Kapitel 6
Die Brücke zwischen Wissenschaft und Weisheit
(3.7) Atome  


Diskussion von "Atom"
Durch Anklicken des LinksAtom wird deren Definition nach der Lehrmeinung angezeigt. Diese wird nachfolgend nach dem Universal-Prinzip diskutiert:

Vorstellungen der konservativen Physik sind:

1. Ein Atom besteht aus einem Kern positiv geladener Protonen und neutraler Neutronen sowie aus einer „Hülle“ negativ geladener Elektronen.

2. Die Elektronen umkreisen den Kern, weil sie aufgrund der entgegengesetzten Ladung vom Kern angezogen werden. Sie fallen aber nicht in den Kern, weil zu jeder Elektronen-Umlaufbahn ein bestimmtes Energieniveau gehört, das sich aus der potentiellen und der kinetischen Energie zusammensetzt. Jedes Elektron hat also gerade soviel Energie (Zentrifugalkraft) wie erforderlich ist, um sich gegen die (elektrostatische) Anziehung des Kerns auf der Umlaufbahn zu halten. Das Atom-System befindet sich im Gleichgewichtszustand, wenn sich Zentrifugalkraft und elektrostatische Anziehungskraft die Waage halten.

3. Durch Energiezufuhr wird ein Elektron auf eine energiereichere (kernfernere) Bahn gehoben, beim Übergang auf eine energieärmere Bahn erfolgt Energieabgabe.

Nils Bohr postulierte „strahlungsfreie Umlaufbahnen“, da ein ständig zentral beschleunigtes Elektron infolge Reibung an Masse verlieren und schließlich in den Kern stürzen müßte.

Erwin Schrödinger verbesserte mit seinem wellenmechanisches Atommodell die Modelle von Ernest Rutherford und Nils Bohr Mängel. Er ersetzte die Bohrschen Umlaufbahnen durch räumlich stehende Wellen, deren Maxima und Minima unterschiedliche Abstände zum Kern aufweisen (Bild 68.1). Jede der stehenden Wellen hat eine bestimmte Energie und Eigenfrequenz. Das Elektron bildet nach Schrödingers Modell um den Kern eine Ladungswolke (Orbital), wobei die Intensität der Welle an den einzelnen Punkten des Raumes ein Maß für die Aufenthaltswahrscheinlichkeit des Elektrons darstellt.

Bild 68.1 Wellenmechanisches Atommodell nach E. Schrödinger

Das Universal-Prinzip zu "Atom" Absatz 1
Nach dem Universal-Prinzip besteht ein Atom im Unterschied zum Bohrschen und wellenmechanischen Atommodell aus einem Kern und mindestens einem AWF. Dies ist der Grund für die geringe Energiedichte in den Elektronenorbitalen und Voraussetzung für die von Bohr postulierten „strahlungsfreien Umlaufbahnen“. Die Begriffe „positive Kernladung und negative Elektronenladung“ sind auf Potentialdifferenzen zwischen Kern und Umfeld zurückzuführen.

Das Universal-Prinzip zu "Atom" Absatz 2
Um einen Atomkern kreisende Elektronen werden durch ein Gleichgewicht zwischen der anziehenden Gravitationskraft (durch die Kernmasse) und der abstoßenden Levitationskraft (durch die äußere Anregung) in ihrer Bahn gehalten. Die Umlaufbahnen liegen jeweils in Energieniveaus bzw. in Oktavbereichen eines AWF, das ihrer Energiedichte entspricht (Bild 70). Daraus ergibt sich, daß Elektronen unterschiedliche Massen besitzen müssen.

Elektronen können einen bestimmten Anregungsbereich durch Zustandsveränderung ausgleichen. Dadurch sind die Umlaufbahnen auf den Oktavbereich eines AWF begrenzt. Sie liegen zwischen dem elektrischen und dem magnetischen Wellenknoten einer Ausgleichswelle. Entgegen der Schulmeinung ergeben sich drei statt zwei energetische Zustände: und zwar ein oberer Grenzwert bei maximaler Anregung, ein mittlerer im Gleichgewichtzustand und ein unterer Grenzwert bei minimaler Anregung.

Das Universal-Prinzip zu "Atom" Absatz 3
Energie stellt ein Potential dar. Ein Elektron kann nur durch eine Kraft zu Bewegung – Wärme - Ausdehnung angeregt werden. Dadurch sinkt dessen Energiedichte und es wird es durch Levitationskraft in ein höheres Energieniveau gedrückt. Umgekehrt steigt die Energiedichte eines Elektrons bei nachlassender Anregung, wodurch es in ein kernnäheres Energieniveau gezogen wird.

Elektronen bewegen sich keinesfalls im Vakuum, sondern in einem Medium, welches kleinere Medien- und Wechselwirkungsteilchen enthält. Diese werden von den Elektronen bei Anregungsschwankungen, die nicht durch Zustandsänderungen ausgeglichen werden können, absorbiert oder emittiert. Derartige Masseveränderungen können Quantensprünge bewirken. Ein Quantensprung entspricht einem Oktavsprung (Bild 70). Diese Vorstellungen ähneln der stehenden Welle des wellenmechanischen Atommodells (Bild 68.1). Dieses berücksichtigt allerdings nur die elektrische Komponente der elektromagnetischen Welle. Nach dem Universal-Prinzip muß das die magnetische Komponente ergänzt werden (Bild 68.2).

Zwischen den Umlaufbahnbereichen liegen die sog. „verbotenen Zonen“, die durch die Knoten der stehenden magnetischen Komponente der longitudinalen Medienwelle begrenzt werden (Bild 70).

Atome enthalten neben AWF mit Elektronen weitere AWF ohne Elektronen, die mit Medienteilchen angefüllt sind. Diese Schlußfolgerung ergibt sich aus dem Durchmesser der Atome und dem durch Spektralzerlegung beobachteten Linienspektren der Atome (Bild 69).

Eine weitere Übereinstimmung mit dem wellenmechanischen Atommodell besteht in der Feststellung, daß für solche Medienwellen nur ganz bestimmte Schwingungszustände möglich sind. Diese entsprechen bestimmten Energiestufen.

Masse, Größe und Energiedichte der Medienteilchen nehmen vom Kern ausgehend zum Umfeld ab. Dies geschieht von AWF zu AWF sprunghaft, innerhalb der AWF aber relativ kontinuierlich in Oktavstufen der sieben Energieniveaus. Die diskreten Sprünge, von denen die Quantenphysik ausgeht, sind so nicht zutreffend. Die Stufen setzen sich bis in kleinste Bereiche fort. Damit werden quasi die kontinuierlichen Übergänge der klassischen Mechanik erreicht.
 

Bild 68.2 Atommodell mit elektrischer und magnetischer Komponente

Ein Vergleich der Wellenlängen von Linienspektren mit den Durchmessern von Atomen bestätigt das Vorhandensein und die Größenordnung der AWF.

Aus der Beziehung D = l/2 kann der Durchmesser von den AWF berechnet werden, von denen die einzelnen Frequenzen des Linienspektrums emittiert werden (Bild 69).

 

Bild 69 Zuordnung des elektromagnetischen Linienspektrums zum Durchmesser eines Atom-AWF

Das Spektrum von Wasserstoff wird von AWF mit einem Durchmesser im Bereich von 5 x 10-8 bis 4 x 10-6m erzeugt. Da der Durchmesser eines Atoms in der Literatur jedoch zwischen 10-11 und 10-10 angegeben wird, muß es zusätzlich zu den Elektronenschalen, die ja zu den Meßergebnissen der Atomradien führen, weitere kernfernere AWF geben, die keine Elektronen enthalten. Diese werden dem Bereich III (Bild 69) zugeordnet, während die Elektronenbahnen dem mittleren Bereich II (Bild 69) angehören.

Der Durchmesser eines Atomkerns liegt in der Größenordnung von 10-15 bis 10-13 m. Daraus ergibt sich, daß ein Atom kernnähere AWF besitzen muß, die ebenfalls keine Elektronen enthalten. Die kernnäheren AWF ohne Elektronen werden dem Bereich I (Bild 69) zugeordnet.

Die einzelnen Frequenzen des Spektrums im Bereich UV bis Infrarot eines Elementes entstehen durch die verschiedenen Durchmesser der AWF des kernferneren Bereichs III (Bild 69). Werden die Medienteilchen in diesen Feldern angeregt, absorbieren und emittieren sie Teilchen in der Größenordnung von Photonen m. R. Diese bilden das Spektrum des Atoms in diesem Bereich. Das Röntgenspektrum bei Elementen höherer Ordnungszahl entsteht dagegen im Bereich der Elektronenschalen des Bereiches II (Bild 69). Dies erklärt die stark voneinander abweichenden Eigenschaften zwischen den meist recht komplizierten optischen Spektren (bestehen aus bis zu Tausenden von Linien) und den einfachen Röntgenspektren.

Die Einfachheit der Röntgenspektren, die nur eine geringe Anzahl von Linien besitzen, erklärt sich aus den stabilen Umlaufbahnen der Elektronen, die nur geringe Bewegungen um ihren Gleichgewichtszustand ausführen können. Die optischen Spektren entstehen dagegen in dem Bereich III des AWF (Bild 69), die aus zahlreichen Medienteilchen unterschiedlicher Größe und Energiedichte bestehen.

Aus der Zuordnung der Wellenlänge der Linienspektren zu den AWF-Bereichen eines Atoms ergibt sich für die Elektronenschalen (Bereich II in Bild 69) ein äußerer Durchmesser von 5 x 10-10. Dies entspricht etwa dem in der Literatur angegebenen Wert der Größenordnung von 10-10.

Wir trennen uns von der Vorstellung, die Spektrallinien entständen allein durch die Bewegung von Elektronen. Dies gilt nur für einen Bereich der Röntgenstrahlung für Elemente ab der  L-Schale. Interessant ist auch, daß sich aus der Berechnung für die Anzahl der AWF in Bereich II (Bild 69) die Zahl sieben ergibt, die ja der tatsächlichen Anzahl der Elektronenschalen (K- bis Q-Schale) im Periodensystem der Elemente (PSE) entspricht. Bild 70 zeigt die Oktavbereiche innerhalb eines AWF.

Im Bereich III (Bild 69) befinden sich keine Elektronen, sondern nur Medienteilchen. Diese bilden die von Schrödinger beschriebene „Ladungswolke“. Die Ladungswolke kann bei Untersuchungen die Sicht auf die Elektronen verdecken.


Bild 70 Oktavbereiche

Im Atomkern ergeben sich die stark abstoßenden Kräfte zwischen den Nukleonen zwingend aus der Existenz ihrer AWF. Im Innern des Kerns befinden sich die Protonen, da im Maximum der elektrischen Komponente die Teilchen eine hohe Energiedichte herrscht. Analog dazu befindet sich die magnetische Komponente im Kernmittelpunkt an ihrem Nulldurchgang. Daher enthalten Protonen weniger AWF und werden als positiv geladen bezeichnet.

Daraus folgt ebenfalls, daß die Protonen auf einem kleinen Raum zusammengedrängt sind. Aufgrund ihres kleineren AWF enthalten diese 0,14 % weniger Masse als die Neutronen, die ein größeres AWF als die Protonen entwickeln. Da ihr Kern- und ihr AWF ausgeglichen sind, werden sie als neutral bezeichnet. Ausgeglichen heißt, das erste AWF erreicht den doppelten Durchmesser des Kerns. Dieses Verhältnis von 1:2 setzt sich in den folgenden AWF fort. Aufgrund des höheren Energieniveaus bilden die Neutronen die äußerste Schale des Atomkerns. Bild 71 zeigt ein Modell, wie der Atomkern nach dem Universal-Prinzip aufgebaut sein könnte:

Bild 71 Schalenmodell eines Atomkerns, links Atomkern, rechts Kernbausteine mit erstem AWF

Nach dem Universal-Prinzip erreicht die Anregung den Kern normalerweise von außen über die AWF. Durch Wechselwirkungen bauen sich ein oder mehrere AWF auf. Mit jedem AWF erhöht sich der Frequenzbereich elektromagnetischer Wellen, der absorbiert werden kann. Mit der Ausbildung jedes weiteren AWF wird eine tiefere Kernschicht angeregt. Durch den Stoffwechsel infolge der Anregung gelingt es auch den Medienteilchen des Kernes, die Differenz an Energiedichte zwischen Kern und Umfeld (in diesem Fall die AWF) kontinuierlich auszugleichen – dadurch entstehen aus Protonen Neutronen.

Bild 72 zeigt die Bindekräfte, die durch Überlagerung der AWF zweier Atome bzw. Moleküle entstehen. Im Fall A bei einer Verbindung der Elektronenschalen des Bereiches II (kovalente Atombindung), im Fall B bei einer Verbindung der Elektronenschalen im Bereich III (van der Waals-Bindung).

Bild 72 Überlagerung der AWF von zwei Atomen

 
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