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Die quantenmechanischen Zustände der Elemente

Eine weitere Ordnungsstruktur für die Elemente ist das quantenmechanische Schalenmodell. Die atomaren Schalen werden mit den vier Quantenzahlen: der Hauptquantenzahl (N), der Drehimpulsquantenzahl (l), der Magnetischen Quantenzahl (m) und dem Spin (± 1/2) beschrieben. Nach dem Pauli Prinzip müssen sich die vier Quantenzahlen bei jedem quantenmechanischem Mehrteilchensystem mindestens in einem Wert unterscheiden, d.h. ein Zustand kann immer nur mit einem Elektron besetzt sein. Aus der Kombinatorik der möglichen Zustände ergibt sich das, es zu jeder Hauptquantenzahl N; 2*N^2 Zustände geben kann. Die Elemente und die Perioden des Mendeljewschen Periodensystems zeigen aber, dass nicht alle möglichen Zustände besetzt werden. In der folgenden Tabelle sind die theoretischen und die gefundenen Werte des traditionellen Periodensystems aufgeführt.


Der Grund für diese Abweichungen bei der Schalenbesetzung ist nicht bekannt.

In der folgenden Abbildung wird die heutige Schaleneinteilung mit der Periodizität des Periodensystems in Verbindung gebracht. In dieser Darstellung wurde jedes Element entsprechend der festgestellten Besetzungsreihenfolge in die Abbildung aufgenommen. Auf der linken Seite der Abbildung sind die Perioden des Periodensystems aufgetragen.

Der Beginn einer jeden neuen Schale ist durch die Hauptquantenzahl n, am linken Rand der Grafik, gekennzeichnet. Alle folgenden Unterschalen sind mit den schwarz gestrichelten Linien verbunden. Man sieht, dass sich die quantenmechanischen Unterschalen ab Schale M sich über mehrere Perioden erstrecken. In der vierten Periode sind z.B. die Elemente der 3d Unterschale zu finden. Auch entspricht die Besetzungsreihenfolge nicht mehr der Perioden bzw. Schalenzuordnung.

In dieser Abbildung sind die Zustände (s) ab der Schale N grün markiert und die letzten beiden letzten Elemente der Zustände (d) gelb. Diese Kennzeichnung hat den Zweck, zu zeigen, welche Veränderungen vorgenommen werden müssen, um zum „neuen“ Periodensystem zu kommen.

Zum besseren Verständnis der Veränderungen wird das angepasste Schalenmodell in der unteren Abbildung schon einmal dargestellt.

Auch in dieser Darstellung sind die Perioden durch die blau gestrichelten Lienen gegeneinander abgegrenzt. Die Abgrenzung der Unterschalen wird durch die schwarzen Linien dokumentiert. Es wird deutlich, dass es pro Periode nur noch eine Schale gibt.

In der dritten Periode findet die erste Veränderung statt. Deshalb wird – statt wie bisher der vierten Periode – jetzt die 3d Unterschale der dritten Periode zugeordnet. Zu dieser Unterschale werden die beiden Elemente Kalium und Calcium gezählt sowie die beiden letzten Elemente Kupfer und Zink entfernt. Damit entspricht die dritte Periode der dritten Schale. Die Unterschalen 3 s und 3p bleiben von den Veränderungen unberührt.

Die vierte Periode beginnt mit den beiden Elementen Kupfer und Zink, die die Unterschale s besetzten; sie stammen aus der dritten Periode, aus der 3d Unterschale. Der vierten Periode wird nun nur noch die 4d Schale zugeordnet. Aus ihr werden die beiden Elemente Silber und Cadmium entfernt und stattdessen die beiden Elemente Rubidium und Strontium aus der vorherigen 4s Unterschale zugeordnet. Die 4p Unterschale bleibt von den Veränderungen unberührt. Die vierte Periode ist genauso besetzt wie die dritte Periode.

In der fünften und sechsten Periode finden in der Unterschale d und f größere Umordnungen statt als bisher. In der traditionellen Darstellung hat die fünfte Periode 18 Elemente. Diese werden um die Elemente der Lantanoide erweitert. Die fünfte Periode hat damit 32 Elemente.

Die fünfte Periode setzt sich nun wie folgt zusammen: Die beiden s Zustände werden von Silber (Ag) und Cadmium (Cd) besetzt; sie entspringen der 4d Unterschale. Die 5p Unterschale bleibt unverändert und enthält 6 Elemente. Die neue 5d Unterschale hat nicht mehr 10 Elemente, sondern 14 und dies sind die Elemente der Lanthanoide. Die letzten drei Elemente dieser Unterschale werden der 5f Unterschale zugeordnet. Die neue 5f Unterschale stammt aus der alten 5d Unterschale ohne die Elemente Gold (Ag) und Quecksilber (Hg), die die 6s Unterschale besetzen.

In der sechsten Periode hat es ähnliche Veränderungen gegeben wie in der fünften Periode. Die beiden 6s Zustände werden von Gold und Quecksilber besetzt. Die 6p Unterschale bleibt, wie bei den anderen Perioden, unberührt. Die neue 6d Unterschale hat, wie die 5d Unterschale, jetzt 14 Elemente. Ihr wurde die Nebengruppe der Actinoide zugeordnet, die wiederum die beiden Elemente des 7s Zustands erweitert ist, nämlich um Francium (Fr) und Radium (Rd).Am Ende dieser Unterschale fehlen die beiden Elemente Mendelevium (Md) und Nobelium (No). Die 6f Unterschale schließt die 6-te Periode ab und endet mit dem 110. Element.

Die siebte Periode beginnt dann mit dem 111 Element, dem Roentgenium (Rg), das zweite Element in s7 Unterschale ist das Copernicium (Co).

An dieser Stelle ist man schon tief in den künstlich erzeugten Elementen, aus diesem Grund möchte ich die Beschreibung der Veränderungen im Schalenmodell hier abbrechen. Die Besetzung der weiteren Schalen wird in der beschriebenen Form fortgesetzt.