Das Bohrsche Atommodell ist wohl das bekannteste Atommodell überhaupt. Immer wieder sieht man Darstellungen, in denen kleine Elektronen auf kreisförmigen Bahnen um einen größeren Kern flitzen. Darum habe ich auch ein Bild dieses Modells als Titelbild meiner Atomphysik-Seite gewählt.
Trotz seiner weiten Bekanntheit muss man das Bohrsche Atommodell als veraltet betrachten. Niels Bohr selbst war an der Entwicklung der Quantenmechanik, die dieses Modell überflüssig machte, maßgeblich beteiligt. In einer historischen Betrachtung wie dieser darf das Bohrsche Modell jedoch auf keinen Fall fehlen und ich möchte hier kurz auf seine Eigenschaften und die Sommerfeldsche Erweiterung eingehen. Für die moderne Atomauffassung möchte ich auf die Seite zum Atomaufbau verweisen.
Von Rutherfords Streuversuchen war Bohr bekannt, dass Atome aus positiv elektrisch geladenen Kernen und negativ geladenen, sehr viel leichteren Elektronen bestehen. Die Anziehung zwischen den unterschiedlichen Ladungen folgt dabei gleichartigen Gesetzen, wie die Anziehung, die die Planeten unseres Sonnensystems durch die Sonne erfahren. Es war also eine naheliegende Annahme, dass die Elektronen auf ähnlichen Kreis- oder Ellipsenbahnen um den Atomkern fliegen sollten, wie die Planeten um die Sonne.
Aus der Elektrotechnik ist allerdings bekannt, dass eine im Kreis bewegte Ladung, ähnlich wie eine Antenne, elektromagnetische Wellen abstrahlt. Durch diese Strahlungsleistung würden die bewegten Elektronen sehr schnell alle ihre Energie in Form von Licht abstrahlen. Das Planetenatom könnte also nicht stabil sein und die Elektronen würden in den Atomkern stürzen.
Bohr löste dieses Problem, indem er postulierte, dass die Elektronen nur auf bestimmten Bahnen laufen können und dass Übergänge zwischen diesen Bahnen nur in Sprüngen möglich sind. Diese Postulate kann man mit klassischer Physik nicht erklären, sie haben ihre Berechtigung nur durch die Übereinstimmungen mit Beobachtungen.
Das bohrsche Atommodell war ein Versuch, das Vorhandensein von einzelnen Linien in den optischen Spektren von Atomen zu verstehen. Schon 1885 hatte Johann Jakob Balmer (1825-1898) gezeigt, dass die Linien der optischen Wasserstoffspektren einer einfachen Formel folgen. Diese Formel konnte das bohrsche Modell reproduzieren. Um die erlaubten Bahnen zu bestimmten, quantisierte Bohr zum ersten mal den Drehimpuls der Elektronen um den Kern. Für diese Quantisierung benutzte er die selbe Konstante, mit der Max Planck zuvor die Wärmestrahlung erfolgreich erklärt hatte.
Bohrs große Leistung bestand also darin, dass er die bekannte Balmer-Formel mit einem einfachen Bild erklären konnte und dabei zeigte, dass die Planck-Konstante eine universelle Bedeutung hat. Er ebnete damit den Weg für die moderne Quantenmechanik.
Die Drehimpuls-Quantisierung erwies sich später als fehlerhaft. So ist die einfachste Bewegung eines Elektrons keine Kreisbahn um den Kern, sondern ein Zustand der 1s-Orbital genannt wird. Dieses Orbital ist die quantenmechanische Annäherung an einem Elektron, das an der Postition des Kerns ruht.
Sieht man etwas genauer hin, so erkennt man, dass viele der Spektrallinien zusätzlich aufgespalten sind. Die erlaubten Elektronenbahnen müssen sich also durch irgend etwas unterscheiden, das nur einen geringen Energieunterschied ausmacht. Sommerfeld schlug darum vor, außer Kreisbahnen auch elliptische Bahnen zuzulassen. Diese sind etwa vergleichbar mit den Bahnen, die Meteoriten um die Sonne einnehmen. Stark elliptische Elekronenbahnen führen das Elektron mal dichter an den Kern und mal weiter weg. Sie haben ähnliche Energien, wie die Kreisbahnen.
Wie ich Anfangs erwähnte, ist das Bohrsche Modell veraltet. Es war ein erster Ansatz, den atomaren Aufbau zu verstehen aber hatte von anfang an ersichtliche Schwächen. Die grösste Schwäche war wohl, dass man die Quantisierung des Drehimpulses nicht wirklich erklären konnte. Sie war nur ein Postulat. Erst als die Wellennatur des Elektrons bekannt wurde, konnte man die Drehimpulsquantisierung erklären. Dabei erwies sich aber auch als falsch, dass der Zustand mit niedrigster Energie einen Drehimpuls von einem Wirkungsquantum hatte. Dieser Zustand hat keinen Drehimpuls.
Ein weiterer Schwachpunkt des Bohrschen Modells ist, dass es flache Atome vorhersagt. Wenn das Elektron den Kern auf einer Kreisbahn umläuft, müsste das Atom flach wie unser Sonnensystem sein. Tatsächlich haben Wasserstoffatome aber Kugelgestalt. Zuletzt muss man noch erwähnen, dass das Bohrsche Atommodell nur für Atome mit nur einem Elektron richtige Ergebnisse bringt. Schon ein Atom mit zwei Elektronen kann im Bohrschen Atommodell nicht mehr richtig beschrieben werden.
Die Kreis- und Ellipsenbahnen von Bohr und Sommerfeld kommen in der Realität nur als klassischer Grenzfall vor. Bei Atomen, die hoch angeregt sind. Diese Rydbergatome zeigen den Übergang von quantenmechanischen Zuständen zu klassischen Teilchenbahnen.
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Letzte Änderung: 23.08.2007