Atommodelle – von Dalton bis Bohr

Im Physikunterricht zeigt die Lehrerin eine Billardkugel und sagt, so habe sich Dalton um das Jahr $1805$ die Atome vorgestellt, wie in der Abbildung gezeigt.

Erkläre mit eigenen Worten, was ein Atom nach dem Modell von Dalton ist und welche zwei Eigenschaften diese „Kugel“ hatte.

In einem Referat schreibt Paul: „Das daltonsche Modell war falsch, also hat es nichts gebracht.“ Du bist nicht einverstanden. Erkläre zwei Dinge, die das daltonsche Modell gut erklären konnte (warum es verschiedene Elemente gibt und wie sich ihre Atome verbinden), und eine Sache, die es nicht erklären konnte und die dazu zwang, es zu ändern.

Diese vier Beschreibungen von Atommodellen sind durcheinandergeraten:

1. a) „Die Elektronen kreisen um einen zentralen Kern, wie die Planeten um die Sonne.“
2. b) „Das Atom ist eine massive, unteilbare Kugel.“
3. c) „Die Elektronen können sich nur auf bestimmten erlaubten Bahnen befinden.“
4. d) „Das Atom ist eine positive Kugel mit eingebetteten Elektronen.“

Ordne sie zeitlich, vom ältesten zum neuesten Modell, und schreibe den Namen des Forschers auf, der jedes Modell vorgeschlagen hat.

Jans Oma backt einen Pudding mit Rosinen, wie in der Abbildung.

Thomson stellte sich das Atom wie diese Nachspeise vor: Erkläre, was die Puddingmasse in seinem Modell darstellt und was die Rosinen darstellen.

In einem Wissenschaftsmuseum betrachtet Leo eine Kathodenstrahlröhre, wie Thomson sie bei seinen Experimenten verwendete, ähnlich der in der Abbildung.

Welches Teilchen entdeckte Thomson mit diesem Gerät und welche elektrische Ladung hat es?

Die alten Röhrenfernseher funktionierten mit Kathodenstrahlen, mit denen Thomson im Jahr $1897$ das Elektron entdeckte. Das Elektron ist ein Teilchen, das aus dem Inneren des Atoms stammt: Erkläre, warum diese Entdeckung das Modell von Dalton zu ändern zwang.

Um die Modelle zu erklären, verwendet eine Schülergruppe eine Wassermelone mit Kernen als Bild für das thomsonsche Atommodell.

1. a) Erkläre, was jeder Teil der Wassermelone in diesem Modell darstellt.
2. b) Schlage selbst einen Gegenstand oder eine Alltagssituation vor, die das rutherfordsche Atommodell darstellt, und erkläre, was jedes Element ist.
3. c) Kein Vergleich ist perfekt: Nenne eine Schwäche des Bildes der Wassermelone als Atommodell.

Anna sieht in einer Dokumentation Rutherfords Goldfolienversuch: Positiv geladene $\alpha$-Teilchen wurden auf eine hauchdünne Goldfolie geschossen, wie in der Abbildung gezeigt.

Was geschah mit der großen Mehrheit der Teilchen, als sie auf die Folie trafen? Welche Schlussfolgerung zog Rutherford über das Innere des Atoms?

Beim Goldfolienversuch wurden drei Dinge beobachtet: Die meisten $\alpha$-Teilchen durchquerten die Folie ohne Ablenkung, einige wenige wurden abgelenkt und sehr selten prallte eines zurück, wie in der Abbildung gezeigt.

Schreibe die Schlussfolgerung auf, die Rutherford aus jeder der drei Beobachtungen zog.

In einer Klassendiskussion behauptet Nora, der Goldfolienversuch habe das Modell von Thomson widerlegt. Wenn das Atom wirklich eine positiv geladene Kugel mit eingebetteten Elektronen wäre, was hätte dann mit den $\alpha$-Teilchen beim Auftreffen auf die Folie passieren müssen? Welche Beobachtung des Versuchs passt nicht zu dieser Vorhersage? Begründe deine Antwort.

Im Goldfolienversuch durchquerten von jeweils $8000$ ausgesandten $\alpha$-Teilchen etwa $7992$ die Folie, ohne abgelenkt zu werden, etwa $7$ wurden abgelenkt und nur $1$ prallte zurück.

1. a) Berechne, wie viel Prozent der Teilchen die Folie ungehindert durchquerten.
2. b) Welcher Bruchteil der ausgesandten Teilchen prallte zurück?
3. c) Erkläre anhand dieser Zahlen, warum Rutherford behauptete, das Atom sei fast leer und der Atomkern winzig.

Die $\alpha$-Teilchen sind positiv geladen, genau wie der Atomkern, wie die Abbildung zeigt.

1. a) Erkläre mithilfe der Kräfte zwischen elektrischen Ladungen, warum ein $\alpha$-Teilchen, das nahe am Atomkern vorbeifliegt, von seiner Bahn abgelenkt wird.
2. b) Warum sind die Teilchen, die zurückprallen, gerade diejenigen, die dem Atomkern am nächsten kommen?
3. c) Wenn man die Folie mit ungeladenen Teilchen beschießen würde, würdest du dieselben Ablenkungen erwarten? Begründe.

Stell dir vor, im Goldfolienversuch wären die meisten $\alpha$-Teilchen zurückgeprallt, statt die Folie zu durchdringen. Was hätte Rutherford in diesem Fall über das Innere des Atoms geschlossen? Welchem der Modelle, die du kennst, würde diese Schlussfolgerung am ehesten ähneln? Begründe deine Antworten.

Wissenschaftler wiederholen den Versuch mit einer Folie aus einem anderen Metall als Gold und beobachten, dass nun doppelt so viele $\alpha$-Teilchen zurückprallen, obwohl es immer noch sehr wenige sind.

1. a) Gilt die Vorstellung, dass das Atom fast leer ist, weiterhin? Warum?
2. b) Stelle eine Hypothese auf, die erklärt, warum bei diesem Metall mehr Teilchen zurückprallen (überlege, wie sein Atomkern im Vergleich zu dem des Goldes sein könnte).
3. c) Welches neue Experiment würdest du durchführen, um deine Hypothese zu überprüfen? Begründe deine Antworten.

Im Riesenrad auf dem Jahrmarkt kannst du nur in einer Gondel sitzend fahren, nie frei in der Luft zwischen zwei Gondeln. Bohr schlug etwas Ähnliches für die Elektronen vor, wie in der Abbildung gezeigt.

Erkläre, was Bohr über die Bahnen der Elektronen sagte und worin sich sein Modell von dem Rutherfords unterschied.

Um das Modell von Bohr zu erklären, vergleicht ein Lehrer eine Treppe mit einer Rutsche, wie in der Abbildung: Auf der Treppe kannst du nur auf einer Stufe stehen, auf der Rutsche aber in jeder beliebigen Höhe anhalten.

Ordne jedes Bild einem der beiden Modelle zu, dem von Rutherford oder dem von Bohr, und erkläre, was jede Treppenstufe darstellt.

Das rutherfordsche Modell hatte ein Problem: Nach der Physik der damaligen Zeit müsste ein Elektron, das um den Atomkern kreist, immer mehr Energie verlieren und schließlich in den Kern stürzen, wie die Abbildung zeigt. Dann wären Atome nicht stabil.

1. a) Erkläre, was Bohr vorschlug, um diesen Absturz des Elektrons zu verhindern.
2. b) Warum sagen wir, Bohr habe eine „neue Regel“ hinzugefügt, statt die Bahnen von Rutherford nur besser zu zeichnen?

Das Modell von Rutherford nennt man „Planetenmodell“, weil es an das Sonnensystem erinnert, wie in der Abbildung gezeigt.

Nenne eine Gemeinsamkeit und einen Unterschied zwischen den Planeten, die um die Sonne kreisen, und den Elektronen, die um den Kern kreisen (überlege, welche Kraft jeweils das System zusammenhält).

Als Rutherford sein Modell vorschlug, konnte er nicht ignorieren, was man bereits wusste: zum Beispiel, dass Atome elektrisch neutral sind. Erkläre, wie die Neutralität des Atoms zum Modell von Rutherford (positiver Kern und Elektronen) passt und warum ein neues Modell auch die Tatsachen erklären muss, die das vorherige schon gut erklärt hat.

Auf Sammelkarten von „Atomforschern“ stehen diese Jahreszahlen: Thomson, $1897$; Bohr, $1913$; Dalton, $1805$; Rutherford, $1911$. Ordne die vier Atommodelle vom ältesten zum neuesten.

In der Ausstellung „Die Detektive des Atoms“ sind vier Tafeln durcheinandergeraten. Ordne jede Beschreibung dem passenden Forscher zu: Dalton, Thomson, Rutherford oder Bohr.

1. a) „Das Atom ist eine massive, unteilbare Kugel.“
2. b) „Die Elektronen sind in eine positiv geladene Kugel eingebettet, wie Rosinen in einem Pudding.“
3. c) „Das Atom ist fast vollständig leer und die positive Ladung konzentriert sich in einem sehr kleinen Kern.“
4. d) „Die Elektronen können nur bestimmte erlaubte Bahnen einnehmen.“

Schreibe einen kurzen Lexikoneintrag mit dem Titel „Die Geschichte des Atoms in vier Modellen“. Gib für jeden Wissenschaftler (Dalton, Thomson, Rutherford und Bohr) an, was sein Modell beigetragen hat und welche Beobachtung oder welches Experiment es stützte.

Leons Lieblingsspiel wird immer wieder aktualisiert, um Fehler zu beheben und Verbesserungen hinzuzufügen. Mit Modellen in der Wissenschaft ist es ähnlich: Erkläre, warum Wissenschaftler ein Modell durch ein neues ersetzen.

Dein achtjähriger Cousin fragt dich, warum sich in Wissenschaftsbüchern die Zeichnungen des Atoms ändern. Schreibe ihm eine einfache Erklärung (du kannst es damit vergleichen, dass man eine Karte aktualisiert, wenn ein neuer Weg entdeckt wird). Erzähle ihm, wie man vom daltonschen zum bohrschen Modell kam und welche Rolle die Experimente bei diesen Änderungen spielten.