Atomhypothese

Die griechischen Philosophen Leukipp und Demokrit formulierten im 5. Jahrhundert vor Christus bereits den Gedanken, dass alles in der Welt aus kleinsten unteilbaren Teilchen, den Atomen (griech. atomos: „ungeschnitten, unteilbar“), aufgebaut sein muss und dass es sonst nur „Leere“ gebe. In den darauf folgenden Jahrtausenden wurden viele weitere Theorien über die Zusammensetzung der Materie entwickelt, von denen sich zunächst jedoch keine zwingend durchsetzen konnte.

Erste Gesetzmäßigkeiten

Die ersten quantitativen Zusammenhänge in der Atomistik erkannte der Engländer Dalton und formulierte für chemische Reaktionen das Gesetz von der Erhaltung der Masse, das Gesetz der konstanten Proportionen und das Gesetz der multiplen Proportionen .

Avogadro stellte die Hypothese auf, dass gleiche Gasvolumina bei gegebener Temperatur und gegebenem äußeren Druck die gleiche Anzahl von Molekülen enthalten. Eine erste Abschätzung für diese Konstante wurde von Loschmidt mit $2\cdot {10}^{18}$ Molekülen pro ${\text{cm}}^3$ bei Normalbedingungen angegeben. Das entspricht einer Zahl von $4\cdot {10}^{23}$ Molekülen pro $\text{mol}$. Dabei ist $1\text{mol}$ die Stoffmenge eines Systems, das aus ebenso vielen Atomen, Molekülen oder Ionen besteht, die $12\text{g}$ des reinen Kohlenstoffisotops ${}^{12}\text{C}$ beinhalten. Genauere Messungen haben für die Avogadro-Konstante $N_A=\mathrm{6,}\text{02205}\cdot {\text{10}}^{\text{23}}$ Moleküle pro $\text{mol}$ ergeben. Indem man die Gewichte gleicher Stoffmengen mit Hilfe des Gesetzes der multiplen Proportionen von verschiedenen Elementen miteinander verglich, war es möglich, relative Atommassen $A_{\text{rel}}$ und eine atomare Masseneinheit $\text{u}$ einzuführen. Heute ist $1\text{u}$ definiert als $\frac{\text{1}}{\text{12}}$ der Masse eines neutralen Kohlenstoffatoms mit der Kernladungszahl 6 und der Massenzahl 12.

Durch die Kenntnis der Avogadro-Konstanten war es auch erstmals möglich, eine Abschätzung für die Größe eines Atoms zu erhalten.

Arbeitsauftrag

$1\text{kmol}$ Kupfer hat die Masse $\mathrm{63,5}\text{kg}$ . Die Dichte beträgt $\mathrm{8,9}\frac{\text{kg}}{{\text{dm}}^{\text{3}}}$ . Berechnen Sie die ungefähre Kantenlänge eines Elementarwürfels!

Abb.1

Zum „Elementarwürfel“

Man erhält für das molare Volumen $V_m$:$V_m=\frac{\mathrm{63,5}\text{kg / kmol}}{\mathrm{8,9}{\text{kg / dm}}^3}=\mathrm{7,1}\frac{{\text{dm}}^{\text{3}}}{\text{kmol}}\text{.}$ Nimmt man einmal vereinfachend an, dass die Kupferatome würfelförmig sind (siehe Abbildung), so erhält man das Volumen eines einzigen Atoms, indem man $V_m$ durch $N_A$ teilt, da sich in einem $1\text{kmol}$ $\mathrm{6,}\text{02205}\cdot {\text{10}}^{\text{26}}$ Moleküle befinden. Das Volumen eines einzigen Elementarwürfels ergibt sich dann zu $V_1=1.2\cdot {10}^{-29}{\text{m}}^{\text{3}}$. Für die Kantenlänge eines Elementarwürfels und damit für den ungefähren Atomdurchmesser folgt daraus $d=\sqrt[3]{\mathrm{1,2}\cdot {10}^{-29}{\text{m}}^3}=\mathrm{2,3}\cdot {10}^{-10}\text{m.}$

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Die Atomdurchmesser sind also von der Größenordnung ${10}^{-10}\text{m}$.

Elektrizität in den Atomen

Faraday fand mit seinen beiden Gesetzen der Elektrolyse einen Zusammenhang zwischen den elektrischen Eigenschaften von Elementen und ihrer relativen Atommasse. Dabei erwies sich, dass die elektrische Ladung gequantelt ist.J. J. Thomson entdeckte 1897, dass Atome doch nicht unteilbar sind, sondern dass man ihnen Teilchen negativer Elektrizität entreißen kann. Diese Teilchen wurden später Elektronen genannt.

Direkter Nachweis der Atome

Obwohl die von Dalton und Faraday erkannten Zusammenhänge auf die Existenz von Atomen schließen lassen, waren sie jedoch nur indirekte Hinweise. Ein direkter Beweis dafür, dass sich Materie aus Atomen zusammensetzt, gelang erst 1905 mit Hilfe der Brown'schen Bewegung. Einstein konnte mit einer theoretischen Arbeit, die die Atomhypothese als Grundlage hatte, als einziger die Temperaturabhängigkeit der Brown'schen Bewegung schlüssig erklären, woran zuvor alle anderen Erklärungsversuche gescheitert waren.