Thomsons Atommodell - Chemie
Thomsons Atommodell - Chemie
Einleitung
Das Thomsonsche Atommodell war ein wichtiger Schritt auf dem Weg zu unserem heutigen Verständnis des Atoms. Es wurde von dem britischen Physiker Joseph John Thomson entwickelt. Thomson hatte 1897 durch Experimente mit Kathodenstrahlen gezeigt, dass Atome kleinere, negativ geladene Teilchen enthalten: die Elektronen.
Vorher stellte man sich Atome häufig als unteilbare Kugeln vor. Thomson erkannte dagegen: Ein Atom besitzt eine innere Struktur. In seinem Modell sind die Elektronen in einer gleichmäßig verteilten positiven Ladung eingebettet. Wegen dieses Bildes wird es auch Rosinenkuchenmodell oder Plumpuddingmodell genannt.
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Joseph John Thomson untersuchte den Aufbau der Materie und wies das Elektron experimentell nach.
In diesem aiMOOC lernst Du, wie Thomson zu seinem Modell kam, was das Modell erklären konnte und warum es später durch das Rutherford-Modell ersetzt wurde.
Lernziele
Nach der Bearbeitung kannst Du:
- Kathodenstrahlen als Ströme negativ geladener Teilchen beschreiben.
- den Aufbau von Thomsons Atommodell erklären und zeichnen.
- erläutern, warum ein Atom nach Thomson insgesamt elektrisch neutral ist.
- Stärken und Grenzen des Modells beurteilen.
- erklären, warum der Rutherfordsche Streuversuch zu einem neuen Atommodell führte.
Vom unteilbaren Atom zur inneren Struktur
Im Daltonschen Atommodell wurden Atome als kleinste, unteilbare Kugeln betrachtet. Dieses Modell half dabei, chemische Reaktionen und feste Zahlenverhältnisse zu erklären. Es sagte jedoch nichts über einen inneren Aufbau des Atoms aus.
Gegen Ende des 19. Jahrhunderts untersuchten Forschende elektrische Entladungen in Glasröhren mit stark vermindertem Gasdruck. Dabei entstanden Strahlen, die von der negativ geladenen Elektrode ausgingen. Diese Elektrode heißt Kathode. Deshalb wurden die Strahlen Kathodenstrahlen genannt.
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Eine historische Kathodenstrahlröhre aus Thomsons Forschungsumfeld.
Die Kathodenstrahlröhre
Eine Kathodenstrahlröhre besteht vereinfacht aus einer weitgehend luftleeren Glasröhre, einer Kathode, einer positiv geladenen Anode und einer hohen elektrischen Spannung. Zwischen den Elektroden entsteht ein Strahl, der auf einem Leuchtschirm sichtbar gemacht werden kann.
Schematische Darstellung der Ablenkung eines Kathodenstrahls durch ein elektrisches Feld.
Thomson beobachtete, dass sich der Strahl durch elektrische und magnetische Felder ablenken ließ. Bei einem elektrischen Feld wurde er zur positiv geladenen Seite hingezogen und von der negativ geladenen Seite abgestoßen. Daraus folgte: Die Teilchen im Strahl tragen eine negative elektrische Ladung.
Die Ablenkung zeigt, dass Kathodenstrahlen aus geladenen Teilchen bestehen.
Thomsons Schlussfolgerungen
Thomson führte seine Versuche mit verschiedenen Gasen und unterschiedlichen Materialien für die Kathode durch. Das Verhältnis von Ladung zu Masse blieb dabei gleich. Daraus schloss er, dass die Teilchen nicht nur zu einem bestimmten Stoff gehören. Sie mussten Bestandteile aller Atome sein.
Diese Teilchen wurden später Elektronen genannt. Die Entdeckung bedeutete, dass Atome entgegen der älteren Vorstellung doch teilbar und aus kleineren Bestandteilen aufgebaut sind.
Das experimentell untersuchte Verhältnis lässt sich vereinfacht so schreiben:
Dabei steht für die elektrische Ladung und für die Masse des Teilchens. Thomson bestimmte nicht zuerst Ladung und Masse getrennt, sondern ihr Verhältnis.
Aufbau von Thomsons Atommodell
Thomson entwickelte sein Atommodell 1903 und veröffentlichte die zugehörigen Vorstellungen 1904. Das Modell enthält zwei zentrale Bestandteile:
- Eine Kugel aus gleichmäßig verteilter positiver Ladung bildet den größten Teil des Atoms.
- Negativ geladene Elektronen sind in dieser positiven Ladung verteilt.
Die kleinen negativen Ladungen stellen Elektronen dar. Die positive Ladung ist über das gesamte Atom verteilt.
In diesem Modell gibt es noch keinen kleinen Atomkern. Die positive Ladung befindet sich nicht an einem einzigen Ort, sondern füllt das Volumen des Atoms aus. Die Elektronen liegen darin ähnlich wie Rosinen in einem Kuchen.
Eine weitere schematische Darstellung des Rosinenkuchenmodells.
Warum ist das Atom neutral?
Ein Elektron trägt eine negative Ladung. Die positive Grundladung des Atoms gleicht die Summe der negativen Elektronenladungen aus. Deshalb erscheint das Atom nach außen elektrisch neutral.
Vereinfacht gilt:
Ein Atom ist also neutral, wenn die positive und die negative Gesamtladung gleich groß sind. Verliert oder gewinnt ein Atom Elektronen, entsteht ein elektrisch geladenes Ion.
Was konnte das Modell erklären?
Thomsons Atommodell war trotz seiner später erkannten Fehler ein großer Fortschritt. Es verband mehrere Beobachtungen zu einer gemeinsamen Vorstellung.
| Beobachtung | Erklärung im Thomson-Modell |
|---|---|
| Atome enthalten Elektronen. | Elektronen sind Bestandteile des Atoms. |
| Elektronen sind negativ geladen. | Sie befinden sich in einer positiven Grundladung. |
| Materie ist meist elektrisch neutral. | Positive und negative Ladungen gleichen sich aus. |
| Elektronen können aus Atomen herausgelöst werden. | Die Elektronen sind kleinere Bestandteile eines Atoms. |
Das Modell zeigte außerdem, wie naturwissenschaftliche Erkenntnis entsteht: Beobachtungen führen zu einem Modell, das anschließend durch weitere Experimente geprüft wird.
Grenzen des Thomson-Modells
Das Modell konnte nicht alle Versuchsergebnisse erklären. Besonders wichtig war der Streuversuch von Hans Geiger, Ernest Marsden und Ernest Rutherford.
Bei diesem Versuch wurden positiv geladene Alphateilchen auf eine dünne Metallfolie geschossen. Nach dem Thomson-Modell hätte die gleichmäßig verteilte positive Ladung nur schwache Ablenkungen verursachen dürfen. Tatsächlich wurden einige wenige Alphateilchen stark abgelenkt oder sogar zurückgeworfen.
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Links ist die Erwartung nach dem Thomson-Modell dargestellt. Rechts sind die beobachteten starken Ablenkungen zu sehen.
Aus den Ergebnissen folgte: Die positive Ladung und fast die gesamte Masse des Atoms müssen in einem sehr kleinen Bereich konzentriert sein. Dieser Bereich wurde als Atomkern beschrieben. Damit war die gleichmäßige Verteilung der positiven Ladung widerlegt.
Weitere Schwierigkeiten des Thomson-Modells waren die unzureichende Erklärung der Stabilität von Atomen und die fehlende Erklärung der beobachteten Linienspektren.
Vom Thomson-Modell zu späteren Atommodellen
Thomsons Modell war nicht einfach „nutzlos“, nur weil es später ersetzt wurde. Es führte erstmals Elektronen als innere Bestandteile des Atoms in ein anschauliches Modell ein. Spätere Modelle übernahmen diese Erkenntnis und ergänzten oder veränderten den Aufbau.
Atommodelle wurden durch neue Experimente schrittweise weiterentwickelt.
| Modell | Grundvorstellung | Neue Aussage |
|---|---|---|
| Dalton-Modell | Atome sind unteilbare Kugeln. | Verschiedene Elemente besitzen verschiedene Atomsorten. |
| Thomson-Modell | Elektronen liegen in einer positiv geladenen Kugel. | Atome besitzen eine innere Struktur. |
| Rutherford-Modell | Ein kleiner positiver Kern ist von Elektronen umgeben. | Positive Ladung und Masse sind im Kern konzentriert. |
| Bohr-Modell | Elektronen besitzen bestimmte erlaubte Energien. | Spektrallinien können besser erklärt werden. |
| Orbitalmodell | Elektronen werden durch Aufenthaltswahrscheinlichkeiten beschrieben. | Das Verhalten der Elektronen wird quantenmechanisch erklärt. |
Bedeutung für die Chemie
In der Chemie ist die Entdeckung des Elektrons besonders wichtig. Elektronen bestimmen, wie Atome miteinander reagieren und chemische Bindungen bilden. Auch wenn das Thomson-Modell selbst heute überholt ist, bereitete es den Weg für Modelle der Atomhülle, der Valenzelektronen und der Bindungslehre.
Das Beispiel zeigt außerdem, dass ein naturwissenschaftliches Modell keine perfekte Kopie der Wirklichkeit ist. Ein Modell hebt ausgewählte Merkmale hervor, erklärt Beobachtungen und macht überprüfbare Vorhersagen. Werden diese Vorhersagen widerlegt, muss das Modell verändert oder ersetzt werden.
Zusammenfassung
Thomson wies 1897 nach, dass Kathodenstrahlen aus negativ geladenen Teilchen bestehen. Diese Elektronen sind Bestandteile aller Atome. In seinem Atommodell nahm er eine gleichmäßig positiv geladene Kugel an, in der die Elektronen verteilt sind. Dadurch konnte er die elektrische Neutralität des Atoms anschaulich erklären.
Das Modell enthielt jedoch keinen Atomkern. Die starken Ablenkungen beim Rutherfordschen Streuversuch zeigten, dass positive Ladung und Masse in einem kleinen Kern konzentriert sein müssen. Das Thomson-Modell wurde deshalb durch das Kern-Hülle-Modell ersetzt.
Merksatz: Thomsons Atommodell machte das Atom erstmals zu einem zusammengesetzten Teilchen, verteilte die positive Ladung aber noch fälschlich über das ganze Atom.
Interaktive Aufgaben
Quiz: Teste Dein Wissen
Welche Aussage beschreibt Thomsons Atommodell? (Elektronen sind in einer gleichmäßig positiv geladenen Kugel verteilt) (!Elektronen bewegen sich auf festen Schalen um einen kleinen Kern) (!Atome bestehen nur aus positiv geladenen Teilchen) (!Der Atomkern enthält die gesamte negative Ladung)
Welche Teilchen wies Thomson mit Kathodenstrahlversuchen nach? (Elektronen) (!Protonen) (!Neutronen) (!Alphateilchen)
Welche elektrische Ladung besitzen Elektronen? (Eine negative Ladung) (!Eine positive Ladung) (!Keine Ladung) (!Eine wechselnde Ladung)
Warum heißt das Modell auch Rosinenkuchenmodell? (Die Elektronen liegen wie Rosinen in einer positiven Grundmasse) (!Die Atome wurden mit getrockneten Früchten nachgewiesen) (!Der Atomkern besitzt die Form eines Kuchens) (!Die Elektronen bestehen aus Zucker)
Was zeigte die Ablenkung des Kathodenstrahls im elektrischen Feld? (Der Strahl besteht aus geladenen Teilchen) (!Der Strahl besteht nur aus Licht) (!Der Strahl besitzt keine Masse) (!Der Strahl wird durch Schwerkraft erzeugt)
Warum ist ein Atom im Thomson-Modell nach außen neutral? (Positive und negative Ladungen gleichen sich aus) (!Ein Atom enthält überhaupt keine Ladungen) (!Elektronen verlieren im Atom ihre Ladung) (!Die Kathode nimmt alle Ladungen auf)
Welcher Bestandteil fehlt im Thomson-Modell? (Ein kleiner positiv geladener Atomkern) (!Negativ geladene Elektronen) (!Eine positive Ladung) (!Eine räumliche Ausdehnung)
Welche Beobachtung widersprach dem Thomson-Modell besonders deutlich? (Einige Alphateilchen wurden stark zurückgestreut) (!Kathodenstrahlen erzeugten einen Leuchtfleck) (!Elektronen wurden von einer positiven Platte angezogen) (!Atome waren insgesamt elektrisch neutral)
Welche Erkenntnis blieb auch nach der Widerlegung des Modells gültig? (Atome enthalten Elektronen) (!Die positive Ladung ist gleichmäßig verteilt) (!Atome besitzen keinen Kern) (!Elektronen haben eine positive Ladung)
Welche Aufgabe erfüllt ein naturwissenschaftliches Modell? (Es erklärt Beobachtungen und ermöglicht überprüfbare Vorhersagen) (!Es bildet die Wirklichkeit immer vollständig ab) (!Es darf durch Experimente nicht verändert werden) (!Es ersetzt jede weitere Untersuchung)
Memory
| Kathodenstrahl | Strom negativ geladener Teilchen |
| Elektron | Negativ geladener Bestandteil des Atoms |
| Positive Grundladung | Gleichmäßig verteilte Ladung im Modell |
| Rosinenkuchenmodell | Bildlicher Name für Thomsons Vorstellung |
| Streuversuch | Experiment zur Prüfung der Ladungsverteilung |
| Ladungsneutralität | Ausgleich positiver und negativer Ladung |
Drag and Drop
| Ordne die richtigen Begriffe zu. | Thema |
|---|---|
| Elektron | Negativ geladenes Teilchen |
| Kathode | Ausgangselektrode des Kathodenstrahls |
| Positive Grundladung | Im ganzen Atomvolumen verteilt |
| Rosinenkuchenmodell | Anschaulicher Name des Thomson-Modells |
| Atomkern | Im Thomson-Modell noch nicht vorhanden |
Kreuzworträtsel
| Elektron | Welches negativ geladene Teilchen wies Thomson nach? |
| Kathode | Von welcher Elektrode geht der Kathodenstrahl aus? |
| Thomson | Welcher Forscher entwickelte das Rosinenkuchenmodell? |
| Ladung | Welche physikalische Eigenschaft kann positiv oder negativ sein? |
| Atomkern | Welcher Bestandteil fehlte in Thomsons Modell? |
| Streuung | Welcher Vorgang wurde beim Rutherford-Versuch untersucht? |
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Lückentext
Offene Aufgaben
Leicht
- Modellzeichnung: Zeichne Thomsons Atommodell und beschrifte positive Grundladung und Elektronen.
- Begriffskarte: Gestalte eine Begriffskarte mit Kathode, Kathodenstrahl, Elektron, Ladung und Atommodell.
- Bildanalyse: Beschreibe anhand eines Bildes der Kathodenstrahlröhre, welche Bauteile Du erkennst und welche Aufgaben sie haben.
- Merksatz: Formuliere einen eigenen Merksatz, der Aufbau und wichtigste Schwäche des Thomson-Modells zusammenfasst.
Standard
- Erklärvideo: Produziere ein einminütiges Erklärvideo zum Rosinenkuchenmodell mit einer selbst gestalteten Skizze.
- Modellvergleich: Erstelle ein Plakat, das Dalton-, Thomson- und Rutherford-Modell miteinander vergleicht.
- Versuchsprotokoll: Verfasse ein vereinfachtes Versuchsprotokoll zu Thomsons Kathodenstrahluntersuchung mit Frage, Beobachtung und Deutung.
- Wissenschaftsgeschichte: Gestalte eine Zeitleiste von der Entdeckung des Elektrons bis zum Rutherford-Modell.
Schwer
- Streuversuch: Erkläre mit zwei Skizzen, welche Ablenkungen nach Thomson erwartet wurden und welche tatsächlich beobachtet wurden.
- Modellkritik: Bewerte das Thomson-Modell nach den Kriterien Anschaulichkeit, Erklärungskraft, Vorhersagekraft und Grenzen.
- Simulation: Entwickle mit Kugeln, Magneten oder einer digitalen Präsentation ein Modell, das gleichmäßig verteilte und konzentrierte positive Ladung vergleicht.
- Forschungsdebatte: Inszeniere ein Streitgespräch zwischen Thomson und Rutherford über den inneren Aufbau des Atoms.
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Lernkontrolle
- Experiment und Deutung: Erkläre, weshalb die Ablenkung des Kathodenstrahls allein noch kein vollständiges Atommodell liefert und welche zusätzliche Annahme Thomson treffen musste.
- Modellvergleich: Vergleiche Thomson- und Rutherford-Modell hinsichtlich der Verteilung von Masse und positiver Ladung.
- Vorhersage: Leite aus Thomsons Modell ab, wie Alphateilchen eine dünne Metallfolie durchqueren müssten.
- Widerlegung: Begründe, warum wenige starke Rückstreuungen wichtiger für die Modellprüfung waren als die vielen nahezu geradlinig durchgehenden Teilchen.
- Transfer: Erkläre an einem selbst gewählten Beispiel, warum ein widerlegtes Modell trotzdem wissenschaftlich wertvoll sein kann.
- Chemischer Bezug: Zeige, welche Bedeutung die Entdeckung des Elektrons für das Verständnis von Ionen und chemischen Bindungen besitzt.
Lernnachweis
Für einen Lernnachweis zu diesem Thema ist wichtig:
- Du kannst den Aufbau einer Kathodenstrahlröhre vereinfacht erklären.
- Du kannst Beobachtung und Deutung im Thomson-Experiment unterscheiden.
- Du kannst Thomsons Atommodell fachsprachlich beschreiben und zeichnen.
- Du kannst die elektrische Neutralität des Atoms begründen.
- Du kannst Stärken und Grenzen des Modells nennen.
- Du kannst erklären, wie der Rutherford-Versuch zu einem neuen Atommodell führte.
- Du kannst zeigen, dass naturwissenschaftliche Modelle durch Experimente geprüft und weiterentwickelt werden.
OERs zum Thema
Wikimedia Commons: Thomson model
Wikimedia Commons: Kathodenstrahlröhren
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