Alpha-Strahlung ungehindert durch gegangen. Allerdings ergab sich, dass ein Bruchteil der Strahlung reflektiert wurde. Daraus stammt die Idee, dass die positive Ladung eines Atoms in einem Kern im Inneren ist. Mittlerweile sind wir auf folgendem Stand:

Rutherfordsches Atommodell

Das Update dazu ist das Bohrsche Atommodell, das Elektronen auf Bahnen sieht. Somit sind wir bei quantifizierten Energiezuständen angelangt. Der Bohrsche Atommodell ist genau das Atommodell, das diese Idee von Elektronen auf Bahnen wie Planeten um die Sonne geprägt hat. Das Modell hat in sich aber noch ein paar physikalische Probleme. Würde sich ein Elektron, also etwas mit einer Ladung, kreisförmig bewegen, würde es elektromagnetische Strahlung aussenden. Dadurch verliert es Energie, denn diese Strahlung hat eine gewisse Energie, die das Elektron folglich nicht mehr hat, weil es dem Energieerhaltungssatz folgt. Dementsprechend müsste es in den Kern stürzen und Atome wären instabil. Da ich, ein riesiger Haufen aus Atomen und Molekülen, hier sitze, bin ich wohl zu einem großen Teil stabil. Zwar sind im menschlichen Körper auch radioaktive Isotope enthalten, aber diese Atom sind nicht dadurch instabil, dass Elektronen in den Kern fallen. Ein eigener Beitrag zu Radioaktivität wäre auch mal was, aber das ist eher bezogen auf den Atomkern, der sich seit dem Modell von Rutherford nicht mehr so wirklich geändert hat.
Aber zurück zum Modell von Bohr: Wir haben ein paar physikalische Fehler, die aber irgendwo in die richtige Richtung weisen. Die Bahnen sagen ja zumindest aus, dass die Energie der Elektronen quantifiziert ist. Die Idee von etwas, was kreisförmig ist, ist nicht vollkommen falsch und geht zumindest ganz grob in eine richtigere Richtung.

Das Update dazu, was auch aktuell ist, ist das Orbitalmodell. Orbitale sind Aufenthaltsorte von Elektronen, denn genau lokalisieren funktioniert nicht, also sind das Orte mit einer Aufenthaltswahrscheinlichkeit von 90 Prozent. Dafür stößt man öfter auf den Begriff der Elektronenwolke. Die Form dieser Orbitale ergibt sich aus den jeweiligen Wellenfunktionen, die mathematisch ein bisschen komplexer sind und streng genommen auf das Wasserstoffatom bezogen sind. Das sieht dann für die ersten paar Orbitale so aus.

s- und p-Atomorbitale

Die Kreis- bzw. Kugelform aus dem Bohrschen Atommodell ist zumindest so was wie extrem eingeschränkt vorhanden. Alle anderen Elektronen befinden sich in einem Bereich, in dem es neue Formen gibt. Das wird mit d-Orbitalen noch ein bisschen weiter von der "Planetenbahn" der Elektronen weggebracht.

d-Atomorbitale (Sven, CC-Lizenz, https://de.wikipedia.org/wiki/Datei:D_orbitals.svg)

Die sogenannten f-Orbitale treiben das nochmals auf die Spitze.

f-Atomorbitale (Adrignola, CC-Lizenz 3.0, https://commons.wikimedia.org/wiki/File:F-orbitals.png)

Mittlerweile ist da nichts mehr mit einfachen Bahnen und taucht jetzt die Frage nach einem Wie, einem Warum, einem Weshalb auf und wie das mit der Vorstellung funktioniert, wie Elektronen in einem Atom aufgeteilt sind. Glücklicherweise passt die Struktur des Periodensystem dazu. In das s-Orbital passen zwei, in das p-Orbital sechs, in das d-Orbital zehn und in das f-Orbital vierzehn Elektronen rein. Die genaue Aufteilung für jedes Element ist in der entsprechenden Elektronenkonfiguration zu finden, dazu gibt es auch ein Schema, wie das aufgefüllt wird, das spielt hier aber keine wirkliche Rolle.
Was ich hier eigentlich nur ins Bewusstsein rufen möchte, ist, dass ein Atom nicht so aussieht wie wir es sehr gerne darstellen, da bin ich keine Ausnahme. Das, was näher an die Realität kommt, ist deutlich komplexer. Das Aussehen eines Atoms ist letztlich auch davon abhängig, welches Atom genau betrachtet wird, ob es in einer Verbindung vorkommt, etc. Je nachdem, ob Elemente als Ionen vorliegen, also Elektronen zu viel oder zu wenig im Vergleich zu ihrem Grundzustand haben, ändert sich der Atom- bzw. Ionenradius.

Atomradius? Ionenradius? Wir sind wieder bei den Atomen als Kugeln und der Idee eines festen Radius. Einen absoluten Radius gibt es allerdings nicht. Stattdessen wird von verschiedenen Radien gesprochen. Für Atome, die in eine sogenannte kovalente Bindung eingehen, existiert der Kovalenzradius als halber Abstand zweier Atome eines Elementes in einer kovalenten Verbindung. Ich glaube, das geht auch ein kleines bisschen zu weit und ich hoffe, ein wenig Licht in den Aufbau der Atome gebracht zu haben.