Von starren Kugeln zu wirbelnden Wolken – Atommodelle im Überblick

Das Kern-Hülle-Modell der Atome in der Chemie

Wie lässt sich die kovalente Bindung mit dem Atommodell erklären? Welches Modell hat Rutherford entwickelt? Im folgenden Text werden genau diese Fragen beantwortet.

Was besagt das Kern-Hülle-Modell von Rutherford?

Der Physiker Ernest Rutherford entwickelte das Kern-Hülle-Modell (Rutherford-Atommodell). Der Atomaufbau kennzeichnet sich dabei so: Ein Atom besteht aus den negativen Elektronen und den positiven Protonen. Einfach erklärt besagt das Kern-Hülle-Modell nach Rutherford, dass ein Atom aus einer Atomhülle und einem Atomkern besteht. In der folgenden Abbildung kannst du dir ansehen, wie sich Rutherford das Kern-Hülle-Modell vorgestellt hat:

Mit dem Rutherford-Atommodell lässt sich die Entstehung chemischer Bindungen gut erklären.

Wie entwickelte Ernest Rutherford das Kern-Hülle-Modell?

Der Physiker Rutherford experimentierte mit einer Goldfolie im Jahr 1910. Doch wie kam Rutherford zu seinen Erkenntnissen? Bei dem Streuversuch schoss Rutherford $\alpha$-Teilchen auf eine sehr dünne Goldfolie. Diese $\alpha$-Teilchen sind zweifach positiv geladen und sehr klein. Die meisten der $\alpha$-Teilchen flogen direkt durch die Goldfolie hindurch. Das stimmte mit dem bis dahin geltenden Thomson-Atommodell überein. Doch einige $\alpha$-Teilchen wurden reflektiert und abgelenkt. Das konnte wiederum nicht mit dem Thomson-Modell erklärt werden. So entwickelte Rutherford ein neues Atommodell: das Kern-Hülle-Modell.

Die Bedeutung des neuen Modells: Das Kern-Hülle-Modell hatte eine riesengroße Bedeutung für das Verständnis der chemischen Bindung. Man wollte immer gerne wissen, wie Atome zusammengehalten werden. Die verschiedenen Bindungsarten konnten mit diesem Modell gut erklärt werden.

Kern-Hülle-Modell Aufbau – Atomkern und Atomhülle

Im Folgenden wird das Kern-Hülle-Modell beschrieben. Nach Rutherford besteht ein Atom aus einem Atomkern und einer Atomhülle, die fast leer ist. Der Atomkern ist elektrisch positiv geladen. In der Atomhülle sind negativ geladene Elektronen, die schnell um den Atomkern kreisen. Aufgrund der hohen Geschwindigkeit der Elektronen nahm Rutherford an, dass die Elektronen nicht in den positiven Atomkern stürzen.

Nehmen wir einmal an, der Atomkern hätte die Größe einer Murmel. Dann hätte die Atomhülle die Ausmaße eines Fußballfelds. Die Masse eines Atoms ist im Atomkern konzentriert, dabei ist die Masse eines Protons 1 836-mal größer als die Masse eines Elektrons. Wie wir heute wissen, befinden sich im Kern auch noch Neutronen. Ein Neutron ist dabei noch etwas schwerer – es ist 1 839-mal schwerer als ein Elektron. Die Elektronen bewegen sich um den Atomkern. Dabei ist ihre Geschwindigkeit sehr, sehr groß.

Was sind Elektronen, Neutronen und Protonen?

Die Eigenschaften der Teilchen im Atom kannst du dir in der folgenden Tabelle ansehen:

Was sind Elektronen?

Elektronen sind negativ geladene Teilchen. Die Elektronen bewegen sich auf Kreisbahnen in der Atomhülle immer wieder um den Atomkern. Du kannst dir das wie bei unserem Sonnensystem vorstellen: Dort bewegen sich die Planten auch auf Kreisbahnen um die Sonne.

Was sind Protonen?

Protonen sind positiv geladene Teilchen und befinden sich ganz dicht gepackt im Atomkern. Dabei liegen genauso viele Protonen wie Elektronen in einem Atom vor. Aber Moment mal: Würden sich nicht eigentlich zwei positive Ladungen voneinander abstoßen, wenn sie sich zu nahe kommen? Im Atomkern stoßen sich die Protonen aber nicht ab. Wie kommt es dazu? Das liegt daran, dass sich im Atomkern auch die Neutronen befinden. Diese haben keine Ladung. Deswegen stoßen sich die Protonen nicht voneinander ab.

Was sind Neutronen?

Neutronen sind neutral geladene Teilchen. Sie befinden sich zwischen den Protonen und verhindern so eine Abstoßung der Protonen.

Eine Ausnahme gibt es: Das Wasserstoffatom besitzt keine Neutronen, weil es nur ein Proton besitzt. Es kann beim Wasserstoffatom im Atomkern also zu keiner Abstoßung kommen, sodass auch keine Neutronen notwendig sind.

Was kann das Kern-Hülle-Modell nicht erklären?

Was sind die Grenzen des Kern-Hülle-Modells? Die Stabilität des Atoms kann mit dem Kern-Hülle-Modell nach Rutherford nicht erklärt werden. Das Modell erklärt nicht, wie sich die Elektronen in der Atomhülle verhalten und warum die Elektronen zum Beispiel nicht einfach vom positiven Atomkern angezogen werden und somit in den Kern stürzen.
Bewegen sich die Elektronen auf kreisförmigen oder elliptischen Bahnen um den Atomkern, dann treten Radialbeschleunigungen auf. Beschleunigte Elektronen senden somit elektromagnetische Wellen aus und müssten nach dem Energieerhaltungssatz Energie verlieren und damit allmählich in den Atomkern stürzen. Das machen sie aber nicht.
Außerdem war bekannt, dass jedes Element charakteristische Spektrallinien aussendet. Die Entstehung dieser Spektrallinien konnte jedoch mit dem rutherfordschen Atommodell nicht gedeutet werden.

Es war bald klar, dass mit dem rutherfordschen Atommodell nicht alle Fragen beantwortet werden konnten. Im Jahr 1913 entwickelte Niels Bohr für das Wasserstoffatom ein Kern-Hülle-Modell (bohrsches Atommodell), bei dem sich die Elektronen auf festen Kreisbahnen um den Atomkern bewegen. Dieses sogenannte Schalenmodell stellte also eine Weiterentwicklung des Kern-Hülle-Modells von Rutherford dar.

Kugelwolkenmodell und Orbitalmodell

Eine Erweiterung des bohrschen Schalenmodells ist das Kugelwolkenmodell. Hierbei wird berücksichtigt, dass Elektronen nicht als feste, punktförmige Teilchen anzusehen sind, sondern auch Eigenschaften einer Welle haben – ihr genauer Aufenthaltsort (und damit die Ladungsverteilung) kann nicht exakt bestimmt werden, sondern nur mit einer Aufenthaltswahrscheinlichkeit in einem bestimmten Bereich – einer kugelförmigen Wolke – angegeben werden.
Das Kugelwolkenmodell ist vor allem hilfreich, um die Atombindung, also die kovalente Bindung zu verdeutlichen, die durch die Außenelektronen von zwei oder mehr Atomen gebildet wird.
Im modernen Orbitalmodell werden die kugelförmigen Wolken noch weiter spezifiziert und als Orbitale bezeichnet. Diese können unterschiedliche Formen haben und sind mit bestimmten Energiezuständen verknüpft. Mit unterschiedlichen Orbitalen können die räumlichen Aufenthaltswahrscheinlichkeiten und Energieniveaus aller Elektronen in der Atomhülle eines Atoms – oder auch in einem Molekül – abgebildet werden.
Im Orbitalmodell (und im Kugelwolkenmodell) spricht man nicht mehr von festen Bahnen oder Schalen, sondern von einer Überlagerung von Elektronenwolken, die den Atomkern (oder mehrere Atome) umgeben.

Die Elektronenwolke

Die Elektronenwolke dient der bildlichen Vorstellung des Aufenthaltsraums von zwei Elektronen und bezieht sich auf das Kugelwolkenmodell. Die Vorstellung ähnelt dem bohrschen Atommodell mit seinen Elektronenschalen, die um den Kern angeordnet sind. Diese werden nun durch kugelförmige Elektronenwolken besetzt, in die maximal zwei Elektronen passen.
Mit wachsender Entfernung zum Atomkern passen immer mehr Elektronenwolken auf eine Schale. Die Anzahl der Elektronen, die auf die $n$-te Schale passen, berechnet sich nach der Formel $2\,n^{2}$.
Jede Elektronenwolke wird aufgrund der gegenseitigen Abstoßung der Elektronen zunächst einzeln besetzt und erst dann paarweise. Wie viele Elektronenwolken auf eine Schale passen, hängt von der Größe der Schale und damit von der Entfernung zum Atomkern ab.
Eine genauere Vorstellung der tatsächlichen Form und Anordnung der Elektronenwolken um ein Atom liefert das Orbitalmodell. Kugelwolkenmodell und Orbitalmodell eignen sich zur Erklärung von Atombindungen und der Molekülstruktur bzw. dem Molekülbau.
Sie liefern eine detailliertere Beschreibung der Atomhülle, stellen also eine Erweiterung und keinen Widerspruch zum Kern-Hülle-Modell dar.