Atome sind nicht unteilbar

Die Suche nach dem Unteilbaren
Atome sind nicht unteilbar
Max Camenzind
Akademie für Ältere
Heidelberg 2015
www.lsw.uniheidelberg.de/users/mcamenzi
Von Demokrit bis Higgs
?
1/10.000.000
>
<
0,01 m
Kristall
1/10
10-9 m = nm
Molekül
Stecknadelkopf:
10-3 m = 1 mm
1/10.000
10-10 m
Atom - nm
1/1000
1/10
10-14 m
Atomkern
Einstein
10-15 m
Proton
Fermi
Elektron & Quarks sind unteilbar:
< 10-18 m = 1 Attometer
Video http://
<10-18 m
Quark,
Elektron
punktförmig?
I. Atome sind nicht unteilbar
Physik/Uni Basel
20 Brom-Atome auf NaCl - 5,6 nm
II. Einstein erklärt Atomkerne E = mc²
III.
François Englert und Peter Higgs
erhalten nach 40 Jahren den Nobelpreis
Photo: CERN
IV. Dunkle Materie ist überall …
auf der Suche nach Dunkler Materie
Doku zu
Vorträgen
A4 180 S. s/w
Auf Bestellung
Vorträge auf
Homepage:
www.lsw.uniheidelberg.de/
users/mcamenzi
Unsere Themen heute
• John Dalton erinnert sich an Demokrit.
• Das Rutherford Experiment  „PlanetenModell“ des atomaren Aufbaus.
• Welche Kräfte waren vor 100 Jahren
bekannt?  Feldbegriff ist fundamental!
• Das Problem der Stabilität der Atome.
• Einstein 1905: EM Wellen sind auch Teilchen
 Photonen – das älteste Elementarteilchen.
• Orbitale: Elektronen nicht lokalisierbar,
verhalten sich auch wie Wellen.
•  Schrödinger löst 1926 das Problem.
Woraus besteht Materie ?
?
Gedanken der griechischen Philosophen:
Leukip & Demokrit (460-371 v.Ch.):
 Materie besteht aus unteilbaren,
kleinen Bausteinen = atomos () = unteilbar
Aristoteles u.a.: Der Raum ist kontinuierlich mit
Materie ausgefüllt
Demokrit kontra Aristoteles
Bereits vor 2500 Jahren behauptete Demokrit (460-371 v.
Chr.), dass alle Materie aus unteilbaren ("atomos")
Grundbausteinen zusammengesetzt sei. Von diesen
Grundbausteinen sollte es nur eine kleine Anzahl
unterschiedlicher Typen geben. Die verschiedenen
Eigenschaften von Materie erklärte Demokrit aus der
unterschiedlichen Anordnung und Kombination dieser
Grundbausteine im leeren Raum. Diese Auffassung wurde
von Aristoteles jedoch kritisiert, da er die Vorstellung eines
leeren Raumes ablehnte. In Anlehnung an seinen Lehrer
Platon erklärte er die Vielfalt der irdischen Erscheinungen
stattdessen aus dem Zusammenwirken der Grundelemente
Feuer, Wasser, Erde und Luft. In den folgenden 2000
Jahren sollte das Abendland hierin Aristoteles folgen, und
der Atomismus blieb zunächst folgenlos.
Die Welt des Aristoteles:
Feuer, Wasser, Erde und Luft
Abendland hing am Tropfen des Aristoteles
-500
EMPEDOKLES: Luft, Feuer, Wasser, Erde
DEMOKRIT: „Atomos“
EPIKUR: „Chem. Bindung“
ARISTOTELES: „4 Elemente: Feuer, Wasser, Erde, Luft“
0
500
2000 Jahre „Kirchenvakuum“:
322 v. Chr. – 1632 n. Chr.
Aristotelisches Weltbild wird dogmatisch
übernommen, „Ketzer“ werden hingerichtet.
1000
1500
KOPERNIKUS, KEPLER, GALILEI
DALTON: 1. und 2. Verbindungsgesetz
AVOGADRO: Gase, Moleküle
FARADAY, MAXWELL: elektrische Natur der Atome, Feldbegriff
2000
RUTHERFORD: experimentelle Beweise
nach AkadOR W. Wagner, BOHR;
Didaktik der
Chemie, Universität
Bayreuth, verändert
Folie 17
PLANCK,
HEISENBERG,
SCHRÖDINGER: Orbitaltheorie
Lehre des Aristoteles
dominiert auch Kunst
Raffael Fresko in der Stanza della Signatura Vatikan
Der weinende Heraklit & der lachende Demokrit
Fresko von Donato Bramante (1477), Pinacoteca di Brera, Mailand
2500 Jahre Atomismus
Das Problem wurde erfolgreich gelöst
Atommodell
Dalton 1808
fest
flüssig
Erklärt nicht die
Radioaktivität
1869 D. Mendelejew & Lothar Mayer
Elemente bestehen aus Atomen – Was ist Atom?
Anordnung nach Atomgewicht [Wasserstoff]
1897 weist J.J. Thomson das Elektron nach
mit Hilfe der Kathodenstrahlröhre
1897 weist J.J. Thomson das Elektron nach
RosinenModell
J.J. Thomson
PlanetenModell
Rutherford
Ernest
Rutherford
Cambridge
1871-1937
* Neuseeland
Herausragender
Experimentalphysiker
Untersucht 1912
Atomstrukturen
in Manchester
Lebenslauf
Ernest Rutherford










Geboren 30. August 1871 in Brightwater, Neuseeland
Zunächst Studium am Canterbury College
Ab 1897 an der McGill-University in Montréal, Kanada
tätig
Fortsetzung seiner Arbeit an der Universität in
Manchester, England
1914 wird er zum Ritter geschlagen und trägt von nun
an den Titel Sir Ernest Rutherford
Ab 1919 arbeitet er als Professor am Cavendish-Lab in
Cambridge
1921 veröffentlicht er erstmals seine Schrift „Über die
Kernstruktur der Atome“
Von 1925 bis 1930 Präsident der Royal Society
1931 wird er zum Baron ernannt und trägt nun den Titel
Sir Ernest Rutherford, Baron Rutherford of Nelson
Verstorben am 19.Oktober 1937 in Cambridge
Das neu errichtete Physikgebäude der McGill-Universität in Montreal
zählte zu den modernsten Forschungseinrichtungen seiner Zeit.
Ernest Rutherfords Labor im Cavendish-Laboratorium, 1926.
Rutherfords Leistungen





Rutherford gilt als einer der bedeutendsten Atomund Experimentalphysiker – Zeitgenosse Einsteins
1902 stellt er die Hypothese auf, dass Chemische
Elemente durch radioaktiven Zerfall in Elemente
niedrigerer Ordnungszahl übergehen.
1903 teilt er die Radioaktivität in Alpha-, Beta- und
Gammastrahlung ein und führt den Begriff der
Halbwertszeit ein, wofür er 1908 schließlich den
Nobelpreis für Chemie bekommt.
Rutherford war der Erste der experimentell
nachwies, dass Atomkerne (hier Stickstoff) durch
Bestrahlung in andere Atomkerne (hier Sauerstoff)
umgewandelt werden können. Hierbei entdeckte er
erstmals das Proton.
Sein bekanntester Beitrag in der Atomforschung ist
das Rutherfordsche Atommodell.
Leistungen 2




Unter Rutherfords Anleitung wurde zum ersten
Mal künstlich mit beschleunigten Teilchen ein
Atomkern aufgespaltet: er ließ Lithium mit
Protonen beschießen, welches sich dann in zwei
Heliumkerne aufspaltete.
Auf seiner Arbeit baut der experimentelle
Nachweis des Neutrons (1932 von James
Chadwick) auf, dessen Existenz er schon Jahre
vorher theoretisch nachgewiesen hatte.
Zu seinen Ehren wurde 1997 das Element 104 als
Rutherfordium benannt, und der Asteroid(1249)
als Rutherfordia.
Unter anderem ist Sir Ernest Rutherford noch
heute auf der neuseeländischen 100-Dollar-Note
zu sehen.
Rutherford Streuversuch 1911-1913
mit alpha-Teilchen an Goldfolie
-Teilchen sind He-Kerne
 Nahezu die ganze Masse des Atoms ist in einem winzigen
Atomkern konzentriert, der positiv geladen ist.
 Atome sind „leer“
 Atome
sind „leer“
 Rutherfords Atom-Modell
10-14 m
Kern : Atom = 1 : 10.000
10-10 m
 das Atom ist leer !
 Das Atom ist nicht unteilbar – es besteht aus Elektronen und dem Kern
Welche Kräfte binden das Atom?
und woraus bestehen die…?
Die neue Physik 1850 - 1920
Welche Kräfte sind vor
100 Jahren bekannt ?
Isaac
Newton
1687
Newton1: Trägheitsgesetz
Ein Körper bleibt in Ruhe oder
bewegt sich mit konstanter Geschwindigkeit geradlinig, wenn
keine Kraft auf ihn wirkt.
Newton2:
Aktionsprinzip
g


F  ma
Die zeitliche Änderung des
Impulses ist proportional zur
äußeren Kraft, die auf den
Körper wirkt.
Wasseruhr als Zeitmesser
 Wasser im Eimer wurde gewogen
Experimente mit Kinderspielzeug
Bauen Sie eine schiefe Ebene
Galileo Galileis Schiefe Ebene
 Entdeckung der
Beschleunigung g
Nach Newton:
1
3
Weg s = g t²/2
5
1 + 3 = 4 = 2²
1 + 3 + 5 = 9 = 3²
1 + 3 + 5 + 7 = 16 = 4²
7
Newton3: Actio = Reactio
Bei Wechselwirkung zweier Körper
ist die Kraft, die auf den ersten Körper
wirkt umgekehrt gleich der Kraft, die
der zweite auf den ersten ausübt.
 Als Reaktion auf das Ausstoßen der
Verbrennungsgase wird die Rakete
beschleunigt (sog. Rückstoßprinzip).
Isaac Newton 
Gravitation 1687
Alle Körper ziehen sich an
Gravitationskraft
gilt auch im Sonnensystem  Kepler-Gesetze
Messung
GravitationsKonstante G
Torsionswaage
Cavendish 1797
G = 6,67384x10-11
m³/kg s²
Maxwell (1861-1864)
2 weitere Kräfte sind
damals bekannt:
 elektrische Kraft
(Katzenfell)
 magnetische Kraft
(Kompassnadel)
Maxwell zeigte, dass
beide Phänomene
verwandt sind:
Bewegte Ladungen
 Magnetfelder
 Begriff des Feldes zentral
In der Physik beschreibt ein Feld die räumliche
Verteilung einer physikalischen Größe. Dabei
kann es sich um ein Skalarfeld handeln wie z. B.
das Gravitationspotential F oder das
elektrostatische Potential, oder um ein Vektorfeld
wie z. B. das Gravitationsfeld oder das elektrische
Feld. Der Wert eines Feldes an einem bestimmten
Ort wird in manchen Fällen Feldstärke genannt.
Das elektrische Feld E wird durch seine
Kraftwirkung F auf eine Probeladung q definiert:
Fe = q E analog Fg = mg , g = GM/r²
Vektorfeld auf einer Sphäre
In jedem Punkt setzt ein Vektor an
E = (Ex,Ey,Ez)
E
Felder erfüllen den leeren Raum
Elektrische Dipolfelder - Feldlinien
E
E = (Ex,Ey,Ez)
Felder erfüllen den leeren Raum
2 positive Ladungen stoßen sich ab
Dipolmagnetfeld umgibt Erde
B
Felder vermitteln Wechselwirkung
Die newtonsche Gravitationstheorie ist eine Fernwirkungstheorie, da in dieser Theorie nicht erklärt wird, wie die Gravitationswechselwirkung durch den leeren Raum transportiert.
Wechselwirkungstheorien müssen, um die Kausalität von
Ereignissen nicht zu verletzen, lokal sein. Mit Hilfe des
Feldbegriffs können Wechselwirkungen lokal beschrieben
werden. Der Körper A ist vom Gravitationsfeld umgeben und
reagiert auf die Änderungen des Feldes in seiner Umgebung und
nicht direkt auf die Verschiebung anderer Körper, die das Feld
erzeugen. Das Feld ist also Träger der Wechselwirkung.
Feldgleichungen beschreiben, wie und mit welcher
Geschwindigkeit sich Störungen in einem solchen
Wechselwirkungsfeld ausbreiten. Die Feldgleichungen des
Elektromagnetismus sind die Maxwell-Gleichungen.
Die Maxwell-Gleichungen für E & B
• Gauß Gesetz: Ladungen erzeugen elektrische
Felder – div E = 4pe0r; el. Feldlinien Ansatzpunkt
• Gauß Gesetz Magnetismus: Es gibt keine
magnetischen Ladungen (Monopole) - div B = 0;
magnetische Feldlinien sind immer geschlossen.
• Faraday Induktionsgesetz: zeitlich veränderliche
Magnetfelder erzeugen elektrische Felder
senkrecht zu B-Feld (Prinzip Generator).
• Ampère Gesetz: stromdurchflossene Leiter
erzeugen magnetische Felder, ebenso zeitabhängige elektrische Felder (Zusatz von Maxwell).
Maxwell: Licht = elektromagn. Wellen
Zeitabhängige elektrische und magnetische Felder
c = 299.297.458 m/s
Das elektromagnetische Spektrum
im Universum
ln=c
Sonnenstrahlung:
l = 100 nm - 4 m
Terrestrische
IR-Strahlung:
l = 4 m - 100 m
Interferenz – typisch für Wellen
Youngs Doppelspalt-Versuch 1801
Natur elektromagnetischer
Strahlung – Welle oder Teilchen
• Welle-Teilchen-Dualismus:
elektromagnetische Strahlung erscheint
entweder als Welle oder als Teilchen.
• Geschwindigkeit elektromagnetischer
Strahlung im Vakuum (Einstein 1905):
c = 299.297,458 km/s
Max Planck 1900
Wirkungsquantum h
h = 4,1 x 10-15 eV s
Der Schwarze Körper
 Planck postuliert h 1900
Absorbiert sämtliche Strahlung
 Keine Transmission oder Reflexion
 Thermische Emission mit bestimmter
Intensität und spektraler Verteilung

Plancksches
Strahlungsgesetz:
Wie sieht die EnergieVerteilung u(l) aus?
u(l)?
1900: Plancks grundlegende
Annahme  Oszillatoren
im Hohlraum nur diskrete Frequ
E  h n
Planksche Wirkungsquantum:
h  (6,6256  0,0005) 10
27
Js
Energie  Zeit
Plancksches Strahlungsgesetz
• ein schwarzer Körper der Temperatur T
emittiert Strahlung der Frequenz n mit der
Intensität  2 Naturkonstanten: h und k
2hn
1
Bn (T )  2 hn / kT
.
c e
1
3
• Max Planck (1900): Energie kann nur
gequantelt abgegeben bzw. aufgenommen
werden (sonst  „UV-Katastrophe”).
 Plancksches
Strahlungsgesetz
h nmax = 2,8 kT
2hn
1
Bn (T )  2 hn / kT
.
c e
1
3
Photoeffekt 1905
Licht besteht ebenfalls aus Quanten. Es setzt
je nach seiner Wellenlänge mehr oder
weniger Elektronen frei, wobei kurze Wellen
mit höherenergetischen Quanten auch
höherenergetische Elektronen erzeugen.
E  h n
hc = 1,26 eV µm
h = 4,1 x 10-15 eV s
CCDs sind Photonenzähler
CCDs werden wie Computer Chips auf Silizium-Wavers produziert
mittels photolithographischer Techniken. CCDs sind heute die
wichtigen Detektoren im Optischen und können beträchtlich groß
ausfallen, was sie natürlich auch teuer macht.
Natürliche Einheiten für Teilchen
• Mikrowelt Größen:
1 fm = 1 Femtometer („Fermi“) = 10-15 m ~ 1 Proton
(1 µm = 1.000.000.000 fm)
• Mikrowelt Energie:
1 ElektronVolt = 1eV = 1,602 x 10-19 J
1 KiloElektronVolt = 1 keV = 1000 eV
1 MegaElektronVolt = 1 MeV = 1.000.000 eV
1 GigaElektronVolt = 1 GeV = 1.000.000.000 eV
• 1 TeraElektronVolt = 1 TeV = 1 Billion eV = 1000 GeV
•  Massen in Energieäquivalent: me = 511,0 keV/c²
Protonenmasse: mp = 938,27 MeV/c²
Diskrete Emissionslinien
 Photonen werden nur in
diskreten Einheiten emittiert/absorbiert
1913 Bohr Atom-Modell
Elektronen können nur auf
ganz bestimmten Bahnen
(sog. Schalen) existieren.
Quantenbedingung:
vn: Bahngeschwindigkeit
2pRn mevn = nh
Die Bohrsche Quantisierung
 Warum ist das Atom stabil ?
Es passen genau drei Wellen in einen Orbit
de Broglie (1924) Materiewelle: l = h/mev
ElektronenMikroskop
Niels Bohr
und Albert
Einstein
Termschema
Wasserstoff
Atom

funktioniert
aber nicht für
kompliziertere
Atome,
wie He, … !
 Modell falsch!
Erwin Schrödinger
 1926 Wellenmechanik
5. Solvay Konferenz 1927 / Brüssel
Elektronen ~ Stehende Wellen der Trommel
2s Sphärisch
1s
2p
3d
Frequenz:
2pE/h ~ 1016 Hz 3p
Grafik: Wikipedia/Circular Membrane
3s
Dipole
4p
4d Quadrupole
5d
(n,L,m)
(5,0,0)
(5,1,0)
(5,1,1)
3 Quantenzahlen  Keine Elektronenbahnen
(5,3,1)
(5,2,0)
(5,4,0)
s (L=0): Sphärisch
p (L=1): Dipol
d (L=2): Quadrupol
f (L=3): Sextupol
Im strengen Sinn ist ein Orbital eine stationäre Lösung der quantenmechanischen
Schrödingergleichung (ein Energiezustand eines Elektrons).
Auschließungsprinzip von Pauli
 Periodensystem Elemente
Zwei Teilchen mit halbzahligem
Spin (Fermionen) können sich nie
im selben Zustand befinden.
 Elektronen in einem Atom
können nie in allen
Quantenzahlen (n,L,m,s)
übereinstimmen  Schalenbau
 salopp: Fermionen sind
Einzelgänger.
 s = +1/2,-1/2: Spin des Elektrons
 zur Verdopplung der Blöcke
Orbitalmodell
He-Atom
n = 1,2,3,4,…
B-Atom
Be-Atom
Li-Atom
L = 0,1,…,n-1
C-Atom
m = -L,…,0,…,+L
s: L=0 (0); p: L=1 (3x2); d: L=2 (5x2); f: L=3 (7x2)
Das Periodensystem der Elemente
Video http://
Zusammenfassung
• Max von Laue und Rutherford erkunden experim
die Struktur der Materie und Aufbau der Atome
 Atome sind leer, schwerer Kern, + geladen.
• Newton begründet die Gravitationskraft und
Maxwell führt den Begriff des Feldes ein,
zunächst noch an Äther gebunden, später jedoch
als selbständige Entität erkannt – Feld existiert
an jedem Raumpunkt, kann zeitabhängig sein.
• Licht besteht aus elektromagnetischen Wellen
• Planck und Einstein: Photonen verhalten sich als
Welle oder als Teilchen  dies begründete den
Teilchen-Welle-Dualismus der Mikrowelt.
•  Elektronen in Atomen sind stehende Wellen.