Aufbau und Aussehen von Atomen und Molekülen

Wissenschaft Physik
#1

Hallo,

das Atomium in Brüssel soll die vielfach vergrößerte Darstellung einer Eisen-Kristallstruktur sein. Auch in anderen Fällen, wenn von Atomen oder Molekülen die Rede ist, werden ähnliche Gebilde mit umeinander kreisenden Kugeln gezeigt.

Angenommen es wäre möglich, ein Gerät zu bauen, mit dem man Atome und Moleküle wirklich sehen kann:

Sähen die dann wirklich so aus, wie sie uns derzeit dargestellt werden?
Oder ist das nur ein theoretisches Denkmodell, während sie in Wirklichkeit vermutlich oder zumindest möglicherweise völlig anders aussehen?

Grüße
Carsten

#2

Hallo carsten,

das Atomium in Brüssel soll die vielfach vergrößerte
Darstellung einer Eisen-Kristallstruktur sein.

da hast du dir genau das schlechteste Beispiel genommen. Atome (und einatomige Ionen) sind kugelförmig. In Metallen und Salzen sind diese auch soweit möglich lückenlos gepackt.

Und die Verbindungen sind natürlich keine Stangen, sondern bei Metallen ein Elektronengas, dass in den Lücken wabert, bei Salzen sind da gar keine speziellen Verbindungen, sondern allein die elektrostatische Anziehung zwischen Kat- und Anionen.

http://de.wikipedia.org/wiki/Natriumchlorid zeigt dir eine unanschauliche Darstellung für den Fachmann.

http://www.chemiedidaktik.uni-wuppertal.de/alte_seit… zeigt dir das wirkliche Aussehen.

Das mittlere Bild in http://www.chemiedidaktik.uni-wuppertal.de/alte_seit… zeigt dir das echte Aussehen von Eisen (in der kubisch-innenzentrierten Form).

Auch in anderen
Fällen, wenn von Atomen oder Molekülen die Rede ist, werden
ähnliche Gebilde mit umeinander kreisenden Kugeln gezeigt.

Bei Molekülen kommt http://de.wikipedia.org/wiki/Kalottenmodell dem wahren „Aussehen“ am nächsten. Die gebundenen Atome überlappen teilweise. Und sind fest miteinander verbunden. Die Beweglichkeit beschränkt sich im Wesentlichen auf die Drehbarkeit um Einfachbindungen.

Von „umeinander kreisen“ kann man da keineswegs sprechen.

Gruß, Zoelomat

P.S. Bei Molekülen ist die Struktur recht einfach zu sehen. Wenn du Die Unterschiede der verschiedenen Kugelpackungen verstehen willst, kaufst du am besten im Bastelladen einen Beutel Kugeln. Dann kannst du auch erkennen, dass gerade Eisen (und etliche andere Metalle mit Wolfram-Struktur) keine dichteste Packung aufweisen. Sie haben nur 8 Nadhbaratome statt der max. möglichen 12 (wie in der Mg- oder Au.Struktur. Auch die meisten Salze bilden solche oder ähnliche Kugelpackungen der größeren Anionen mit Kationen in den Lücken.

#3

Genau weiss das niemand. Und es wird auch nie jemand wissen, weil es kein „Aussehen“ wie man es aus dem Erleben kennt, gibt.
Atome sind so klein, daß Quantenphysikalische Effekte eine Rolle spielen. Und genau da wird es für die meißten schwer verständlich. Denn die Elektronen, und Protonen/Neutronen nehmen keinen exakt definierten Platz im Atom ein, sondern befinden sich überall, nur an manchen Stellen mit höherer Wahrscheinlichkeit, und woanders mit geringerer. Daraus aber abzuleiten, daß das Elektron jetzt dort sein muss, weil es dort mit der höchten Wahrscheinlichkeit ist, ist falsch. Die Elektronen bilden also jedes für sich eine Art Wolke. Einen genau definierten Ort gibt es für sie nicht. Dazu kommt daß Atome ud vorallem deren Bestandteile so klein sind, daß sie mit einem Lichtmikroskop ohnehin nie aufgelöst werden könnten. Ein Lichtmikroskop ist dafür viel zu grob. Nach Außen hin, sind Atome weitgehend Kugelförmig, innen sind Atome unscharf und nicht mehr genau fassbar. Dort ist alles nur mit einer bestimmten Wahrscheinlichkeit, aber nie an einem festgelegten Ort.

#4

Hallo!

Es gibt inzwischen Möglichkeiten, einzelne Moleküle „sichtbar“ zu machen. Natürlich ist damit nicht gemeint, dass man sie tatsächlich sehen kann, sondern man rastert sie ab, mist einen Strom oder eine Kraft, die ein Maß für den Abstand zwsichen Messspitze und Objekt sind und errechnet daraus mit dem Computer ein Bild.

Das sieht dann z.B. so aus:

http://preview.omicron.de/index2.html?/rom/highly_re…

Wenn ich den Text richtig verstanden haben, dann zeigen die Abbildungen 1 und 2 die Oberfläche von reinem Silizium. 3 zeigt eine Übersicht mit geringerer Auflösung, nachdem man das Silizium mit Silber bedampft hat. 4 und 5 zeigen Oberflächendetails nach dem Aufdampfen.

Silizium kristallisiert in der Diamtantstruktur. Die Sechseckstruktur ist in dem Bild gut zu erkennen. Der Abstand zwischen zwei hellen Punkten beträgt in der Abbildung (geschätzt) 0,5 nm. Das passt sehr gut der tatsächlichen Bindungslänge von Si (gegoogelt) 543 pm = 0,543 nm.

Wie Du siehst, waren unsere Vorstellung von der geometrischen Gestalt von Kristallen gar nicht schlecht.

Trotzdem haben meine beiden Vorredner recht, wenn sie sagen, dass das Bild, das wir uns von Atomen und Molekülen machen können, immer nur einen Modellcharakter hat.

Michael

#5

Hallo Carsten,

noch eine Ergänzung zu den zahlreichen Antworten:

Bzgl. Aussehen von einzelnen Atomen könnte man auch so sagen: Das ist gar nichts Sichtbares.

Denn „sichtbar“ heißt nichts anderes als: Elektromagnetische Wellen im sichtbaren Bereich (d.h. „Licht“) werden reflektiert. Dies ist aber in der Größenordnung von Atomen nicht der Fall. Anders gesagt: „Licht“ sieht ein Atom gar nicht. Ähnlich läßt sich eine Wasserwelle von z.B. 10 m Wellenlänge von einem faustgroßen Stein nicht „stören“.

Elektromagnetische Wellen mit einer passenden Wellenlänge aber würden das Atom bzw. seine Elektronen-„Wolke“ zerstören („ionisieren“). Das geht also auch nicht.

Daß Elektronen einen Atomkern „umkreisen“ ist auch nur ein Bild, das in den ersten Atommodellen Berechnungen möglich machte. Umgekehrt kann man die etwas komplizierte mathematische Struktur (und etwas anderes ist im Grunde ein Atom gar nicht) anschaulich machen, indem man die Werte bestimmter Funktionen in Bildpunkte übersetzt. Diese Funktionen beschreiben jedoch nicht soetwas wie eine „Bahn“ des Elektrons, sondern, wie schon erwähnt, seine Aufenthaltswahrscheinlichkeit in einem jeweiligen Raumbereich in der Umgebung des Atomkerns.

Für das einfachste Atom (Wasserstoff. 1 Proton + 1 Elektron) mit seinen verschiedenen Anregungszuständen sieht das dann so aus:
http://www.uni-graz.at/imawww/vqm/pages/qm_gallery/i…
http://www.physikdidaktik.uni-karlsruhe.de/software/…

Gruß
Metapher

#6

Hallo,
ich erinnere mich, vor einiger Zeit mal die erste Aufnahme von einer Schicht Goldatomen geesehen zu haben. Die lagen alle direkt flach nebeneinander, nur zwei oder drei lagen eine Schicht höher.
Die Aufnahme wurde mit einem REM gemacht. Das Einzige was mich da gestört hat war, dass den Atomen tatsächlich die Farbe Gold zueordnet war. Aber ansonsten schien es glaubhaft zu sein, nur finde ich im Moment die Seite nicht.
Grüße, jo-enn