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Springende Elektronen

Die Geburt des Bohrschen Schalenmodells

Atommodell nach Bohr: Die Elektronen kreisen auf definierten Bahnen © MMCD

Anfang 1913 steht Niels Bohr vor mehr Fragezeichen als Antworten: Rutherfords Atommodell kann nicht erklären, warum die Elektronen in der Hülle nicht ständig Strahlung aussenden. Und warum die Elemente scharf abgegrenzte Spektrallinien aussenden ist ebenfalls völlig schleierhaft. Doch der junge Physiker hat einen Geistesblitz: Was wäre, wenn auch in der Welt der kleinsten Teilchen nicht die klassische Elektrodynamik gilt, sondern die gerade erst postulierten Quanten? Bohr beginnt, die Planckschen Prinzipien auf die Balmer-Serie des Wasserstoffs anzuwenden und stellt überraschende Parallelen fest.

Wie Planeten auf ihren Bahnen um die Sonne

Nach und nach kristallisiert sich ein völlig neues Bild des Atoms und seiner Elektronen heraus: Demnach kreisen die Elektronen nicht einfach ungeordnet und in beliebigem Abstand um den Atomkern, sondern in bestimmten Bahnen. „In diesem Bild sehen wir sofort eine erstaunliche Ähnlichkeit zu einem Planetensystem“, erklärt Bohr. Innerhalb dieser Bahnen befinden sich die Elektronen in einem stabilen Zustand, sie verlieren keine Energie und senden auch keine Strahlung aus. Ihre Bewegung steht in einem Gleichgewicht zur Kraft, die der Kern auf sie ausübt.

Jede Bahn des Elektrons entspricht nach Bohr einem anderen Energieniveau © MMCD

Anders aber, wenn beispielsweise dem Wasserstoffatom Energie zugeführt wird: Dann nimmt das Elektron diese Energie auf und wird dadurch von seinem Grundzustand auf eine weiter außen liegende – energiereichere – Bahn katapultiert. Nach einiger Zeit aber fällt es wieder in seinen ursprünglichen Zustand zurück. Die nun überschüssige Zusatzenergie gibt das Elektron dabei ab – als Strahlung. Und hier sieht Bohr die Erklärung für die Spektrallinien und die Verbindung zu Planck:

Das Elektron strahlt beim Rücksprung von einer höheren auf eine niedrigere Schale Energie in Form von Strahlung aus - dies erzeugt die typischen Spektrallinien der Elemente. © MMCD

Energiepakete auch beim Elektron

„Der essenzielle Punkt in Plancks Theorie der Strahlung ist es, dass die von einem Atomsystem ausgesendete Energie nicht kontinuierlich erfolgt, sondern im Gegenteil in klar getrennten Emissionen“, erklärt der Physiker. Und weil das Elektron seine Energie nur in bestimmten Paketen – den Quanten – abgeben kann, hat der abgegebene Lichtblitz immer eine feste Wellenlänge, entsprechend der abgegebenen Energiemenge. Statt eines allmählichen Übergangs sieht man dieses Lichtsignal im Spektrum daher als klar abgrenzte Linie.

Nun wird auch die Balmer-Serie des Wasserstoffs klar: Wenn das Elektron des Wasserstoffs je nach Energiezufuhr auf unterschiedlich weit außen liegende Bahnen katapultiert wird, fällt es bis zum energieärmsten Grundzustand jeweils unterschiedlich weit. Als Folge gibt es jeweils unterschiedliche Strahlenpakete ab – und diese erzeugen die verschiedenen Linien der Balmer-Serie.

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Nadja Podbregar
Stand: 21.06.2013

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In den Schlagzeilen

Inhalt des Dossiers

Als die Atome Schalen bekamen
100 Jahre Bohrsches Atommodell

Die Erfindung des Atoms
Demokrit und die unteilbaren Partikel

Eine Sorte pro Element
Daltons Modell der Atome

Kuchenteig oder Hülle?
Die Suche nach dem Sitz der Elektronen

Der junge Wilde
Niels Bohr und die etablierten "Atombauer"

Unteilbare Pakete
Die Entdeckung der Quanten

Springende Elektronen
Die Geburt des Bohrschen Schalenmodells

1913 und danach
Das Modell und seine Folgen

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