A B C D E F G H I J K L M N O P Q R S T U V W X Y Z 9 Ω


Bohrsches Atommodell

Quantenphysik

Basiswissen


In diesem Modell aus dem Jahr 1913 bestehen Atome aus einem schweren, positiv geladenen Atomkern und leichten, negativ geladenen Elektronen, die den Atomkern ähnlich wie die Planten die Sonne[6] auf geschlossenen Bahnen in einer gemeinsamen Ebene[8] umkreisen. Durch drei Postulate setzte Bohr innerhalb des Modells die klassische Physik teilweise außer Kraft. Er versuchte vor allem die Stabilität der Atome zu erklären.

Welches Problem versuchte Bohr zu lösen?


Die Stabilität der Atome: Ausgangspunkt für Bohrs Atommodell war die Atomvorstellung von Rutherford. Rutherford hatte mit seinem Goldfolienversuch gezeigt, dass Atome aus einem sehr schweren elektrisch positiven Kern (+) bestehen. Die sehr viel kleineren und elektrisch negativen (-) Elektronen schienen sich weit entfernt vom Kern aufzuhalten. Man nahm damals an, dass sich die Elektronen wie die Planeten um die Sonne auf Kreisbahnen bewegen, ein (falsches) Bild, das sich noch Jahrzehnte später erhielt[3].

: 1.0 Bohrs Ausgangspunkt war eine Art Mini-Sonnensystem.

Doch klassisch als Sonnensystem[6] gedachte Kreisbahnen würden für Elektronen kein stabiles Atom ergeben: „Kein Planetensystem, das den Gesetzen der Newtonschen Mechanik folgt, würde jemals nach dem Zusammenstoß mit einem anderen derartigen System in seine Ausgangskonfiguration zurückkehren. Aber ein Kohlenstoffatom zum Beispiel wird ein Kohlenstoffatom bleiben, auch nach dem Zusammenstoß mit andere Atomen oder nachdem es in einer chemischen Bindung mit andere Atomen in Wechselwirkung gestanden hat.“[3, Seite 8]. Und auch auch anderen Gründen gab es bereits um 1921 ernste Zweifel an Bohrs Modell.[8]

Wie löste Bohr das Problem der Atomstabilität?


Bohrs Lösung fasste der Quantenphysiker Werner Heisenberg kurz zusammen: „Die Erklärung für diese ungewöhnliche Stabilität wurde im Jahre 1913 durch Niels Bohr gegeben, indem er die Plancksche Quantenhypothese auf das Rutherfordsche Atommodell anwandte. Wenn das Atom seine Energie nur um diskrete [gequantelte, sprunghafte] Energiebeträge ändern kann, so muß das bedeuten, daß das Atom nur in diskreten stationären[7] Zuständen existieren kann, deren energiemärmster eben der »normale« Zustand des Atoms ist. Deshalb wird das Atom nach irgendeiner Wechselwirkung wieder in diesen Normalzustand zurückfallen “[3, Seite 8].

2.0 Bohr nahm an, dass es nur ausgewählte Energiezustände von Elektronen in Atomen gibt.

Nun ist das noch keine Erklärung, eher eine Festellung von beobachteten Tatsachen. Entsprechend bezeichnete Bohr sein Gedanken auch nicht als Theorie oder Erklärung sondern als Postulate, das heißt sinnvoll annehmbare Forderungen, wie etwas gedacht werden sollte.

1. Bohrsches Postulat


1. Dem Elektron stehen nicht alle klassisch möglichen Bahnen zur Verfügung, sondern nur bestimmte ausgewählte von ihnen. Auf diesen Bahnen erzeugt es keine elektromagnetische Strahlung, sondern behält seine Energie. Dies sind die stationären Zustände des Atoms.

2. Bohrsches Postulat


2. Das Elektron kann von einem stationären Zustand in einen anderen springen. Dieser als Quantensprung bezeichnete Vorgang liegt außerhalb des Gültigkeitsbereichs der klassischen Mechanik und der Elektrodynamik. Beim Quantensprung zwischen stationären Zuständen mit verschiedener Energie, den Energieniveaus, wird elektromagnetische Strahlung emittiert oder absorbiert. Dabei wird die Frequenz f der Strahlung nicht durch die Umlauffrequenz des Elektrons bestimmt, sondern ausschließlich durch die Energiedifferenz ΔE der beiden Zustände nach der von Max Planck für die Wärmestrahlung entdeckten Formel f = ΔE/h.

3. Bohrsches Postulat


3. Die Frequenz der erzeugten oder absorbierten Strahlung nähert sich der Umlauffrequenz des Elektrons an, wenn sich das Elektron im Anfangszustand nur langsam bewegt und in den energetisch nächstgelegenen Zustand springt.

Das Bohrsche Atommodell zwischen klassischer und Qantenphysik


Zur Zeit von Niels Bohr herrschte in der Physik noch das Weltbild der klassischen Physik vor: Teilchen bewegen sich auf kontinuierlichen Bahnen, sie haben jederzeit einen klar benennbaren Aufenthaltsort und Zuständsänderungen verlaufen auch kontinuierlich, das zeißt, zwischen zwei Zuständen werden sozusagen fließend unendlich viele Zwischenzustände eingenommen. Rutherford versuchte die Ergebnisee seine Goldfolienversuchs noch ganz in dieser klassischen Denkweise zu lösen. Damit brach der damals erst 27-jähirge Bohr radikal. In einem Physikbuch[4] werden Bohrs Ausgangsgedanken dazu zusammengefasst:


Zwei verschiedene Frequenzen Photonen und Bahnfrequenzen


Im Bohrschen Atommodell kommen zwei Arten von Frequenzen vor: a) die Frequenzen ν (kleines ny) aufgenommener oder ausgesandter Lichtquanten, auch Photonen genannt, sowie b) die Frquenzen der Elektronen auf ihren vermeintlichen klassischen Umlaufbahnen, die sogenannten Bahn- oder Umlauffrequenzen. Man könnte nun denken, dass diese zwei Frequenzen auch von den Zahlenwerten her gleich sind. Das sind sie aber nicht: „in dem einfachsten Fall des Wasserstoffatoms konnte man […] aus der Bohrschen Theorie die Frequenzen des emittierten Lichtes berechnen, und die Übereinstimung mit den Beobachtungen war vollständig. Allerdings waren diese Frequenzen verschieden von den Bewegungsfrequenzen der Elektronen in ihren Bahnen […] diese Tatsache zeigte sofort, daß die Theorie noch voll von Widersprüchen steckte.“[3, Seite 9]. Die Frequenz der ausgesandten Photonen berechnet man mit der sogenannten Bohrschen Frequenzbedingung.

Die Bohrsche Frequenzbedingung



Legende



Wie wechseln Elektronen zwischen den Bahnen?



Die Erklärungskraft des Bohrschen Atommodells



Fußnoten