Das Schalenmodell (oder auch Atommodell nach Bohr) begründet auf der Annahme, dass die Elektronen den Atomkern in bestimmten Abständen umkreisen. Diese Aufenthaltsräume werden Schalen genannt. Sie werden ausgehend vom Atomkern K-, L-, M-, N- Schale usw. bezeichnet.
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1912 führte C. Barkla, Professor für Physik am King’s College der University of London, die Bezeichnungen K und L für die inneren Elektronenschalen ein. Weil Barkla dachte, dass man noch viele Absorptionslinien finden würde, fing er mit der Bezeichnung der Elektronenschalen in der Mitte des Alphabets an, bei K.
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Der dänische Physiker Niels Bohr
(1885 - 1963) erhielt im Jahr 1921 den Nobelpreis der Physik für die Entwicklung des Bohr’schen Atommodells.
In seinem Labor stellte er Folgendes fest: Erhitzt man Wasserstoffatome, so strahlen sie elektromagnetische Wellen mit einer ganz bestimmten und immer gleichen Wellenlänge ab.
Er folgerte daraus, dass die Elektronen den Atomkern in ganz bestimmten Abständen umkreisen müssten.
Das Bohr’sche Schalenmodell war geboren.
Quelle: AB Lagrelius & Westphal, Wikimedia Commons
Besetzung der Schalen
Bei der Besetzung der Elektronenbahnen gilt:
- Die Anzahl der Elektronen in ungeladenen Atomen beträgt die der Protonen im Kern (Ionen bilden hier eine Ausnahme). Beispiel: Ein Natriumatom hat 11 Protonen und 11 Elektronen.
- Prinzip der geringsten Energie: Die erste Bahn wird zuerst besetzt, dann erst die zweite. Beispiel: Kohlenstoff hat 2 Elektronen auf der K-Schale und 4 auf der L-Schale.
- Auf der äußersten Schale befinden sich maximal 8 Elektronen (=Oktettregel).
- Für die K-, L- und M-Schale gilt: Die maximale Anzahl der Elektronen pro Schale ergeben sich aus der Formel (n= Schalenzahl).
Daraus ergibt sich folgendes Prinzip:
Schale | Schalenzahl | Maximale Elektronenzahl |
|---|---|---|
K-Schale | erste Schale n=1 | 2 |
L-Schale | zweite Schale n=2 | 8 |
M-Schale | dritte Schale n=3 | 18 |
Ab N-Schale | vierte Schale n=4 | 32 |
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Die Oktettregel ist eine klassische Regel der Chemie. Sie besagt, dass die Elektronenkonfiguration von Atomen maximal acht äußere Elektronen (Valenzelektronen) beträgt. Die Atome sind bestrebt, diese äußerste Schale mit den acht Elektronen zu füllen. Die Oktettregel ist damit ein Spezialfall der Edelgasregel.
Quantensprünge
Jede Schale entspricht einem bestimmtem Energieniveau. Je weiter ein Elektron vom Kern entfernt ist, desto energiereicher ist es.
Regt man Atome durch Energiezufuhr an, so springen die Elektronen auf ein höheres Energieniveau (nach Bohr auf eine äußere Schale, über die "verbotene Zone" hinweg).
Beim Rücksprung geben die Elektronen die vorher aufgenommene Energie in Form von Strahlung (wie beispielsweise Licht) wieder ab. Diesen Rücksprung bezeichnet man als Quantensprung.
Je größer die Rücksprungweite, desto energiereicher ist das Licht.
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Quelle: Horst Frank, CC BY-SA 3.0, Wikimedia Commons
Das Licht, was du wahrnimmst, wenn draußen die Sonne scheint oder du deine Schreibtischlampe anschaltest, sind eigentlich elektromagnetische Wellen mit unterschiedlichen Wellenlängen.
Das für uns sichtbare Licht hat eine Wellenlänge von 750 Nanometern (Rot) bis 400 Nanometern (Lila).
Je größer die Wellenlänge, desto energieärmer ist das Licht. Dementsprechend ist ein Licht mit sehr kleiner Wellenlänge sehr energiereich.
Das merkst du selber, wenn du zu lange in der Sonne gewesen bist. Dein Körper hat einen Sonnenbrand von dem sehr energiereichen UV - Licht (Ultraviolettes Licht) bekommen. Wie du in der Abbildung oben sehen kannst, hat UV - Licht eine eher geringe Wellenlänge von unter 400 Nanometern.
In den 1920er Jahren wurde das Schalenmodell von der Orbitaltheorie abgelöst. Das Schalenmodell lässt sich gut auf Wasserstoffatome anwenden, stößt bei schwereren Atomen allerdings auf seine Grenzen. Obwohl die Elektronen in der Realität nicht auf definierten Bahnen um den Atomkern kreisen, wird das Schalenmodell dennoch oft für Erklärungen herangezogen.