Schalenmodell (Atomphysik)

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Das Schalenmodell ist in der Atomphysik eine Modellvorstellung vom Aufbau der Atomhülle (Elektronenhülle) von Atomen. Das Schalenmodell ist eine Erweiterung des Bohrschen Atommodells und eine Vereinfachung des Orbitalmodells:

  • Elektronen kreisen um den Atomkern ähnlich wie im Bohrschen Atommodell und
  • der Aufenthaltsort eines Elektrons ist nur durch eine Wahrscheinlichkeitsfunktion – die Wellenfunktion als Lösung der Schrödingergleichung – beschreibbar. Die Wellenfunktion kann wie im Orbitalmodell durch Wahrscheinlichkeitswolken oder -schalen veranschaulicht werden.

Nach diesem Modell sind die Elektronen in der Atomhülle in Schalen angeordnet, anschaulich etwa wie die Schalen einer Zwiebel. Die Schalen sind räumliche Aufenthaltsbereiche für Elektronen mit jeweils ähnlicher Bindungsenergie. Die innerste, dem Atomkern nächstgelegene Schale wird K-Schale genannt und enthält maximal zwei Elektronen; auf der nächsten Schale, der L-Schale, werden maximal acht Elektronen gefunden.

Die weiter außen liegenden Schalen können zwar mehr als acht Elektronen enthalten, bei den Hauptgruppen-Elementen spielen diese zusätzlichen Elektronen aber bezüglich der chemischen Eigenschaften so gut wie keine Rolle.

Es gibt außer diesem Schalenmodell des Atoms auch ein Schalenmodell für den Atomkern.

Eigenschaften der Elemente

Mit dem Schalenmodell der Atome lassen sich die unterschiedlichen Eigenschaften der Elemente gut erklären, da jedes Atom seine Edelgaskonfiguration anstrebt (acht Elektronen in äußerster Schale):

  • Alkalimetalle z. B. besitzen nur ein einziges Außenelektron (Valenzelektron) und können dieses daher besonders leicht abgeben (niedrige Ionisierungsenergie). Daher sind Alkalimetalle besonders reaktiv.
  • Den Halogenen andererseits fehlt nur ein Elektron für eine voll besetzte Außenschale, daher nehmen sie gern Elektronen von anderen Elementen auf (z. B. von Natrium) und sind ebenfalls sehr reaktiv. Nach der Aufnahme eines weiteren Elektrons in die äußere Atomschale erreichen sie somit die Edelgaskonfiguration.
  • Die Edelgase wiederum besitzen bereits eine voll besetzte Außenschale und zeigen daher überhaupt keine Neigung, chemische Reaktionen einzugehen.

Namen der Elektronenschalen

1912 führte Charles Glover Barkla, Professor für Physik am King’s College der University of London, die Bezeichnungen K und L für die inneren Elektronenschalen ein, weil man schon die Bezeichnungen A, B etc. für die Absorptionslinien des Sonnenlichts benutzt hatte. 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.

Schwächen des Atom-Schalenmodells

Es gibt Phänomene, die das atomare Schalenmodell nicht erklären kann. Dazu gehört vor allem die räumliche Gestalt der Moleküle. Warum hat z. B. das Methan (CH4) eine tetraederförmige Gestalt, oder warum ist das Wassermolekül gewinkelt? Diese Eigenschaften der Moleküle lassen sich mit dem VSEPR-Modell oder über Orbitale und Hybridorbitale erklären.

Literatur

  • W. Finkelnburg: Einführung in die Atomphysik. Springer Verlag, Berlin Heidelberg 1976.

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