Thomsonsches Atommodell
Physik
Basiswissen
Elektronen auf Kreisbahnen: in gleichmäßig verteilter positiver Ladung (Teig) bewegen sich die Elektronen (Rosinen) auf Kreisbahnen um die Atom-Mitte. Thomsons Berechnungen zeigten, wie die Elektronen angeordnet sein können, sodass das Atom als Ganzes elektrostatisch (Coulomb-Kräfte) stabil ist.
Fragestellung
Thomson hatte 1897 entdeckt, dass die sogenannt Kathodenstrahlung aus Elektronen besteht. Als Quelle der Elektronen galt die metallene Kathode. Er nahm an, dass die Elektronen aus den Atomen der Kathode stammten, also Teil eines inneren Aufbaus von Atomen sein müssten. Da sich Elektronen untereinander stark abstoßen, Elektronen sich aber gleichzeitig mit positiver Ladung anziehen entstand die Frage, in welcher geometrischer Anordnung man sich daraus einen Atomaufbau vorstellen kann.
Das Atom als Modell im Sinne Thomsons
Das Thomsonsche Atommodell ist ein Atommodell, nach dem das Atom aus gleichmäßig verteilter, positiv geladener masseloser Substanz besteht. In dieser positiven Substanz bewegen sie die die immer negativ geladenen Elektronen. In der ursprünglichen Veröffentlichung von Thomsons[1, Seite 255] heißt es: "We suppose that the atom consists of a number of corpuscles moving about in a sphere of uniform positive electrification." Nur die Elektronen haben Masse. Dieses Modell wurde 1904 von Joseph John Thomson veröffentlicht. Aufgrund der angenommenen Anordnung der Elektronen in der Masse, vergleichbar mit Rosinen in einem Kuchen, wird es auch als Plumpudding- oder Rosinenkuchenmodell bezeichnet. Im Grundzustand sind die Elektronen so verteilt, dass ihre potentielle Energie minimal ist. Werden sie angeregt, beginnen sie zu schwingen. Dass dies möglich sein könnte, wollte Thomson mit seinem Modell zeigen.
Die Grenzen des thomsonschen Atommodells
Um 1900, kurz vor Geburt der sogenannten Quantenphysik, versuchte man die gesamte Physik in Anlehnung an die newtonschen Gesetze der Bewegung zu deuten. Die Idee, dass die ganze Physik letztendlich Mechanik sei, war sehr erfolgreich. Als Weltsich mit Allerklärungsanspruch bezeichnet man sie auch als Mechanismus []
Von Thomson zu Rutherford
Nach dem thomsonschen Modell bestehen Atome aus mehr oder weniger fester Materie. Schießt man kleinere Objekte auf diese Materie, müssten sie theoretisch in ihr stecken bleiben. Sie dürften sie nicht ohne Weiteres durchdringen. Rutherford schoss aber Atomkerne von Heliumatomen durch sehr dünne Goldfolien. Das wurde so interpretiert, dass die Atome nicht durchgängig aus undurchlässiger Materie bestehen können. Siehe auch Rutherfordsches Atommodell ↗
Historischer Rahmen
Thomson veröffentlichte seine Überlegung im Jahr 1904. Länder wie Polen, Tschechien oder Rumänien gab es damals (noch) nicht. In Deutschland herrschte Kaiser Wilhelm II. Ein Jahr zuvor, 1903 gelang den Gebrüdern Wright aus den USA der erste Flug mit einem Motorflugzeug. Dampfschiffe begannen Segelschiffe immer stärker zu verdrängen. Der Schriftsteller Wilhelm Busch (Max und Moritz) war schon längere Zeit tot. Zehn Jahre in die Zukunft gesehen sollte der erste Weltkrieg ausbrechen.
Originalzitat zur Stabilität des Atoms I
Die Elektronen (corpuscles) bewegen sich alle gemeinsam in einer Ebene auf Kreisbahnen, ähnlich den Planeten um die Sonne: "We suppose that the atom consists of a number of corpuscles moving about in a sphere of uniform positive electrification : the problems we have to solve are (1) what would be the structure of such an atom i. e. how would the corpuscles arrange themselves in the sphere; and (2) what properties would this structure confer upon the atom. The solution of (1) when the corpuscles are constrained to move in one plane is indicated by the results we have just obtained the corpuscles Will"arrange themselves in a series of concentric rings. This arrangement is necessitated by the fact that a large number of corpuscles cannot be in stable equilibrium when arranged as a single ring, while this ring can be made stable by placing inside it an appropriate number of corpuscles."[1, Seite 255]
Originalzitat zur Stabilität des Atoms I
Die Elektronen (corpuscles) bewegen sich nicht alle gemeinsam in derselben Ebene sondern innerhalb von Kugelschalen (shells): "When the corpuscles are not constrained to one plane, but can move about in all directions~ they will arrange themselves in a series of concentric shells."[1, Seite 255]
Orginalzitat zu Elektronen als einzige Masseträger
"We suppose that the mass of an atom is the sum of the masses of the corpuscles it contains, so that the atomic weight of an element is measured by the number of corpuscles in its atom."[1, Seite 258]
Fußnoten
- [1] Joseph John Thomson. On the structure of the atom: an investigation of the stability and periods of oscillation of a number of corpuscles arranged at equal intervals around the circumference of a circle; with application of the results to the theory of atomic structure , Philosophical Magazine Series 6, 7:39, 237-265. 1904. DOI: 10.1080/14786440409463107
- [2] Der Physiker und Nobelpreisträger Richard Feynman (1918 bis 1988) beschrieb, wie die Gebiete der Akustik und Wärmelehre auf Newtons Mechanik zurückgeführt werden konnten. Über Akustik und Wärmelehre schreibt er: "Nachdem Sir Isaac Newton die Gesetze der Bewegung erklärt hatte, entdeckte man aber aber bald, daß einige dieser scheinbar verschiedenen Dinge Aspekte ein und derselben Sache waren. beispielsweise ließen sich die akustischen Erscheinungen vollständig mit der Bewegung von Atomen in der Luft erklären. Damit entfiel die Akustik als eigenständiges Gebiet. Nicht anders erging es der Wärmelehre, als man die Erscheinungen der Wärme durch die Gesetze der Bewegung zu begreifen lernte." In: Richard Feynman: QED: Die seltsame Theorie des Lichts und der Materie. Piper Verlag. 1. Auflage 1992. ISBN: 3-492-21562-9. Dort die Seite 14. Siehe auch QED (Feynman) ↗
- [3] "Versuche, die Bewegung der um den Kern kreisenden Elektronen mit Hilfe der Gsetze der Mechanik zu verstehen - ähnlich wie sich Newton die Gesetze der Bewegung zunutze machte, um die Bahn der Erde um die Sonne zu begreifen -, schlugen vollständig fehl. Sämtliche Vorhersagen erwiesen sich als falsch." In: Richard Feynman: QED: Die seltsame Theorie des Lichts und der Materie. Piper Verlag. 1. Auflage 1992. Dort die Seite 15. ISBN: 3-492-21562-9. Siehe auch Nagaokasches Atommodell ↗
