Planetenmodell des Atoms

Das Planetenmodell oder Saturn-Modell des Atoms wurde 1904 von dem japanischen Physiker Hantaro Nagaoka (1865–1950) entwickelt. Es stellte einen wichtigen Schritt in der Erforschung der Struktur des Atoms dar und diente als Grundlage für spätere Atommodelle, wie das von Niels Bohr im Jahr 1913 vorgeschlagene und nach ihm benannte Bohrsche Atommodell.

Nagaoka stützte seine Ideen auf die experimentellen Ergebnisse von Sir Joseph John Thomson (1856–1940), der 1897 das negativ elektrisch geladene Elektron als Bestandteil des Atoms entdeckt hatte. Da Atome aber elektrisch neutral sind, mussten diese auch eine entgegengesetzte positive Ladung enthalten. Daher schlug Thomson im Jahr 1904 schlug vor, dass das Atom eine Kugel mit gleichmäßiger verteilter positiver Ladung sei, in der die Elektronen wie Pflaumen in einem Pudding verstreut seien, was zu dem Begriff "Plum Pudding"-Modell führte.

Nagaoka lehnte Thomsons Modell mit der Begründung ab, dass entgegengesetzte Ladungen undurchdringlich seien. Er schlug daher noch im selben Jahr ein alternatives Planetenmodell des Atoms vor, bei dem ein massives positiv geladenes Zentrum von einer Reihe kreisender, durch elektrostatische Kräfte gebundener Elektronen umgeben ist, ähnlich wie der Saturn und seine Ringen durch gravitative Kräfte bindet. Einige Details des Modells erwiesen sich jedoch als falsch. Insbesondere wären elektrisch geladene Ringe aufgrund von abstoßenden Störungen instabil, weshalb Nagaoka selbst im Jahr 1908 sein vorgeschlagenes Modell aufgab.

Die Grundidee von Nakaokas Modell wurde dennoch durch den 1909 von Ernest Rutherford und seinen Mitarbeitern Hans Geiger und Ernest Marsden durchgeführten Streuversuch bestätigt. Rutherford ging nun selbst von der Existenz eines massiven positiv geladenen Atomkerns aus, der von den leichten negativ geladenen Elektronen umkreist wird und schlug 1911 das später nach ihm benannte Rutherfordsche Atommodell vor, wobei er in seiner Veröffentlichung auch Nagaokas Modell erwähnt. Rutherfords Modell hatte allerdings hatte allerdings das Problem, dass kreisenden Elelektronen nach den Gesetzen der Elektrodynamik beständig Energie in Form elektromagnetischer Wellen abstrahlen müssten und wegen des damit verbundnen Energieverlusts sehr schnell in den Kern stürzen müssten. Dieses Problem wurde erst durch das von Niels Bohr 1913 vorgestellte Bohrsche Atommodell gelöst, indem Bohr die von Max Planck entwickelte Quantenhypothese auf die kreisenden Elektronen anwendete. Bohr stellte dabei die folgenden Postulate auf: a. Elektronen bewegen sich in festen Bahnen um den Atomkern, ohne Energie abzustrahlen. b. Elektronen geben oder nehmen Energie in Form von Photonen auf, wenn sie von einer Bahn auf eine andere springen (der berühmte Quantensprung). Dies führt zu diskreten Energieniveaus und spektralen Emissions- und Absorptionslinien.