MINT lernen

Textaufgaben: Das Orbitalmodell

Fünf Sachaufgaben mit Teilaufgaben und vollständigem Erwartungshorizont — vom Ventilator-Vergleich über die Messreihe bis zum Urteil über ein Schulbuchbild.

Zum NachschlagenZurück zur ErklärungDas Orbitalmodell — Punktwolke, 90-%-Grenze und der Vergleich mit Bohr.
Fortschritt
0 / 0 Aufgaben

Fünf Sachaufgaben

Jede Aufgabe hat Teilaufgaben mit Operatoren (fahre mit der Maus darüber), gestufte Hinweise und einen vollständigen Erwartungshorizont. Eine Aufgabe zählt als bearbeitet, sobald du alle Erwartungshorizonte geöffnet hast.

AFB I Wiedergeben und beschreiben AFB II Anwenden, berechnen, vergleichen AFB III Beurteilen und entwickeln
1 Aufgabe 1 AFB I

Der Ventilator und die Wolke

Im Unterricht wird die Elektronenwolke mit einem laufenden Ventilator verglichen (Material M1): Die Flügel sind nicht mehr einzeln zu erkennen, man sieht nur eine graue Scheibe, die innen dunkler und außen heller ist.

M1Zwei Bilder, die sich ähneln
Laufender Ventilator innen dunkler, außen heller — die Flügel sind nicht zu sehen Elektronenwolke (H-Atom) innen dicht, außen dünn — das Elektron ist nicht zu sehen

Links ein Alltagsbild, rechts das Modellbild — beide zeigen Häufigkeit, nicht ein Foto von einem Augenblick.

  1. Gib an, was im Ventilator-Bild dem Elektron entspricht und was der Elektronenwolke entspricht.
  2. Beschreibe, wie aus vielen einzelnen Ortsmessungen das Bild der Elektronenwolke entsteht.
  3. Nenne einen Punkt, an dem der Vergleich mit dem Ventilator nicht mehr passt.
Hinweis zu Aufgabe a)
Der Ventilator hat drei Flügel, die man einzeln nicht sieht. Frage dich: Was ist im Atom das Ding, das man einzeln nicht „sieht“ — und was ist das graue Bild?
Hinweis zu Aufgabe b)
Beginne mit einer einzigen Messung (ein Punkt) und steigere: 10, 100, 1 000 Messungen. Was passiert mit dem Bild?„Beschreiben“ heißt: den Ablauf in eigenen Worten, Schritt für Schritt — ohne Begründung.
Hinweis zu Aufgabe c)
Beim Ventilator läuft der Flügel tatsächlich auf einer Kreisbahn. Gilt das auch für das Elektron?
Erwartungshorizont zu Aufgabe a)

Dem Elektron entspricht ein einzelner Flügel, der Elektronenwolke die graue Scheibe, die man beim laufenden Ventilator sieht. Beide Bilder zeigen, wo etwas häufig ist (innen dunkel bzw. dicht) und wo selten (außen hell bzw. dünn).

Erwartungshorizont zu Aufgabe b)

Eine Ortsmessung liefert genau einen Punkt: den Ort, an dem das Elektron in diesem Augenblick angetroffen wurde (Momentaufnahme). Wiederholt man die Messung an vielen gleichen Atomen, liegt der Punkt jedes Mal woanders. Trägt man alle Punkte in ein Bild ein, entsteht nach einigen hundert Messungen ein Muster: dicht in Kernnähe, nach außen immer dünner, ohne scharfen Rand. Dieses Muster ist die Elektronenwolke.

Erwartungshorizont zu Aufgabe c)

Beim Ventilator läuft jeder Flügel tatsächlich auf einer festen Kreisbahn — man könnte mit einer schnellen Kamera jederzeit Ort und Bewegung feststellen. Beim Elektron gibt es genau diese Bahn nicht: Ort und Bewegung sind nicht gleichzeitig genau bekannt, der nächste Messort ist nicht vorhersagbar. (Auch zulässig: Der Ventilator ist eine flache Scheibe, das Orbital ein räumliches Gebilde.)

2 Aufgabe 2 AFB II

Die Messreihe

In einer Simulation wurden 2 000 Ortsmessungen am Elektron eines Wasserstoffatoms ausgeführt. Der Abstand vom Kern wurde jeweils in Vielfachen des Grenzradius R angegeben — R ist der Radius der eingezeichneten Orbitalgrenze (Material M2).

M2Ergebnis der Messreihe
2 000 Ortsmessungen am Elektron eines Wasserstoffatoms
Abstand vom Kern
(in Vielfachen des Grenzradius R)
Anzahl MessungenFläche des Bereichs
(in Vielfachen von πR²)
0 bis 0,5 R7000,25
0,5 R bis 1 R1 1000,75
1 R bis 1,5 R1701,25
über 1,5 R30—

Die dritte Spalte gibt an, wie groß der jeweilige Bereich im Schnittbild ist — der innere Kreis ist klein, die Ringe nach außen werden größer.

  1. Berechne, welcher Anteil der Messungen innerhalb der Orbitalgrenze liegt, und erläutere, warum die Grenze „90-%-Grenze“ heißt.
  2. Erkläre, warum die 200 Messungen außerhalb der Grenze keine Messfehler sind.
  3. Ein Schüler sagt: „Zwischen 0,5 R und 1 R ist die Aufenthaltswahrscheinlichkeit am größten, denn dort liegen die meisten Punkte.“ Beurteile diese Aussage mithilfe der dritten Spalte.
Hinweis zu Aufgabe a)
Zähle die Messungen bis 1 R zusammen und teile durch 2 000. Der Name der Grenze ist eine Vereinbarung — welche?„Berechnen“ verlangt den Ansatz und die Rechnung, nicht nur die Zahl.
Hinweis zu Aufgabe b)
Hat die Wolke einen Rand? Was bedeutet „selten“ im Unterschied zu „verboten“?
Hinweis zu Aufgabe c)
Vergleiche nicht die Anzahl, sondern die Anzahl pro Fläche: Teile die Messungen jedes Bereichs durch seine Fläche.„Beurteilen“ verlangt ein eigenes, begründetes Urteil — nicht nur „richtig“ oder „falsch“.
Erwartungshorizont zu Aufgabe a)

Innerhalb der Grenze: 700 + 1 100 = 1 800 Messungen. Anteil: \(\frac{1800}{2000} = 0{,}9 = 90\,\%\).

Die Grenze ist so gezeichnet, dass sich das Elektron zu etwa 90 % innerhalb aufhält — deshalb heißt sie 90-%-Grenze. Die 90 % sind eine Vereinbarung, damit man dem Orbital überhaupt eine Größe zuordnen kann.

Erwartungshorizont zu Aufgabe b)

Die Elektronenwolke hat keinen scharfen Rand: Die Aufenthaltswahrscheinlichkeit wird nach außen immer kleiner, aber nie null. Messungen außerhalb der Grenze sind daher erwartbar — bei 2 000 Messungen etwa 10 %, also rund 200. Sie zeigen nicht einen Fehler des Geräts, sondern eine Eigenschaft des Elektrons: Außerhalb ist es selten, nicht verboten.

Erwartungshorizont zu Aufgabe c)

Die Aussage ist nicht haltbar. Zwar liegen im Ring von 0,5 R bis 1 R die meisten Punkte (1 100), aber dieser Ring ist dreimal so groß wie der innere Kreis. Pro Flächeneinheit: innen \(\frac{700}{0{,}25}=2800\), im Ring \(\frac{1100}{0{,}75}\approx 1467\), weiter außen \(\frac{170}{1{,}25}=136\). Die Punktdichte — und damit die Aufenthaltswahrscheinlichkeit pro Fläche — ist innen am größten und nimmt nach außen ab. Der Schüler verwechselt „viele Punkte“ mit „dicht“.

3 Aufgabe 3 AFB II

Lena gegen Malik

In einer Diskussion über die Atomhülle fallen zwei Aussagen (Material M3).

M3Zwei Aussagen
Lena„Das Elektron kreist auf einer Bahn um den Kern, so wie die Erde um die Sonne. Deshalb kann man immer sagen, wo es gerade ist.“
Malik„Man kann nur sagen, wo man das Elektron wie oft findet. Aber seine Energie ist trotzdem fest — die hat Bohr schon richtig beschrieben.“

Beide sprechen über dasselbe Elektron — aber mit den Bildern zweier verschiedener Modelle.

  1. Gib an, welche Aussage zu welchem Atommodell gehört, und nenne das Jahr des jeweiligen Modells.
  2. Vergleiche die beiden Modelle in drei Punkten: Ort des Elektrons, Bild der Hülle, Energie des Elektrons.
  3. Begründe, warum man sagt, das Orbitalmodell habe Bohrs Modell nicht „widerlegt“, sondern „verbessert“.
Hinweis zu Aufgabe a)
Wer spricht von einer Bahn wie bei einem Planeten? Wer spricht von Häufigkeit?
Hinweis zu Aufgabe b)
Eine Tabelle mit drei Zeilen und zwei Spalten ist hier die klarste Form.„Vergleichen“ heißt: Gemeinsamkeiten und Unterschiede nach Kriterien gegenüberstellen.
Hinweis zu Aufgabe c)
Was aus Bohrs Modell hat das Orbitalmodell übernommen? Was hat es nur ersetzt?
Erwartungshorizont zu Aufgabe a)

Lena beschreibt das Modell von Bohr (1913): feste Kreisbahn, Ort jederzeit angebbar. Malik beschreibt das Orbitalmodell (1928): nur Aufenthaltswahrscheinlichkeit, aber feste Energie.

Erwartungshorizont zu Aufgabe b)

Ort: Bohr — auf einer festen Kreisbahn; Orbital — irgendwo, mit angebbarer Wahrscheinlichkeit. Bild der Hülle: Bohr — dünne Schalen wie Ringe; Orbital — Wolke, innen dicht, außen dünn, ohne Rand. Energie: in beiden Modellen feste Energiestufen (Gemeinsamkeit) — das ist der Punkt, in dem Malik Bohr ausdrücklich recht gibt.

Erwartungshorizont zu Aufgabe c)

Das Orbitalmodell übernimmt die Kernaussagen Bohrs: winziger Kern, Elektronen in der Hülle, feste Energiestufen, Besetzung 2, 8, 18 und die Erklärung der Lichtfarben. Es ersetzt nur die eine Vorstellung, die sich nicht bestätigen ließ — die Bahn — durch die Aufenthaltswahrscheinlichkeit. Damit erklärt es zusätzlich Form und Winkel von Molekülen. Ein Modell, das alles Bewährte behält und nur den unhaltbaren Teil austauscht, ist eine Verbesserung, keine Widerlegung.

4 Aufgabe 4 AFB II

Wie leer ist ein Atom?

Der Atomkern des Wasserstoffs ist ein einzelnes Proton. Material M4 nennt die Größenordnungen von Kern und 1s-Orbital.

M4Größenordnungen im Wasserstoffatom
Radius des Kerns (Proton)rK ≈ 1 · 10−15 m = 1 fm Radius der 90-%-Grenze (1s-Orbital)R ≈ 1,4 · 10−10 m = 0,14 nm Zum Vergleich: ein Stecknadelkopf hat etwa 1 mm Durchmesser, ein Fußballfeld ist etwa 100 m lang. nicht maßstäblich!

Der Kern ist im Bild rechts nur ein Punkt — in Wirklichkeit wäre er bei diesem Maßstab noch viel kleiner.

  1. Berechne, wie viel größer der Radius der Orbitalgrenze ist als der Radius des Kerns.
  2. Entwickle ein maßstäbliches Modell: Der Kern wird durch einen Stecknadelkopf (Durchmesser 1 mm) dargestellt. Berechne, wie weit die Orbitalgrenze dann vom Kern entfernt wäre, und nenne einen Vergleich aus dem Alltag.
  3. Oft heißt es: „Ein Atom ist fast leer.“ Beurteile diese Aussage aus Sicht des Orbitalmodells.
Hinweis zu Aufgabe a)
Teile den großen Radius durch den kleinen. Achte auf die Zehnerpotenzen: 10−10 geteilt durch 10−15 = 105.
Hinweis zu Aufgabe b)
Der Stecknadelkopf hat den Radius 0,5 mm. Multipliziere diesen Radius mit dem Faktor aus a).„Entwickeln“ heißt: einen eigenen, begründeten Vorschlag machen — hier den Maßstab wählen und konsequent anwenden.
Hinweis zu Aufgabe c)
Wo sitzt die Masse? Wo hält sich das Elektron auf — und gibt es im Orbital einen Bereich, in dem es gar nicht sein kann?
Erwartungshorizont zu Aufgabe a)

\(\frac{R}{r_K}=\frac{1{,}4\cdot 10^{-10}\,\text{m}}{1\cdot 10^{-15}\,\text{m}}=1{,}4\cdot 10^{5}=140\,000\). Die Orbitalgrenze liegt rund 140 000-mal weiter außen als der Rand des Kerns.

Erwartungshorizont zu Aufgabe b)

Kernradius im Modell: 0,5 mm. Orbitalradius im Modell: \(0{,}5\,\text{mm}\cdot 140\,000 = 70\,000\,\text{mm} = 70\,\text{m}\). Liegt der Stecknadelkopf auf dem Anstoßpunkt eines Fußballfeldes, reicht die 90-%-Grenze bis fast zu den Toren (Feldlänge etwa 100 m, halbe Länge 50 m) — das Orbital wäre also größer als das ganze Spielfeld.

Erwartungshorizont zu Aufgabe c)

Die Aussage stimmt, wenn „leer“ massefrei meint: Fast die gesamte Masse sitzt im winzigen Kern, der Raum dazwischen enthält nur das leichte Elektron. Sie stimmt nicht, wenn „leer“ elektronenfrei meint: Im Orbitalmodell ist die Aufenthaltswahrscheinlichkeit des Elektrons überall im Orbital größer als null — es gibt keinen Bereich, in dem es „nicht“ ist. Das Atom ist also leer an Masse, aber ausgefüllt von der Elektronenwolke. Ein begründetes Urteil muss diese beiden Bedeutungen unterscheiden.

5 Aufgabe 5 AFB III

Das Schulbuchbild

Ein Schulbuch zeigt ein Natriumatom wie in Material M5: Der Kern in der Mitte, die elf Elektronen als kleine Kugeln auf drei Ringen. Im Kapitel „Radioaktivität“ wird im selben Buch nur noch mit Kern und Hülle nach Rutherford gearbeitet.

M5Darstellung im Schulbuch
11+ Natrium-Atom (aus einem Schulbuch) Kern mit 11 Protonen, Elektronen als blaue Kugeln auf drei Ringen: 2 – 8 – 1.

Ein bewährtes Bild — aber welches Modell steckt dahinter?

  1. Erläutere, welches Atommodell das Bild zeigt und welche Vorstellung es beim Betrachter erzeugt.
  2. Beschreibe, wie das Bild aussehen müsste, wenn es das Orbitalmodell darstellen sollte, und erkläre, warum ein solches Bild für elf Elektronen schwer zu zeichnen ist.
  3. Beurteile, ob es vertretbar ist, im Kapitel „Radioaktivität“ mit dem einfacheren Modell von Rutherford zu arbeiten, obwohl das Orbitalmodell die Hülle richtiger beschreibt.
Hinweis zu Aufgabe a)
Zähle: 2 – 8 – 1 auf drei Ringen. Welches Modell hat die Besetzung der Schalen eingeführt? Was „sagt“ ein Ring über den Ort des Elektrons?
Hinweis zu Aufgabe b)
Die Wolke des Wasserstoffatoms kennst du. Bei elf Elektronen überlagern sich elf Aufenthaltsbereiche — was passiert mit der Übersicht?
Hinweis zu Aufgabe c)
Wo spielt sich Radioaktivität ab: im Kern oder in der Hülle? Ein Modell wird nach seinem Zweck gewählt.„Beurteilen“ verlangt Argumente für und gegen — und am Ende ein klares eigenes Urteil.
Erwartungshorizont zu Aufgabe a)

Das Bild zeigt das Modell von Bohr (1913): Elektronen auf festen Schalen mit der Besetzung 2, 8, 1. Es erzeugt die Vorstellung, jedes Elektron sei eine kleine Kugel, die auf einer dünnen Kreisbahn in festem Abstand um den Kern läuft — man könnte also jederzeit angeben, wo sich jedes Elektron befindet. Genau diese Vorstellung lässt sich nicht bestätigen.

Erwartungshorizont zu Aufgabe b)

Im Orbitalmodell gäbe es keine Ringe und keine Kugeln, sondern Wolken: Bereiche, die innen dicht und außen dünn sind, jeweils mit einer gezeichneten 90-%-Grenze. Für die inneren Elektronen ein kleines, kugelförmiges 1s-Orbital, weiter außen größere und teils hantelförmige Orbitale. Bei elf Elektronen überlagern sich diese Bereiche — das Bild würde zu einer einzigen unübersichtlichen Wolke, aus der man weder die Zahl der Elektronen noch die Besetzung 2, 8, 1 ablesen könnte. Das Bohr-Bild ist also nicht „richtiger“, aber übersichtlicher.

Erwartungshorizont zu Aufgabe c)

Für Rutherford: Radioaktivität spielt sich im Kern ab — Protonen und Neutronen verändern sich, die Hülle ist nur Zuschauer. Alles, was man dafür braucht (winziger Kern, Hülle aus Elektronen, Kernladungszahl), enthält bereits das Modell von Rutherford; die Feinheiten der Hülle spielen keine Rolle. Ein einfacheres Modell macht die Überlegungen klarer. Gegen Rutherford: Man muss wissen, dass es sich um eine Vereinfachung handelt, sonst verfestigt sich das Bild der Bahn. Urteil: Es ist vertretbar und sogar sinnvoll, weil ein Modell nach seinem Zweck gewählt wird — vorausgesetzt, die Vereinfachung wird benannt. Genau das tut das Kapitel: „Das Orbitalmodell sollst du kennen, rechnen musst du damit nicht.“

ZurückZur KapitelübersichtAtom- und Kernphysik — alle Unterkapitel.