Ph 9 Die Welt der Atome - Franz

Ph 9 Die
Welt der Atome
200 Jahre Forschung in Theorie und Experiment haben zu folgenden Modell-Vorstellungen in
bester Übereinstimmung mit den experimentellen Fakten geführt.
Wie bei jedem physikalischen Modell sind diese Vorstellungen aber vage, unvollständig,
unverständlich und evtl. sogar völlig falsch!
Sie stellen nur die „einfachste“ mathematische Beschreibung der experimentellen Fakten dar.
Die für uns greifbare alltägliche materielle Welt besteht aus vier
elementaren Masseobjekten nicht definierbarer Größe unterhalb 10-18 m :
Elektronen e
Quarks u,d: „up“ und „down“ (in je zwei Massevarianten)
Neutrinos ν
Zu jedem Teilchen existiert ein sog. Antiteilchen mit „gespiegelten“ Eigenschaften.
Diese sog. Quantenobjekte interagieren sehr komplex mit etlichen nicht direkt im Alltag
erkennbaren Grundkräften, sog. „starken“ und „schwachen“ Wechselwirkungen
Diese Wechselwirkungen sind ebenfalls Quantenobjekte mit Masse.
Sie bewirken die von uns im Alltag wahrnehmbaren bekannten
Elektromagnetischen Kräfte, die Stabilität der Atome (starke Kraft)
und den radioaktiven Zerfall, ihre Instabilität. (schwache Kraft).
Die Atome zerfallen von alleine ohne äußere Einwirkung aufgrund interner WWen.
Die Gravitation spielt hier keine Rolle!
Diese Quantenobjekte lassen sich erfolgreich mathematisch auf sehr komplexe Art und
Weise beschreiben durch die sog. QuantenChromoDynamik, entziehen sich aber völlig einer
banalen Modellvorstellung im Sinne lokalisierbarer Massekügelchen mit Ort und
Geschwindigkeit und sie sind mindestens 4 – dimensional.
Erst auf mindestens molekularer Ebene > 10-9 m macht der Begriff Masseteilchen Sinn!
In dieser Welt sind alle Größen quantisiert: es gibt eine kleinste, die nicht unterschritten
werden kann.
-19
Einige Größen sind absolut quantisiert: die elektrische Ladung 1e = 1,6∙10 C
Es gibt nur ganzzahlige Vielfache dieser Elementarladung
Die Quarks bilden mithilfe der Farbkräfte insbesondere die für unsere Alltagsmaterie
bedeutsamen Protonen p = uud und Neutronen n = ddu
und binden sie zu größeren Objekten, den „Atomkernen“ mit z Protonen und n Neutronen:
n+z
z
Atomkern mit 10-14 m Durchmesser
Isotopie: i.a. ist n ≠ z . Die verschiedenen Isotope sind unterschiedlich stabil.
Die Protonen und Elektronen wechselwirken untereinander und miteinander über die
elektrische Kraft. Mit ihr binden die Protonen genau z Elektronen an den Kern: Atom
Atomdurchmesser 10-10 m
Das „härteste“ Atom ist Eisen:
56
26
Fe, das stabilste Blei
82
Pb in allen Isotopenvarianten
Sowohl Atomkern wie die Elektronenhülle können nur quantisierte Energiezustände
einnehmen, die mit einem spektakulären Raum-Zeit-Verhalten einhergehen.
Die bildliche Darstellung dieses Verhaltens nennt man Orbitale.
Es liegt in der Natur aller Kräfte, dass sie jedes System zwingend in den Zustand möglichst
kleiner Gesamtenergie manövrieren. Deshalb gibt es in der Natur nur 92 im Rahmen
menschlicher Zeitspannen stabile Atome 11H … 23792U
Die elektrischen Kräfte der Protonen und Elektronen reichen über das Atom hinaus.
Dadurch entstehen Atomverbände: Moleküle wie Na+ Cl- oder auch nur H2
in der Größenordnung einiger Nanometer
Einige dieser Verbindungen bilden kristalline Strukturen: kubisches Na+ Cl- Gitter
Wiederum sind es elektrische Kräfte, die Moleküle zu mitunter extrem komplexen
Mikroobjekten binden: Zucker, Alkohol, Aminosäuren, DNA …
Elektrische Kräfte formen daraus die alltäglichen Stoffe und Körper: Holz, Plastik, …
Unseren Alltag im Bereich 0,001 m bis 1000 km und mit Massen im Bereich bestimmen
elektrische Kräfte. Die Gravitation greift im Alltag spürbar erst im Bereich planitesimaler
Größenordnung.
Unsere mechanischen Alltagsvorstellungen sind erst ab mikroskopischer Größenordnung
im Bereich > Mikrometer tauglich.
Im Bereich einiger Nanometer regieren EM-Kräfte unvorstellbarer Größe …
Die Kräfte im (sub-) atomaren Bereich entziehen sich banaler Alltagsvorstellung völlig.
Historisches …
„Ölfleckexperiment“ S 97 ein etwas aufwendiges „Küchenexperiment“:
Man kann mit einfachsten Mitteln die Größenordnung von Molekülen abschätzen:
Ölmoleküle wie C17 H33COOH haben ein „hydrophiles“ und ein „hydrophobes“ Ende.
Sie bilden daher auf der H2 O Wasseroberfläche einen „monomolekularen Teppich“,
dessen Dicke (also die Moleküllänge) man problemlos messend ermitteln kann.
Leider bedeutet das in der Praxis, dass ein wenig Öl auf Wasser eine weit ausgedehnte
Dichtungsschicht bildet.
Berechne für eine typische Schichtdicke von 1 nm, wie groß die von 1 Liter Öl verseuchte
Wasseroberfläche ist (mit einem Fehler von ca. Faktor 2):
Dass es kleinste Materieteilchen wie Atome gibt und dass diese eine Struktur
(Elektronenhülle, Protonenkern) haben, wissen wir erst seit ca. 100 Jahren. Dass es Neutronen
und damit Isotope gibt, erst seit 70 Jahren, dass es Quarks gibt, seit 50 Jahren.
Die Physiker hinterfragen die Natur der Materie oft mit sog. Streuexperimenten in
mitunter Maschinen mit gigantischen Ausmaßen: in CERN, DESY u.a.
Recherchiere:
Das erste Streuexperiment: Rutherford-Experiment
Das von unseren Augen wahrnehmbare Licht ist eine Elektromagnetische Welle
Diese entstehen, wenn Ladungen beschleunigt werden, speziell, wenn sie schwingen.
Ein besonderer Schwingzustand auch im makroskopischen Alltag sind stehende Wellen.
Stehende Wellen haben diskrete (quantisierte) Energien.
Das Verhalten der Elektronen im Atom lässt sich abstrakt als stehende Welle beschreiben.
Daher sind die Energiezustände der Atomhülle diskret quantisiert.
Die Atomhülle kann nur in sog. Quantensprüngen von einer Energiestufe zu einer
anderen wechseln.
Der Sprung auf eine höhere Stufe erfolgt durch Energiezufuhr von außen.
Der Rücksprung erfolgt statistisch mit gewisser Halbwertszeit
Das bedeutet: ohne äußere Einwirkung ist nach der sog. Halbwertszeit die Hälfte einer sehr
großen Anzahl von Atomen in den Ausgangszustand zurückgekehrt.
Der Rücksprung eines bestimmten Atoms ist nicht festgelegt und rein zufällig.
Die Aussage Halbwertszeit macht nur bei sehr vielen (nicht mehr zählbaren) Atomen Sinn.
Von unzähligen isolierten Neutronen sind nach 611 Sekunden 50% zerfallen (→ p,e,ν + γ)
Die Anregung der Atome kann auf mehrere Arten erfolgen: mechanisch, elektrisch, Licht
Der Rücksprung von einem hohen in den niedrigen Energiezustand erfolgt stets durch die
Abstrahlung einer zeitlich und räumlich begrenzten EM-Welle: eines Photons
Dabei gilt ΔE = h∙f
mit dem die gesamte Atomphysik bestimmenden
Planck´schen Wirkungsquantum h = 6,6261∙10-34 Js
Einen kleinen Ausschnitt der von den Atomen (und Molekülen) abgestrahlten EM-Wellen
bildet das von unseren Augen wahrgenommene
Licht mit Wellenlängen zw. 800 nm (rot) bis 400 nm (blau).
Moleküle strahlen Infrarot ab: einige 1000 nm
Atomhüllen strahlen 1000 nm bis 1nm ab: ~ 100 nm = UV, ~ 1nm Röntgen
Atomkerne strahlen bei ihren Energiesprüngen EM-Wellen << 1nm ab: γ
Eigenarbeit: Röntgenstrahlung, Röntgengeräte