Quelltext der Seite Schalenmodell (Atomphysik)

{{Dieser Artikel|beschreibt das Schalenmodell für die Atomhülle. Für das Schalenmodell des Atomkerns siehe [[Schalenmodell (Kernphysik)]].}}
Das '''Schalenmodell''' ist ein [[Atommodell]], bei dem die [[Elektron]]en den [[Atomkern]] in konzentrischen Schalen umgeben. Der Aufenthaltsort eines Elektrons wird durch eine [[Wahrscheinlichkeitsfunktion]] modelliert. Die Amplitude dieser Funktion an einem bestimmten Ort ist proportional zur Aufenthaltswahrscheinlichkeit des Elektrons an diesem Ort. Das Schalenmodell ist damit eine Vereinfachung des [[Orbitalmodell]]s.

[[Datei:AtomRadialeDichte He, Ne,Ar.jpg|mini|Aufenthaltswahrscheinlichkeit der Elektronen in Abhängigkeit vom Abstand zum Kern bei Helium (1 Schale), Neon (2 Schalen), Argon (3 Schalen)<ref>{{Internetquelle |autor=LibreTexts |url=https://external-content.duckduckgo.com/iu/?u=https%3A%2F%2Ftse1.mm.bing.net%2Fth%3Fid%3DOIP.5zCjGnCMX-hWIsv9MbupygHaGF%26pid%3DApi&f=1 |titel= radial density distribution|werk= |hrsg=LibreTexts |datum= |zugriff=2020-10-31}}</ref>]]
Nach diesem Modell sind die Elektronen in der Atomhülle in Schalen angeordnet, anschaulich etwa wie die Schalen einer Zwiebel. Jede Schale ist der räumliche Aufenthaltsbereich von Elektronen mit ähnlichen [[Bindungsenergie]]n. Die innerste, dem Atomkern nächstgelegene Schale wird [[K-Schale]] genannt. Sie enthält maximal zwei Elektronen. Auf der nächsten Schale, der ''L-Schale'' finden maximal acht Elektronen Platz. Generell fasst die ''n''-te Schale 2·n<sup>2</sup> Elektronen.

Die Schalen sind nochmals untergliedert in „Unterschalen“ mit {{nowrap|1=2, 6, 10 …}} Elektronen. Für die  [[chemische Eigenschaft|chemischen Eigenschaften]] der [[Hauptgruppe]]nelemente ist vor allem die Zahl der Elektronen in den ersten beiden Unterschalen der äußersten Schalen entscheidend.

Die Anzahl der Schalen eines Elementes entspricht im [[Periodensystem der Elemente]] der Nummer der [[Periode des Periodensystems|Periode]]: Elemente der [[Chemische Elemente der ersten Periode|1. Periode]] haben [[Elektronenkonfiguration|eine Schale]], die der [[Chemische Elemente der zweiten Periode|2. Periode]] zwei Schalen, die der [[Chemische Elemente der dritten Periode|3. Periode]] drei Schalen usw.

== Eigenschaften der Elemente ==
Mit dem Schalenmodell der Atome lassen sich verschiedene Eigenschaften der Elemente gut erklären, da jedes Atom seine [[Edelgaskonfiguration]], acht Elektronen in der [[Außenschale]], „anstrebt“. Beispiele:
* [[Alkalimetalle]] besitzen nur ein einziges Außenelektron ([[Valenzelektron]]) und können dieses daher besonders leicht abgeben; d.&nbsp;h., ihre [[Ionisierungsenergie]] ist gering. Daher sind Alkalimetalle besonders [[Reaktivität (Chemie)|reaktiv]].
* Den [[Halogene]]n fehlt nur ein Elektron für eine voll besetzte Außenschale, daher nehmen sie leicht Elektronen von anderen Elementen auf (z.&nbsp;B. von [[Natrium]]) und sind dadurch ebenfalls sehr reaktiv.
* Die [[Edelgase]] besitzen bereits eine voll besetzte Außenschale und zeigen daher überhaupt keine „Neigung“, [[chemische Reaktion]]en einzugehen.

== Bezeichnung und maximale Elektronenanzahl der Elektronenschalen ==
1911 führte [[Charles Glover Barkla]] die Bezeichnungen K und L für die beiden Komponenten der [[charakteristische Röntgenstrahlung|charakteristischen Röntgenstrahlung]] an, die man damals nur anhand ihres Durchdringungsvermögens unterscheiden konnte. Die ersten Buchstaben A, B etc. des Alphabets waren schon lange für die [[Absorptionslinie]]n des [[Sonnenlicht]]s in Gebrauch, und Barkla wollte die Liste für die Röntgenstrahlung gegebenenfalls nach beiden Seiten verlängern können.<ref>{{Literatur |Autor=Charles G. Barkla |Titel=XXXIX. The spectra of the fluorescent Röntgen radiations |Sammelwerk=The London, Edinburgh, and Dublin Philosophical Magazine and Journal of Science |Band=22 |Nummer=129 |Datum=1911-09 |ISSN=1941-5982 |DOI=10.1080/14786440908637137 |Seiten=396–412 |Online=https://www.tandfonline.com/doi/full/10.1080/14786440908637137 |Abruf=2023-12-10}}</ref> 1913 führte [[Niels Bohr]] mit seinem [[Bohrsches Atommodell|Atommodell]] diskrete Energiezustände der Elektronen im Atom ein und nummerierte sie mit der [[Hauptquantenzahl]] <math>n=1,\;2,\, \ldots</math>. Nachdem über die Wellenlänge der Röntgenquanten ihre Energie gemessen werden konnte, stellt [[Walther Kossel]] 1914 fest, dass die K-Strahlung von dem Übergang eines Elektrons in den Zustand mit <math>n=1</math> herrührte.<ref>[[Walter Kossel]]: Bemerkung zur Absorption homogener Röntgenstrahlen. ''Verhandlungen der deutschen physikalischen Gesellschaft'', ''16'' (1914), 898–909.</ref> Nachdem ebenso die L-Strahlung zu <math>n=2</math> passte, erhielten die Bohrschen Energieniveaus neben der Hauptquantenzahl <math>n</math> die Namen K-, L-, ... Niveau. 1916 schloss Kossel aus dem gleichmäßigen Anwachsen der Röntgenenergien mit steigender Ordnungszahl, dass die Atome aller Elemente in ihrem inneren Aufbau ähnlich seien, während die ausgeprägten periodischen Unterschiede in ihrem chemischen Verhalten von ihren äußersten Elektronen bestimmt sind.<ref>[[Walther Kossel]]: ''Über Molekülbildung als Frage des Atombaus.'' Annalen der Physik Bd. 49, 1916, S. 229–362, [[doi:10.1002/andp.19163540302]].</ref> Für die Bohrschen Niveaus prägte er den Begriff ''Schale'' und nahm an, dass die Schalen mit steigender [[Ordnungszahl]] von unten her aufgefüllt werden, wobei jede Schale nur eine bestimmte Anzahl Elektronen aufnehmen könne, die bei den [[Edelgas]]en gerade erreicht sei. Ebenfalls 1916 erweiterte [[Arnold Sommerfeld]] das (ebene) Bohrsche Modell zum (räumlichen) [[Bohr-sommerfeldsches Atommodell|Bohr-Sommerfeldschen Atommodell]] und fand zwei weitere Quantenzahlen, mit denen die quantenmechanischen Zustände, die zu derselben Hauptquantenzahl gehören, einzeln bezeichnet und ihre Gesamtzahl zu <math>n^2</math> ermittelt werden konnten. Dass die Maximalzahl der Elektronen mit <math>2\cdot n^2</math> genau doppelt so groß ist, konnte an den Ordnungszahlen der beiden ersten Edelgase (He, Ne) abgelesen werden. Dass eine solche Maximalzahl überhaupt existiert, wurde 1923 von [[Wolfgang Pauli]] durch das [[Pauli-Prinzip|Paulische Ausschließungsprinzip]] erklärt. Dass jeder der im Bohr-Sommerfeld-Modell mit drei Quantenzahlen benannte Zustand mit je zwei Elektronen besetzt werden kann, wurde 1925 durch [[Samuel Abraham Goudsmit|S. Goudsmit]] und [[George Eugene Uhlenbeck|G.E. Uhlenbeck]]<ref>{{Literatur |Autor=G. E. Uhlenbeck, S. Goudsmit |Titel=Ersetzung der Hypothese vom unmechanischen Zwang durch eine Forderung bezüglich des inneren Verhaltens jedes einzelnen Elektrons |Sammelwerk=Naturwissenschaften |Band=13 |Nummer=47 |Datum=1925 |Seiten=953–954 |DOI=10.1007/BF01558878}}</ref> mittels der zusätzlichen [[Spin]]-Quantenzahl erklärt.

== Schwächen des Atom-Schalenmodells ==
Es gibt Phänomene, die das atomare Schalenmodell nicht erklären kann. Da es in seiner einfachsten Form den Elektronen räumlich getrennte Kugelschalen zuweist, deren Radius mit der Hauptquantenzahl anwächst, kann es den [[Elektroneneinfang]] in den Kern (eine Form der [[Radioaktivität|radioaktiven]] Umwandlung) nicht behandeln, der die Anwesenheit von Elektronen am Ort des Kerns beweist. Des Weiteren bleibt die [[Molekülgeometrie|räumliche Gestalt der Moleküle]] unerklärt. Warum hat z.&nbsp;B. das [[Methan]] (CH<sub>4</sub>) eine [[tetraeder]]förmige Gestalt, oder warum ist das [[Wassermolekül]] gewinkelt? Diese Eigenschaften der Atome und Moleküle lassen sich mit dem quantenmechanischen [[Atomorbital|Orbitalmodell]] und seinen Weiterentwicklungen wie [[VSEPR-Modell]] sowie über [[Hybridorbital]]e und [[Molekülorbital]]e erklären.

== Siehe auch ==
* [[Aufbauprinzip]]

== Literatur ==
* W. Finkelnburg: ''Einführung in die Atomphysik''. Springer Verlag, Berlin Heidelberg 1976.

== Weblinks ==
* [https://www.u-helmich.de/che/0809/03-atombau/atombau04.html ''Atombau – Das Schalenmodell''], Erklärung auf Mittelstufenniveau

== Einzelnachweise ==
<references />
[[Kategorie:Atomphysik]]
[[Kategorie:Physikalische Chemie]]