1_13_Atommodelle

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Struktur der Materie
Aufbau der Natur aus „Ur-Elementen“: Wasser, Luft, Feuer, Erde
Leukipp und Demokrit (500-400 v. Chr.):
Aufbau aus wenigen „kleinsten, unteilbaren Urteilchen“
(α-θομοs, vgl. „Tomographie“)
Durch das ganze Mittelalter hindurch:
 Bronze (Legierung aus Kupfer und Zink)
 Eisen aus Erz und Kohle
 Quecksilber aus Zinnober (HgS)
 Gold aus … ?
Lomonossov (1756), Lavoisier (1774):
„Gesetz von der Erhaltung der Masse bei chemischer Reaktion“
1
Struktur der Materie
Lavoisier (1774):
Zerlegung von Quecksilberoxid (HgO)
in seine Bestandteile bei 400 °C.
Rückreaktion bei 300 °C.
(„Traite elementaire de Chimie“:
33 Elemente, von denen aber nur 23
wirkliche Elemente im heutigen Sinn
waren)
2
Struktur der Materie
Dalton (1808):
Element ist der kleinste, aus Atomen, chemisch darstellbare Baustein
eines Stoffs (erstes „Periodensystem“ sortiert nach Atommassen)
Periodensystem der Elemente (1869 Mendelejew / Mayer):
Einteilung in acht Gruppen (senkrechte Spalten nebeneinander,
waagerechte Perioden untereinander)
Verbindungen von Elementen:
- kovalente Bindung (Heitler 1927):
gemeinsame Elektronenpaare (Wasserstoffmolekül H2 )
- metallische Bindung (Bloch 1928)
- Ionenbindung (polare Bindung, Pauling 1932)
3
Struktur der Atome
Goldstein (1876):
Leuchterscheinungen in Glasgefäßen (Gasentladungen)
„Kathodenstrahlen“ :
 Ablenkung durch magnetisches Feld
 Ablenkung durch elektrisches Feld
 Unabhängig vom Kathodenmaterial
 Leuchterscheinung weiter ausgedehnt als
mittlere freie Weglänge der Gasteilchen
Lennard (1894):
Kathodenstrahlen auch außerhalb des Glasgefäßes (Nobelpreis 1905)
Röntgen (1895):
abgebremste Kathodenstr. erzeugen X-Strahlen (erster Nobelpreis 1901)
Thomson und Lennard (1899):
Kathodenstrahlen bestehen aus Elektronen
(ca. 2000mal leichter als Wasserstoff)
4
Struktur der Atome
Becquerel (1896):
„Uranstrahlen“ schwärzen eine Photoplatte
durch Papier (wie Röntgenstrahlen, 1895)
Ehepaar Curie (1898):
 aus Uranpechblende
Polonium und Radium isoliert
 Wird Radium in einem geschlossenen
Gefäß aufbewahrt, so kann man vorher
nicht vorhandenes Helium nachweisen.
Rutherford (1897):
„Uranstrahlen“ zeigen a- und b-Strahlen
Villard (1900):
Radium zeigt a- und g-Strahlung
5
Struktur der Atome
Rutherford (1903-1913):
Beschuß von Metallfolien
mit a-Strahlung
Beobachtungen:
- es wird unter allen
Winkeln gestreut
- die meisten Teilchen
fliegen unabgelenkt
durch die Goldfolie
- rückgestreute Teilchen
haben fast den gleichen
Impuls wie beim Einfall
Ernest Rutherford
(1871-1938)
„... es war beinahe so unglaublich, als wenn man mit einer 15-Zoll-Granate auf ein Stück
Seidenpapier schießt und die Granate zurückkommt und einen selber trifft.“
(E. Rutherford nach seinem Goldfolienexperiment)
6
Struktur der Atome
Atommodell nach Rutherford
- fast die gesamte Masse der Atome ist in einem Atomkern konzentriert.
- Atomkernradius ca. 10-15 m entspricht 1 / 50.000 des Atomradius
(„Kirschkern im Eifelturm“)
- die Kernladung ist ein ganzzahliges Vielfaches einer
positiven Elementarladung
- Anzahl der im Kern enthaltenen Elementarladungen ist die
Kernladungszahl ( = Elektronenzahl, Ordnungszahl im Periodensystem)
„Planetensystem“: Elektronen umkreisen den Atomkern
7
Struktur der Atome
Schwachstelle des Planetenbahnenmodells:
- kreisende Elektronen müssten fortlaufend Energie abstrahlen,
somit langsamer werden und binnen kurzer Zeit in den Kern
stürzen und dort mit einem Proton verschmelzen
- kontinuierliche Energieänderung widerspricht diskreten Linienspektren
Atommodell nach Bohr (1913)
Überwindung der Schwachstellen durch Forderungen („Postulaten“):
1. Elektronen bewegen sich ohne
Strahlungsverlust auf ihren Bahnen
2. Wechsel von Bahnen geht mit portioniertem Energieübertrag einher (gequantelt)
8
Struktur der Atome
Erfolg des Bohr‘schen Atommodells
f
Die Abfolge der Linien im optischen Spektrum von
Wasserstoff war qualitativ und quantitativ erklärt !
E = - Ry / n2
(Ry Rydbergkonstante, n Hauptquantenzahl)
9
Struktur der Atome
Quantenmechanik:
Elektronen werden als Welle und Teilchen beschrieben werden
Einstein (1905): Licht, bisher als Welle, kann auch als Teilchen („Photon“)
gesehen werden (einfache Erklärung des photoelektrischen Effekts von
Hallwachs 1888).
Davisson und Germer (1923-1927):
Beugung von Kathodenstrahlen an Kupfer-Einkristall.
de Broglie (1924):
Elektronen lassen sich sowohl als Teilchen als auch als Wellen
beschreiben („Materiewellen“)
Heisenberg (1925) und Schrödinger (1926):
Quantenmechanik begründet Welle-Teilchen-Dualismus von Materie
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Struktur der Atome
Dirac (1928):
Aus der Kombination von Quantenmechanik und Relativitätstheorie
folgt die Existenz von „Antimaterie“
Magnetfeld
Anderson (1932):
Entdeckung des Positrons (Elektron
mit positiver Elementarladung)
Die Bahnen von Elektron und
Positron laufen in einer Nebelkammer
auseinander:
Bleifolie
gleiche Radien
gleiche Massen
entgegengesetzte
Krümmungen
entgegengesetzte
Ladungen
g - Strahlung
11
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