Zusammenfassung: Aufbau des Atoms

Die Struktur der Materie im Überblick
Objekte sichtbar machen
• bloßes Auge: ~ 1mm
• Auge plus Lupe: ~1/10 mm
10 fach vergrößert
• Auge und Mikroskop:
~ 1/1000 mm = 1 µm (Mikrometer)
1000 fach vergrößert
 Immer noch keine Bausteine
sichtbar
 Wie groß sind die eigentlich ?
Wie kann man 0.001 µm „sehen“?
• Was heisst überhaupt „sehen“ ?
• Sehen = Abbilden
Wurfgeschoß (Projektil)  Zielobjekt  Nachweisdetektor
•
Wichtig: „Auflösungsvermögen“
• Dazu nötig:
1. Größe der Projektile << Größe der Strukturen
2. Treffgenauigkeit << Größe der Strukturen
Unbekanntes Objekt in einer Höhle
• Projektil: Basketbälle
• Projektil: Tennisbälle
• Projektil: Murmeln
...Nichts wie weg !
Objekte mit Wellen sichtbar machen
Verfügbare Wellenlängen
eletromagnetische Wellen
LW
3000 m
MW
300 m
KW
30 m
UKW
3m
GPS
0.3 m
Infrarot
10-6 m
Licht
5 10-7 m
2 eV
10-7
m
10 eV
Röntgen Strahlung
10-10 m
104 eV
γ-Strahlung
10-12 m
106 eV
UV
E  h  
hc

Erkenntnisse der Quantenphysik
Entdeckung:
Lichtwellen haben Teilcheneigenschaft
(Photoeffekt)
E  h  
hc


p

Entdeckung:
Teilchen haben Welleneigenschaft
(Elektronenmikroskop)
h

p
Photoelektischer Effekt: Energie Erhaltung
e-
eh
e-
h
e-
Emax=
h- eUwork
Elektron Energie
Ee= h- Ebinding
Elektron Energie
Huygens: Welle
Interferenz und Beugung
z.B. Thomas Young
Doppelspalt (1801)
Atome als Wellen
Eintrittsschlitz
2mm
He*
inkohärent
l = 0.47 Å
1mm
8mm
•angeregtes Helium zum einfacheren Nachweis
•Wellenlänge (i.e. Geschwindigkeit) muss “scharf” sein
•Schlitze!!
Carnal&Mlynek, PRL 66,2689)1991
Graphik: Kurtsiefer&Pfau
Mögliche Projektile für Strukturen < 0.001 µm
•
•
•
•
•
Sichtbare Lichtteilchen (!) (Photonen bei 0.25-0.5 eV)
Punktförmig (< 0.001 fm)
Treffgenauigkeit: 0.8 µm – 0.4 µm („Wellenlänge“)
Röntgenstrahlen (Photonen bei 20 keV)
Punktförmig (< 0.001 fm)
Treffgenauigkeit: 0.00001 µm (~ 1/10 Atomradius)
Abbildung schwierig, da nicht fokussierbar
Elektronen bei 20 keV
Punktförmig (< 0.001 fm)
Treffgenauigkeit: 0.00001 µm (~ 1/10 Atomradius (!) )
Protonen bei 2 GeV
Größe: 1 fm
Treffgenauigkeit: 0.1 fm (~ 1/10 Protonradius)
...
allgemeiner Zusammenhang:
1 eV
für Auflösung
10-6 m
1 keV
für Auflösung
10-9 m
1 MeV
für Auflösung
10-12 m
1 GeV
für Auflösung
10-15 m
1 TeV
für Auflösung
10-18 m
  1/ E
m  1.24 1012 / EMeV 
Energie:
1 Elektron Volt = 1 eV
= 1.6 1019 Joule
Die Mikroskope der Teilchenphysiker:
Beschleuniger
Objekt
Größe
Energie
Kristall
10-6 m
1 eV (Lichtmikroskop)
Molekül
10-9 m
1 keV=103 eV (Elektronenmikroskop)
Atom
10-10 m
10 keV=104 eV
Atomkern
10-14 m
100 MeV=108 eV
Proton
10-15 m
1 GeV=109 eV
Quark/Elektron
<10-18 m
1 TeV=1012 eV
1 eV=1.6 10-19 Joule
Die Mikroskope der Teilchenphysik: Beschleuniger
• Haben Sie auch daheim!
• Funktionsprinzip:
Simulation
• Linearbeschleuniger:
• Fermilab, Chicago (in Betrieb)
• DESY, Hamburg (in Planung)
Die Struktur des Atoms
• 1911 Beschuss mit Heliumkernen auf Goldfolie
Größe: 1.5 fm, Treffgenauigkeit: 1 fm
Atomdurchmesser: 100.000 fm
harter Kern: 5 fm
• 1919 Rutherford: Heliumkerne auf Stickstoff
 Beobachtung einzelner Protonen
• 1932 Chadwick: Heliumkerne auf Beryllium
 Beobachtung einzelner Neutronen
• kleiner Atomkern aus Protonen und Neutronen
• umgeben von riesiger Elektronenhülle
Bausteine der Atomkerne
Das Quark-Gluon-Plasma
Das Quark-Gluon-Plasma
Die Augen der Teilchenphysik: Detektoren
CERN, Genf,
bis 2000
Elektronische Bilder
Suche nach Bausteinen der Materie
Blasenkammeraufnahme
Zusammenfassung Bausteine
• Fundamentale Bausteine der Materie:
– Elektron e, Up-Quark u, Down-Quark d
– Alle punktförmig ( < 0.001 fm)
• Welche Kräfte halten die Bausteine zusammen?
• Was ist überhaupt eine fundamentale Kraft ?