2.4: Elektronen-Orbital-Modell

Die Lage der Elektronen wird allgemein durch eine Schale oder ein Hauptenergieniveau beschrieben. Danach werden sie in eine Unterschale innerhalb jeder Schale und schließlich durch einzelne Orbitale innerhalb der Unterschalen unterteilt. Die erste Schale liegt dem Atomkern am nächsten und hat nur eine Unterschale mit einem einzigen, kugelförmigen Orbital. Man nennt es 1s Orbital. Dieses Orbital kann maximal zwei Elektronen aufnehmen. Die nächste Schale enthält insgesamt acht Elektronen: zwei im kugelförmigen 2s Orbital und je zwei in den drei hantelförmigen 2p Orbitalen. In höheren Energieniveaus nehmen die äußersten Orbitale, die der d und f Unterschalen, komplexere Formen an. In die fünf d Orbitale passen jeweils 10 Elektronen. In die sieben f Orbitale passen insgesamt 14 Elektronen.

Das Orbitalmodell kann verwendet werden, um die Lage und die relativen Energieniveaus jedes Elektrons in einem Atom zu veranschaulichen. Innerhalb jeder Schale haben die Elektronen ein steigendes Energieniveau. Die s Unterschale weist die geringste Energie auf. Die Elektronen in der p Unterschale tragen mehr Energie. Nach dieser Schale kommen noch die d und f Unterschale, sofern sie im Atom vorhanden sind.

Das Konzept der Orbitale wurde zuerst im Bohr-Modell eingeführt

Wir haben bereits festgestellt, dass Elektronen in verschiedenen Orbitalen unterschiedliche Energieniveaus haben. Woher wissen wir aber, dass die Elektronen über eine bestimmte Energie verfügen? Ganz abgesehen davon, dass sie unterschiedlich viel Energie besitzen können? Niels Bohr konnte 1913 experimentell nachweisen, wie viel Energie gewonnen und verloren wird, wenn Elektronen in einem Atom aus Wasserstoff und anderen Ionen mit einem einzigen Elektron die Orbitale wechseln. Die Ergebnisse seiner Experimente kombinierte er mit dem Vorwissen über einen positiv geladenen Kern aus den Arbeiten von Ernest Rutherford und entwickelte das erste Modell der Elektronen-Orbitale.

Wenn Elektronen Energie aufnehmen, gehen sie in einen angeregten Zustand über und gehen in höhere Orbitale über. Diese Energie kann durch Licht oder Wärme zugeführt werden und wenn diese Energie schnell verloren wird, fallen sie aus dem höheren Orbital zurück in das niedrigere und geben dabei ein Lichtteilchen bzw. Photon ab. Die Farbe des emittierten Photons entspricht einer bestimmten Energiemenge und dadurch kann man sie mit einem Spektroskop messen.

Bohr konnte die in den Hauptenergieniveaus, bzw. Schalen, enthaltene Energie durch Erhitzen von Wasserstoff bestimmen. Die hinzugefügte Wärmeenergie führte dazu, dass ein Elektron vom ersten Energieniveau auf ein höheres Niveau übergehen musste. Bohr maß dann die Wellenlänge des Lichts, das beim Abkühlen der Atome wieder emittiert wurde.

Das quantenmechanische Modell des Atoms

Bohrs Modell der Elektronen-Orbitale nahm an, dass die Elektronen den Kern in festen Kreisbahnen umkreisen. Während seine Experimente für Wasserstoff und wasserstoffähnliche Ionen mit einem einzelnen Elektron genau waren, konnte er die Elektronenkonfigurationen anderer Elemente nicht genau bestimmen. Es musste also zusätzliche Faktoren geben, welche die Physik der subatomaren Teilchen beeinflussen.

1926 erweiterte Erwin Schrödinger Bohrs Modell der Energieniveaus und entwickelte das Modell der Atomorbitale, welches auch heute noch gültig ist. Schrödinger berücksichtigte eine Reihe weiterer Entdeckungen über das physikalische Verhalten von Elektronen, die von Wissenschaftlern Anfang der 1920er Jahre gemacht wurden. Mit seinem quantenmechanischen Modell sagte er die Elektronenkonfigurationen von Elementen mit mehreren Elektronen genau voraus. Eine grundlegende Änderung im Modell von Schrödinger ist die Annahme, dass Elektronen sich in Wellenbewegungen bewegen und diese durch die positive Ladung des Kerns beeinflusst werden. Aus diesem Grund sind die Orbitale, von denen wir heute sprechen, eher wolkenartige Sphären, in welchen die Elektronen am wahrscheinlichsten zu finden sind anstatt der festen Kreisbahnen, wie es einst von Bohr vermutet wurde. Eine weitere wesentliche Unterscheidung des Modells ist die Einteilung der Energieniveaus in kleinere Kategorien, also Unterschalen und Orbitale.