Das frühe 20. Jahrhundert war eine sehr günstige Zeit für die Wissenschaften. Neben Ernest Rutherford und Niels Bohr, die das Standardmodell der Teilchenphysik hervorbrachten, war es auch eine Zeit der Durchbrüche auf dem Gebiet der Quantenmechanik. Dank laufender Studien zum Verhalten von Elektronen begannen die Wissenschaftler, Theorien vorzuschlagen, wonach sich diese Elementarteilchen so verhalten, dass sie der klassischen Newtonschen Physik widersprechen.
Ein solches Beispiel ist das von Erwin Schrödinger vorgeschlagene Elektronenwolkenmodell. Dank dieses Modells wurden Elektronen nicht mehr als Teilchen dargestellt, die sich in einer festen Umlaufbahn um einen zentralen Kern bewegen. Stattdessen schlug Schrödinger ein Modell vor, bei dem Wissenschaftler nur fundierte Vermutungen über die Positionen von Elektronen anstellen konnten. Daher konnten ihre Standorte nur als Teil einer „Wolke“ um den Kern beschrieben werden, in der sich die Elektronen wahrscheinlich befinden.
Atomphysik bis zum 20. Jahrhundert:
Die frühesten bekannten Beispiele der Atomtheorie stammen aus dem antiken Griechenland und Indien, wo Philosophen wie Demokrit postulierten, dass alle Materie aus winzigen, unteilbaren und unzerstörbaren Einheiten besteht. Der Begriff „Atom“ wurde im antiken Griechenland geprägt und führte zur Denkschule, die als „Atomismus“ bekannt ist. Diese Theorie war jedoch eher ein philosophisches als ein wissenschaftliches Konzept.
Erst im 19. Jahrhundert wurde die Theorie der Atome als wissenschaftliche Angelegenheit artikuliert, und die ersten evidenzbasierten Experimente wurden durchgeführt. Zum Beispiel verwendete der englische Wissenschaftler John Dalton Anfang des 19. Jahrhunderts das Konzept des Atoms, um zu erklären, warum chemische Elemente auf bestimmte beobachtbare und vorhersehbare Weise reagierten. In einer Reihe von Experimenten mit Gasen entwickelte Dalton die sogenannte Dalton-Atomtheorie.
Diese Theorie erweiterte die Gesetze der Konversation von Masse und bestimmten Proportionen und ging auf fünf Prämissen zurück: Elemente bestehen in ihrem reinsten Zustand aus Teilchen, die Atome genannt werden; Atome eines bestimmten Elements sind bis zum letzten Atom alle gleich; Atome verschiedener Elemente können durch ihre Atomgewichte unterschieden werden; Atome von Elementen vereinigen sich zu chemischen Verbindungen; Atome können bei chemischen Reaktionen weder erzeugt noch zerstört werden, nur die Gruppierung ändert sich jemals.
Entdeckung des Elektrons:
Im späten 19. Jahrhundert begannen Wissenschaftler auch zu theoretisieren, dass das Atom aus mehr als einer Grundeinheit bestand. Die meisten Wissenschaftler wagten jedoch, dass diese Einheit die Größe des kleinsten bekannten Atoms haben würde - Wasserstoff. Bis zum Ende des 19. Jahrhunderts würde sich sein Wissen dank der Forschung von Wissenschaftlern wie Sir Joseph John Thomson drastisch ändern.
In einer Reihe von Experimenten mit Kathodenstrahlröhren (bekannt als Crookes-Röhre) stellte Thomson fest, dass Kathodenstrahlen durch elektrische und magnetische Felder abgelenkt werden können. Er kam zu dem Schluss, dass sie nicht aus Licht bestehen, sondern aus negativ geladenen Teilchen bestehen, die 100-mal kleiner und 1800-mal leichter als Wasserstoff sind.
Dies widerlegte effektiv die Vorstellung, dass das Wasserstoffatom die kleinste Einheit der Materie sei, und Thompson ging weiter und schlug vor, dass Atome teilbar seien. Um die Gesamtladung des Atoms zu erklären, die sowohl aus positiven als auch aus negativen Ladungen bestand, schlug Thompson ein Modell vor, bei dem die negativ geladenen „Körperchen“ in einem gleichmäßigen Meer positiver Ladung verteilt waren - das sogenannte Plum Pudding Model.
Diese Körperchen wurden später als "Elektronen" bezeichnet, basierend auf dem theoretischen Teilchen, das der anglo-irische Physiker George Johnstone Stoney 1874 vorausgesagt hatte. Daraus entstand das Plum Pudding Model, das so benannt wurde, weil es der englischen Wüste, aus der es besteht, sehr ähnlich war Pflaumenkuchen und Rosinen. Das Konzept wurde in der britischen Ausgabe vom März 1904 der Welt vorgestellt Philosophisches Magazin, zu großer Anerkennung.
Entwicklung des Standardmodells:
Nachfolgende Experimente zeigten eine Reihe wissenschaftlicher Probleme mit dem Plum Pudding-Modell. Für den Anfang bestand das Problem zu zeigen, dass das Atom eine einheitliche positive Hintergrundladung besaß, die als „Thomson-Problem“ bekannt wurde. Fünf Jahre später wurde das Modell von Hans Geiger und Ernest Marsden widerlegt, die eine Reihe von Experimenten mit Alpha-Partikeln und Goldfolie durchführten - auch bekannt als. das "Goldfolienexperiment".
In diesem Experiment haben Geiger und Marsden das Streumuster der Alpha-Partikel mit einem Fluoreszenzschirm gemessen. Wenn das Thomson-Modell korrekt wäre, würden die Alpha-Partikel ungehindert die Atomstruktur der Folie passieren. Stattdessen stellten sie jedoch fest, dass einige von ihnen direkt durchschossen, einige jedoch in verschiedene Richtungen verstreut waren, während andere in Richtung der Quelle zurückgingen.
Geiger und Marsden kamen zu dem Schluss, dass die Partikel einer elektrostatischen Kraft ausgesetzt waren, die weitaus größer war als die, die das Thomson-Modell zulässt. Da Alpha-Teilchen nur Heliumkerne sind (die positiv geladen sind), implizierte dies, dass die positive Ladung im Atom nicht weit verteilt war, sondern sich in einem winzigen Volumen konzentrierte. Darüber hinaus bedeutete die Tatsache, dass die Partikel, die nicht abgelenkt wurden, ungehindert hindurchgingen, dass diese positiven Räume durch riesige Schluchten leeren Raums getrennt waren.
Bis 1911 interpretierte der Physiker Ernest Rutherford die Geiger-Marsden-Experimente und lehnte Thomsons Modell des Atoms ab. Stattdessen schlug er ein Modell vor, bei dem das Atom aus einem größtenteils leeren Raum bestand, dessen gesamte positive Ladung in seinem Zentrum in einem sehr kleinen Volumen konzentriert war, das von einer Elektronenwolke umgeben war. Dies wurde als Rutherford-Modell des Atoms bekannt.
Nachfolgende Experimente von Antonius Van den Broek und Niels Bohr verfeinerten das Modell weiter. Während Van den Broek vorschlug, dass die Ordnungszahl eines Elements seiner Kernladung sehr ähnlich ist, schlug letztere ein Sonnensystem-ähnliches Modell des Atoms vor, bei dem ein Kern die Ordnungszahl der positiven Ladung enthält und von einer gleichen umgeben ist Anzahl der Elektronen in Orbitalschalen (auch bekannt als Bohr-Modell).
Das Elektronenwolkenmodell:
In den 1920er Jahren wurde der österreichische Physiker Erwin Schrödinger von den Theorien Max Planck, Albert Einstein, Niels Bohr, Arnold Sommerfeld und anderen Physikern fasziniert. In dieser Zeit beschäftigte er sich auch mit Atomtheorie und Spektren und forschte an der Universität Zürich und anschließend an der Friedrich-Wilhelm-Universität in Berlin (wo er 1927 die Nachfolge von Planck antrat).
1926 ging Schrödinger in einer Reihe von Arbeiten auf das Thema Wellenfunktionen und Elektronen ein. Neben der Beschreibung der sogenannten Schrödinger-Gleichung - einer partiellen Differentialgleichung, die beschreibt, wie sich der Quantenzustand eines Quantensystems mit der Zeit ändert - verwendete er auch mathematische Gleichungen, um die Wahrscheinlichkeit zu beschreiben, ein Elektron an einer bestimmten Position zu finden .
Dies wurde zur Grundlage des sogenannten Elektronenwolkenmodells (oder quantenmechanischen Modells) sowie der Schrödinger-Gleichung. Basierend auf der Quantentheorie, die besagt, dass alle Materie Eigenschaften hat, die mit einer Wellenfunktion verbunden sind, unterscheidet sich das Elektronenwolkenmodell vom Bohr-Modell darin, dass es nicht den genauen Weg eines Elektrons definiert.
Stattdessen wird die wahrscheinliche Position des Ortes des Elektrons basierend auf einer Funktion der Wahrscheinlichkeiten vorhergesagt. Die Wahrscheinlichkeitsfunktion beschreibt im Wesentlichen einen wolkenartigen Bereich, in dem das Elektron wahrscheinlich gefunden wird, daher der Name. Wo die Wolke am dichtesten ist, ist die Wahrscheinlichkeit, das Elektron zu finden, am größten; und wo das Elektron weniger wahrscheinlich ist, ist die Wolke weniger dicht.
Diese dichten Regionen werden als "Elektronenorbitale" bezeichnet, da sie der wahrscheinlichste Ort sind, an dem sich ein umlaufendes Elektron befindet. Wenn wir dieses „Wolken“ -Modell auf einen dreidimensionalen Raum erweitern, sehen wir eine Langhantel oder ein blütenförmiges Atom (wie im Bild oben). Hier sind die verzweigten Regionen diejenigen, in denen wir die Elektronen am wahrscheinlichsten finden.
Dank Schrödingers Arbeit begannen die Wissenschaftler zu verstehen, dass es im Bereich der Quantenmechanik unmöglich war, die genaue Position und den Impuls eines Elektrons gleichzeitig zu kennen. Unabhängig davon, was der Beobachter anfangs über ein Teilchen weiß, kann er seinen nachfolgenden Ort oder Impuls nur anhand von Wahrscheinlichkeiten vorhersagen.
Zu keinem Zeitpunkt können sie einen der beiden feststellen. Je mehr sie über den Impuls eines Teilchens wissen, desto weniger wissen sie über dessen Position und umgekehrt. Dies ist heute als „Unsicherheitsprinzip“ bekannt.
Es ist zu beachten, dass die im vorhergehenden Absatz erwähnten Orbitale durch ein Wasserstoffatom (d. H. Mit nur einem Elektron) gebildet werden. Beim Umgang mit Atomen mit mehr Elektronen breiten sich die Elektronenorbitalbereiche gleichmäßig zu einer kugelförmigen Fuzzy-Kugel aus. Hier ist der Begriff „Elektronenwolke“ am besten geeignet.
Dieser Beitrag wurde allgemein als einer der kostenintensiven Beiträge des 20. Jahrhunderts anerkannt und löste eine Revolution in den Bereichen Physik, Quantenmechanik und in der Tat in allen Wissenschaften aus. Von da an arbeiteten Wissenschaftler nicht mehr in einem Universum, das durch absolute Zeit und Raum gekennzeichnet war, sondern in Quantenunsicherheiten und Zeit-Raum-Relativität!
Wir haben hier im Space Magazine viele interessante Artikel über Atome und Atommodelle geschrieben. Was ist John Daltons Atommodell? Was ist das Plum Pudding-Modell? Was ist Bohrs Atommodell? Wer war Demokrit? Und was sind die Teile eines Atoms?
Weitere Informationen finden Sie unter Was ist Quantenmechanik? von Live Science.
Astronomy Cast hat auch eine Episode zu diesem Thema, wie Episode 130: Radioastronomie, Episode 138: Quantenmechanik und Episode 252: Heisenberg-Unsicherheitsprinzip
