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Atommodell: Bohr

Die Elektronen dürfen sich nicht überall aufhalten, sondern nur auf bestimmten Schalen — jede davon mit einer festen Energie und einer festen Zahl an Plätzen.

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Atommodell: Bohr

Zwei Rätsel, die Rutherford nicht lösen kann

Rutherfords Kern-Hülle-Modell erklärt den Streuversuch — aber nicht alles.

Rätsel 1 · Das stabile AtomDer positive Kern zieht die negativen Elektronen an. Nach den Regeln der Elektrik müssten sie in den Kern stürzen — Atome dürfte es gar nicht geben. Es gibt sie aber.
Rätsel 2 · Die Farben des LichtsErhitztes Wasserstoffgas leuchtet nur in wenigen, immer gleichen Farben; Natrium gelb, Neon rot. Frei bewegliche Elektronen müssten alle Farben abstrahlen.
  • Bohr 1913:Elektronen halten sich nicht in beliebigem Abstand auf.
  • Erlaubt:Nur bestimmte Bahnen mit festen Energien.
  • Bild:Wie Stufen einer Treppe — darauf ja, dazwischen nicht.

Elektronen auf Schalen

Bohr behält Kern und Hülle bei und ordnet die Hülle in Schalen.

  • Schalen:K, L, M … von innen nach außen.
  • Energie:Jede Schale hat eine feste Energiestufe.
  • Dazwischen:Es gibt keinen erlaubten Zustand.
Merke

Bohrs Modell in drei Sätzen:

Nur bestimmte Schalen sind erlaubt

Schalen: Elektronen bewegen sich nur auf den Schalen K, L, M, von innen nach außen.

Energiestufe: Zu jeder Schale gehört eine feste Energie. Zwischenwerte gibt es nicht.

Wechsel: Das Elektron nimmt genau den Energieunterschied auf — oder gibt ihn als Lichtquant ab.

Grundidee: Elektronen haben nur bestimmte Energiestufen; unterhalb der K-Schale gibt es keinen erlaubten Zustand, deshalb stürzen sie nicht in den Kern.

Schalenwechsel: Nach außen nimmt das Elektron Energie auf (Atom angeregt), nach innen gibt es sie als Lichtquant ab; feste Stufen ergeben feste Farben.

Grenzen: Für Wasserstoff sagt das Modell die Farben exakt voraus, bei Atomen mit vielen Elektronen stimmt es nicht mehr.

Wie viele Elektronen passen auf eine Schale?

11+ K: 2 L: 8 M: 1 Natrium — 11 Elektronen
Plätze auf den inneren Schalen
SchalenPlätzevoll bei
K12Helium
L28Neon (2 + 8)
M318Krypton (2 + 8 + 18 + 8)
Merke

Besetzungsregel:

maximale Anzahl Elektronen = 2 · n²

n: Nummer der Schale, von innen gezählt.

n = 1 (K): 2 · 1 = 2 Plätze.

n = 2 (L): 2 · 4 = 8 Plätze.

n = 3 (M): 2 · 9 = 18 Plätze.

  • Natrium:Zuerst füllt K mit 2, dann L mit 8 Elektronen.
  • Das elfte:Es sitzt allein ganz außen auf der M-Schale.
  • Folge:Solche äußeren Elektronen bestimmen das chemische Verhalten.
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Schalenwechsel: Energie hinein, Licht heraus

↑ nach außen (z. B. L → M)Das Elektron muss Energie aufnehmen — durch Wärme, Licht oder einen Stoß. Das Atom ist danach angeregt.
↓ nach innen (z. B. M → L)Das Elektron gibt die überschüssige Energie ab — als Lichtquant, ein winziges Lichtpaket.
Merke

Energie des Lichtquants:

ELicht = Eaußen − Einnen

Einheit: [E] = 1 eV (Elektronvolt).

Großer Sprung: Großer Energieunterschied → blaues Licht.

Kleiner Sprung: Kleiner Energieunterschied → rotes Licht.

✓ Rätsel 1 gelöstUnterhalb der K-Schale gibt es keine Stufe mehr. Das Elektron stürzt nicht in den Kern, weil es keinen Zustand gibt, in den es fallen könnte.
✓ Rätsel 2 gelöstFeste Stufen → feste Energieunterschiede → feste Farben. Deshalb leuchtet jedes Element in seinem eigenen Farbmuster.

Links das Atom mit den Schalen K, L, M, rechts die zugehörige Energietreppe: Beim Sprung nach außen wird Energie aufgenommen, beim Sprung nach innen als Licht abgegeben.

Schalenmodell

+ Atomkern M — 18 Plätze L — 8 Plätze Elektron Energietreppe M L K 12,1 eV 10,2 eV 0 eV weiter außen = mehr Energie

Halte fest: Zweimal hinschauen: K → L kostet 10,2 eV, L → M nur 1,9 eV — die Stufen werden nach außen enger. Und nur der Sprung nach innen erzeugt Licht; bei L → K ist die Energie so groß, dass es ultraviolett und unsichtbar ist.

Wo das Modell an seine Grenzen stößt

  • Stärke:Für Wasserstoff sagt Bohr die Farben exakt voraus.
  • Grenze:Bei Atomen mit vielen Elektronen stimmt das nicht mehr.
  • Kreisbahn:Ort und Bewegung eines Elektrons sind nicht gleichzeitig genau angebbar.
  • Trotzdem:Als Ordnungsschema 2, 8, 18 und für die Farben bleibt es nützlich.
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Allgemeine Hinweise

Drei Stellen, an denen beim Schalenmodell regelmäßig etwas durcheinandergeht.

Schale ≠ Material

Eine Schale ist nur der Name für einen erlaubten Energiezustand. Man zeichnet Kreise, weil man Energie nicht malen kann.

Aufnehmen vs. Abgeben

Nach außen geht es nur mit zugeführter Energie. Nach innen wird Energie frei.

2, 8, 18 sind Plätze

Die Zahlen nennen Plätze, nicht die Füllreihenfolge. Ab Kalium wird die vierte Schale besetzt, obwohl M noch Platz hat.

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