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Das Kern-Hülle-Modell der Atome

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André Otto
Das Kern-Hülle-Modell der Atome
lernst du in der Unterstufe 3. Klasse - 4. Klasse

Grundlagen zum Thema Das Kern-Hülle-Modell der Atome

Inhalt

Das Kern-Hülle-Modell der Atome – Chemie

Wie lässt sich die kovalente Bindung mit dem Atommodell erklären? Welches Modell hat Rutherford entwickelt? Im folgenden Text werden genau diese Fragen beantwortet.

Was besagt das Kern-Hülle-Modell von Rutherford?

Der Physiker Ernest Rutherford entwickelte das Kern-Hülle-Modell (Rutherford-Atommodell). Der Atomaufbau kennzeichnet sich dabei so: Ein Atom besteht aus den negativen Elektronen und den positiven Protonen. Einfach erklärt besagt das Kern-Hülle-Modell nach Rutherford, dass ein Atom aus einer Atomhülle und einem Atomkern besteht. In der folgenden Abbildung kannst du dir ansehen, wie sich Rutherford das Kern-Hülle-Modell vorgestellt hat:

Aufbau Kern-Hülle-Modell Rutherford

Mit dem Rutherford-Atommodell lässt sich die Entstehung chemischer Bindungen gut erklären.

Wie entwickelte Ernest Rutherford das Kern-Hülle-Modell?

Der Physiker Rutherford experimentierte mit einer Goldfolie im Jahr 1910. Doch wie kam Rutherford zu seinen Erkenntnissen? Bei dem Streuversuch schoss Rutherford $\alpha$-Teilchen auf eine sehr dünne Goldfolie. Diese $\alpha$-Teilchen sind zweifach positiv geladen und sehr klein. Die meisten der $\alpha$-Teilchen flogen direkt durch die Goldfolie hindurch. Das stimmte mit dem bis dahin geltenden Thomson-Atommodell überein. Doch einige $\alpha$-Teilchen wurden reflektiert und abgelenkt. Das konnte wiederum nicht mit dem Thomson-Modell erklärt werden. So entwickelte Rutherford ein neues Atommodell: das Kern-Hülle-Modell.

Die Bedeutung des neuen Modells: Das Kern-Hülle-Modell hatte eine riesengroße Bedeutung für das Verständnis der chemischen Bindung. Man wollte immer gerne wissen, wie Atome zusammengehalten werden. Die verschiedenen Bindungsarten konnten mit diesem Modell gut erklärt werden.

Kern-Hülle-Modell Aufbau – Atomkern und Atomhülle

Im Folgenden wird das Kern-Hülle-Modell beschrieben. Nach Rutherford besteht ein Atom aus einem Atomkern und einer Atomhülle, die fast leer ist. Der Atomkern ist elektrisch positiv geladen. In der Atomhülle sind negativ geladene Elektronen, die schnell um den Atomkern kreisen. Aufgrund der hohen Geschwindigkeit der Elektronen nahm Rutherford an, dass die Elektronen nicht in den positiven Atomkern stürzen.

Nehmen wir einmal an, der Atomkern hätte die Größe einer Murmel. Dann hätte die Atomhülle die Ausmaße eines Fußballfelds. Die Masse eines Atoms ist im Atomkern konzentriert, dabei ist die Masse eines Protons 1 836-mal größer als die Masse eines Elektrons. Wie wir heute wissen, befinden sich im Kern auch noch Neutronen. Ein Neutron ist dabei noch etwas schwerer – es ist 1 839-mal schwerer als ein Elektron. Die Elektronen bewegen sich um den Atomkern. Dabei ist ihre Geschwindigkeit sehr, sehr groß.

Was sind Elektronen, Neutronen und Protonen?

Die Eigenschaften der Teilchen im Atom kannst du dir in der folgenden Tabelle ansehen:

Elektron
  • Negativ geladene Teilchen
  • Sie befinden sich in der Atomhülle.
  • Proton
  • Positiv geladene Teilchen
  • Sie befinden sich dicht gepackt im Atomkern.
  • In der Regel liegen genauso viele Protonen wie Elektronen vor.
  • Die Protonen stoßen sich aufgrund der Neutronen nicht ab.
  • Neutron
  • Neutrale Teilchen
  • Sie befinden sich im Atomkern zwischen den Protonen.
  • Sie verhindern die Abstoßung der Protonen.
  • Was sind Elektronen?

    Elektronen sind negativ geladene Teilchen. Die Elektronen bewegen sich auf Kreisbahnen in der Atomhülle immer wieder um den Atomkern. Du kannst dir das wie bei unserem Sonnensystem vorstellen: Dort bewegen sich die Planten auch auf Kreisbahnen um die Sonne.

    Was sind Protonen?

    Protonen sind positiv geladene Teilchen und befinden sich ganz dicht gepackt im Atomkern. Dabei liegen genauso viele Protonen wie Elektronen in einem Atom vor. Aber Moment mal: Würden sich nicht eigentlich zwei positive Ladungen voneinander abstoßen, wenn sie sich zu nahe kommen? Im Atomkern stoßen sich die Protonen aber nicht ab. Wie kommt es dazu? Das liegt daran, dass sich im Atomkern auch die Neutronen befinden. Diese haben keine Ladung. Deswegen stoßen sich die Protonen nicht voneinander ab.

    Was sind Neutronen?

    Neutronen sind neutral geladene Teilchen. Sie befinden sich zwischen den Protonen und verhindern so eine Abstoßung der Protonen.

    Eine Ausnahme gibt es: Das Wasserstoffatom besitzt keine Neutronen, weil es nur ein Proton besitzt. Es kann beim Wasserstoffatom im Atomkern also zu keiner Abstoßung kommen, sodass auch keine Neutronen notwendig sind.

    Was kann das Kern-Hülle-Modell nicht erklären?

    Was sind die Grenzen des Kern-Hülle-Modells? Die Stabilität des Atoms kann mit dem Kern-Hülle-Modell nach Rutherford nicht erklärt werden. Das Modell erklärt nicht, wie sich die Elektronen in der Atomhülle verhalten und warum die Elektronen zum Beispiel nicht einfach vom positiven Atomkern angezogen werden und somit in den Kern stürzen. Bewegen sich die Elektronen auf kreisförmigen oder elliptischen Bahnen um den Atomkern, dann treten Radialbeschleunigungen auf. Beschleunigte Elektronen senden somit elektromagnetische Wellen aus und müssten nach dem Energieerhaltungssatz Energie verlieren und damit allmählich in den Atomkern stürzen. Das machen sie aber nicht. Außerdem war bekannt, dass jedes Element charakteristische Spektrallinien aussendet. Die Entstehung dieser Spektrallinien konnte jedoch mit dem rutherfordschen Atommodell nicht gedeutet werden.

    Es war bald klar, dass mit dem rutherfordschen Atommodell nicht alle Fragen beantwortet werden konnten. Im Jahr 1913 entwickelte Niels Bohr für das Wasserstoffatom ein Kern-Hülle-Modell (bohrsches Atommodell), bei dem sich die Elektronen auf festen Kreisbahnen um den Atomkern bewegen. Dieses sogenannte Schalenmodell stellte also eine Weiterentwicklung des Kern-Hülle-Modells von Rutherford dar.

    Dieses Video

    In diesem Video lernst du das Kern-Hülle-Modell kennen: Das Rutherford-Modell ist, einfach erklärt, ein Atommodell, bei dem das Atom aus einem Atomkern und einer Atomhülle besteht.

    Im Anschluss an das Video und diesen Text findest du Übungsaufgaben, um dein erlerntes Wissen zu überprüfen. Viel Spaß!

    Transkript Das Kern-Hülle-Modell der Atome

    Einen schönen Guten Tag und Herzlich willkommen zu diesem Video. Der Film heißt: "Das Kern-Hülle-Modell der Atome". Du kennst bereits die Begriffe Stoff, Verbindung, Element und Atom. Nachher kannst Du das Kern-Hülle-Modell beschreiben und seine Bedeutung erläutern. Der Film besteht aus vier Abschnitten: Das Ende des Rosinenkuchens. Die Maße des neuen Modells. Die Bedeutung des neuen Modells. Ganz kurz. Das Ende des Rosinenkuchens: Jeder von Euch kennt einen Rosinenkuchen oder kann ihn sich zumindest vorstellen. Ein schöner runder Kuchen, an einigen Stellen heller, an anderen Stellen dunkler, weil er etwas verbrannt ist. Wichtig allein hier ist, dass der Kuchen aus gebackenem Teig besteht. Und wie der Name schon sagt, erhält er eine große Anzahl an Rosinen. Ein solcher Kuchen diente als Vorlage für das Rosinenkuchenmodell, mit dem man ein Atom bildlich darstellen wollte. Die Idee dafür hatte der Wissenschaftler und Nobelpreisträger Thomson um etwa 1900. Nun enthält natürlich ein Atom keine Rosinen. Es sind ein positiver Kuchen und negativ geladene Teilchen. Die negativen Teilchen sind die Elektronen. Der berühmte Physiker Rutherford, auch Nobelpreisträger, wollte im Jahr 1910 dieses Modell überprüfen. Dafür machte er seinen berühmten Streuversuch. Zunächst verwendete er einen radioaktiven Stoff, der α-Teilchen aussendet. α-Teilchen sind zweifach positiv geladen, sie sind sehr klein und sollten dünne Schichten durchdringen. Die fliegenden Teilchen wurden auf eine dünne Goldfolie gerichtet. Gold deshalb, weil man aus Gold sehr dünne Folien herstellen kann. Der größte Teil der α-Teilchen wurde durch die Goldfolie nicht abgelenkt. Sie flogen durch die Goldfolie hindurch und weiter gerade aus. Das ist bei einem lockeren Rosinenkuchen als Modell zu erwarten. Aber was war das? Einige Teilchen veränderten ihre Flugbahn, einige wurden sogar nach hinten abgelenkt und ein kleiner Teil der Teilchen wurde sogar reflektiert. Die nicht abgelenkten Teilchen konnte man mit Thomsons Modell gut erklären, aber die Ablenkung nicht mehr so richtig. Und Teilchen kamen zurück und wurden sogar reflektiert. Versuchsergebnis so: Es war fast unglaublich, als ob sie eine 15-Zoll-Granate gegen ein Stück Seidenpapier werfen und sie kommt zurück und trifft sie. Und da hatte Rutherford die Idee für ein neues Atommodell. Rutherford war sich völlig darüber im Klaren, wenn ein Atom aussieht wie ein lockerer Kuchen nach Thomson, dann können niemals α-Teilchen durch die Goldfolie reflektiert werden. Folglich muss ein Atom über einen festen Atomkern verfügen. An dem wurden nämlich die α-Teilchen reflektiert. Der Atomkern enthält positiv geladene Teilchen. Das sind die Protonen. Außerdem sind im Atomkern neutrale Teilchen, Neutronen. Und weit entfernt vom Kern bewegen sich negativ geladene Teilchen. Das sind die Elektronen. Dieses Atommodell, das wir auch heute noch benutzen, nennt man Kern-Hülle-Modell. Dabei bilden die Elektronen die Hülle oder Atomhülle bzw. Elektronenhülle. Das heißt aber, dass der gesamte Raum zwischen Kern und Hülle masselos ist. Auch hier ist das Atom elektrisch neutral. Wir haben genau so viel Protonen wie Elektronen. Sieht es nicht schön aus, das Kern-Hülle-Modell nach Rutherford? Die Maße des neuen Modells: Nehmen wir einmal an, der Atomkern hat die Größe einer Murmel. Dann hat die Atomhülle die Ausmaße eines Fußballfeldes. Die Masse eines Atoms ist im Atomkern konzentriert, dabei ist die Masse eines Protons 1836 mal größer als die Masse eines Elektrons. Ein Neutron ist noch etwas schwerer, es ist 1839 mal schwerer als ein Elektron. Die Elektronen bewegen sich um den Atomkern. Dabei ist ihre Geschwindigkeit sehr sehr groß. Die Bedeutung des neuen Modells: Das Kern-Hülle-Modell hat eine riesengroße Bedeutung für das Verständnis der chemischen Bindung. Man möchte gerne wissen, wie Atome zusammenhalten. Wie bei der kovalenten Bindung im Wassermolekül oder bei der Erklärung der Ionenbindung im Kochsalz. Und auch die Metallbindung kann mit diesem Modell gut erklärt werden. Mit der Weiterentwicklung des Kern-Hülle-Modells kann man auch gut Atomspektren erklären. Das sind die farbigen Linien, die Atome durch Bestrahlung mit Licht erzeugen. So konnte man z.B. die Sonne untersuchen. Man erhielt ein wunderschönes Sonnenspektrum. Dadurch konnte man zeigen, dass die Sonne aus Wasserstoff und Helium besteht. Ganz kurz: Das Kern-Hülle-Modell ist ein ganz wichtiges Atommodell, das wir auch heute noch verwenden. Ein Atom besteht aus einem Atomkern und aus einer Atomhülle. Der Kern enthält fast die gesamte Masse des Atoms. Er besteht aus Protonen und Neutronen. Gemessen am Atom ist der Kern sehr klein. Die Atomhülle hingegen enthält kaum Masse. Sie besteht aus Elektronen. Im Vergleich zum Atomkern ist die Atomhülle sehr groß. Das Kern-Hülle-Modell hat große Bedeutung bei der Erklärung der chemischen Bindung. Mit Weiterentwicklungen dieses Modells kann man Atomspektren erklären. Das war ein weiterer Film von Andre Otto. Ich hoffe, er hat Euch gefallen.

    29 Kommentare

    29 Kommentare
    1. Hallo Anouk( :, hallo Irinaborchert,
      vielen Dank für den Hinweis! Der Fehler in der Audiospur wurde vermerkt und wird bald korrigiert.
      Liebe Grüße aus der Redaktion

      Von Tatjana Elbing, vor fast 2 Jahren
    2. Anouk(: hat recht, bitte behebt das! Danke!

      Von Irinaborchert, vor fast 2 Jahren
    3. Bei 1:46 min. liegt ein Sprachfehler vor...

      Von Anouk( :, vor fast 3 Jahren
    4. danke!! ehrenbruderbasis!

      Von Jule Pet, vor mehr als 3 Jahren
    5. Ein sehr lehrreiches Video, vielen Dank! ;-)

      Von Florian M., vor mehr als 4 Jahren
    Mehr Kommentare

    Das Kern-Hülle-Modell der Atome Übung

    Du möchtest dein gelerntes Wissen anwenden? Mit den Aufgaben zum Video Das Kern-Hülle-Modell der Atome kannst du es wiederholen und üben.
    • Beschreibe den Streuversuch von Rutherford.

      Tipps

      Am Anfang eines Experiments steht eine Fragestellung oder Überprüfung.

      Dann wird überlegt wie ein Versuch gestaltet werden muss, um die Frage zu beantworten.

      Lösung

      Das Rosinenkuchenmodell von Thomson bestimmte lange die Vorstellungen von Atomen. Durch den Streuversuch von Rutherford wurde dieses Modell in Frage gestellt.

      Wenn nämlich alle Teilchen gleichmäßig und ungeordnet im Atom verteilt wären, hätte es keine Ablenkung und Reflektion der $\alpha$-Teilchen gegeben. Sie wären einfach hindurch gegangen. Das Ergebnis von Rutherford forderte aber ein Umdenken. Daraus entwickelte sich die Vorstellung des Kern-Hülle-Modells, das wir auch heute noch nutzen.

    • Beschreibe das Kern-Hülle-Atommodell.

      Tipps

      Atome sind nach außen elektrisch neutral, da sie die gleiche Anzahl an positiven und negativen Ladungsträgern besitzen.

      Elektronen besitzen im Vergleich zu Protonen und Neutronen eine sehr geringe Masse.

      Lösung

      Das Atommodell, welches das Rosinenkuchemodell ablöste, war das Kern-Hülle-Atommodell. Es besagt, dass im Zentrum eines Atoms ein fester Kern, bestehend aus Protonen und Neutronen, liegt. Dieser wird umkreist von Elektronen, die sich in der Atomhülle auf Kreisbahnen bewegen. Der größte Teil des Atoms ist also völlig masselos.

      Mit diesem Modell ließ sich nun gut Rutherfords Versuch erklären. Die meisten Teilchen gingen durch die Atome ohne aufgehalten zu werden. Ein Teil der Helium-Kerne ($\alpha$-Teilchen) aber prallte seitlich an und auch direkt auf den Kern eines Atoms. Diese wurden dadurch abgelenkt und zurückgeworfen.

    • Gib an, bei welchem Modell es sich um Sauerstoff handelt.

      Tipps

      Im Kern müssen sich 8 positive Ladungsträger befinden.

      8 Elektronen befinden sich in der Elektronenhülle.

      Davon sind 2 Elektronen auf der ersten Schale und 6 Elektronen auf der zweiten.

      Lösung

      Das Rutherfordsche Atommodell wurde später von Bohr um mehrere Elektronenschalen erweitert. Je weiter die Elektronen vom Kern entfernt sind, desto höher ist ihre Energie.

      Jedes Element lässt sich so darstellen. Dafür muss nur die Ordnungszahl bekannt sein. Bei Sauerstoff ist es die 8. Es steht somit an 8. Stelle im Periodensystem. Daraus kann man ebenfalls ableiten, dass Sauerstoff 8 Protonen und 8 Elektronen besitzt. Die unterste Schale kann 2 Elektronen aufnehmen. Diese ist beim Sauerstoff gefüllt. Die 2. Schale kann bis zu 8 Elektronen beinhalten. Im Fall von Sauerstoff befinden sich hier 6 Elektronen.

    • Charakterisiere die drei gezeigten Atommodelle.

      Tipps

      $m (p^+)~>>~ m(e^-)$ bedeutet, dass die Masse der Protonen deutlich höher ist als die der Elektronen. Auf wen geht diese Feststellung zurück?

      Dalton verfasste als Erster die sogenannte Atomhypothese. Andere Atommodelle bauen auf seiner Vorstellung auf.

      Lösung

      In der Chemie werden immer wieder neue Entdeckungen und Entwicklungen gemacht. Dalton stellte die Atomhypothese auf. Seiner Meinung nach besteht ein Element nur aus einer Sorte von Atomen, die sich in Masse und Volumen von anderen Atomen unterscheiden. Atome sind dabei kleine Kugeln, die nicht erschaffen oder vernichtet werden können. Atome sind unteilbar, können sich aber verbinden und so neue Verbindungen schaffen. Dieser Gedanke war bahnbrechend, auch wenn er noch einige Fehlvorstellungen enthielt, wie man später herausfand.

      Man stieß auf die Elementarteilchen: Positive Protonen und negative Elektronen. Lange glaubte man, dass diese Teilchen gleichmäßig gemischt im Atom verteilt wären. Daher wurde dieses Modell Rosinenkuchenmodell genannt. Erst Rutherford mit seinem Streuversuch entdeckte Hinweise, dass diese Vorstellung fehlerhaft ist. Es musste einen festen Kern geben um den sich die Elektronen bewegten. Dabei ist fast die gesamte Masse des Atoms auf den Kern konzentriert.

    • Gib an, in welchen Bereichen das Kern-Hülle-Atommodell für die Wissenschaft Bedeutung hat.

      Tipps

      Mithilfe der Chromatographie werden Stoffgemische aufgetrennt.

      Durch die Vorstellung einer Elektronenhülle wurden chemische Bindungen viel besser und deutlicher erklärbar.

      Lösung

      Durch das neue Atommodell von Rutherford wurden einige alte Vorstellungen in ihrem Grundfesten erschüttert. Kovalente Bindungen konnte man nun durch eine Überlappung der Elektronenhüllen der Bindungspartner erklären.

      Auch heute noch leistet uns Rutherfords Modell gute Dienste bei der Erklärung einiger Phänomene. Das Modell hat aber auch seine Grenzen. Ein späteres Atommodell ist das Orbitalmodell, das sich aus der Quantenmechanik ableitet. Mit diesem sind z.B. die Bindungsverhältnisse in Kohlenwasserstoffen zu erklären.

    • Erkläre das Zustandekommen von Atomspektrallinien.

      Tipps

      Je höher die Geschwindigkeit desto höher auch die Energie.

      Energie und Wellenlänge sind immer miteinander verbunden.

      Lösung

      Hier siehst du ein Emissionsspektrum. Die aufgenommene Energie wurde abgegeben und zeigt eindeutige Spektrallinien. Diese haben eine bestimmte Wellenlänge. Wenn sich diese Wellenlänge innerhalb des für uns sichtbaren Lichts befindet, zeigt sich die Spektrallinie in einer spezifischen Farbe. Absorptions- und Emissionsspektren dienen unter anderem der Identifikation von Stoffen. So kann auch die Zusammensetzung von weit entfernten Objekten wie Sternen oder anderen Planeten untersucht werden.

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