inhalt 1.) der welle-teilchen-dualismus 2 2.) der doppelspaltversuch
Werbung
INHALT 1.) DER WELLE-TEILCHEN-DUALISMUS 2 2.) DER DOPPELSPALTVERSUCH 5 3.) GRENZEN VON WELLEN - U. TEILCHENNATUR 6 4.) KENNZEICHEN DER „KLASSISCHEN PHYSIK“ UND DER „PHYSIK DES 20. JAHRHUNDERTS“ 7 5.) STREUUNG VON WELLEN UNTER BERÜCKSICHTIGUNG DES WELLE-TEILCHENDUALISMUS 9 6.) KRAFT DES ATOMKERNS AUF ELEKTRONEN 9 7.) ATOMKERN 12 8.) KERNREAKTIONEN - RADIOAKTIVITÄT - BIOLOGISCHE WIRKUNG 14 Kernreaktionen 14 Radioaktivität 15 Physiologische Bedeutung der Radioaktivität 16 17 9.) ENERGIEFREISETZUNG AUS KERNSPALTUNG UND -FUSION „Wer über die Quantenmechanik nachdenken kann, ohne im Kopf wirr zu werden, hat sie nicht wirklich verstanden.“ (Niels Bohr) S-ATOM2.DOC Seite 1 2008 Tintel 1.) Der Welle-Teilchen-Dualismus Bei der Untersuchung der Natur des Lichts haben wir kennengelernt, dass seine Wellen- bzw. Teilche nnatur scheinbar einander widersprechen, jedoch beides Aspekte einer beobachtbaren Größe sind. Beschreibt die geometrische Optik durch geradlinige Ausbreitung des Lichts (nämlich als Strahl) die Phänomene, die durch die Teilchennatur des Lichts erklärbar sind, so erklärt die Wellenoptik die Erscheinungen der Beugung des Lichtes. Letztere können nur durch die Beschreibung des Lichtes als Kreis- bzw. Kugelwelle physikalisch erklärt werden. Im 19. Jhdt. konnte der Physiker Maxwell ein Modell entwickeln, das die Beschreibung der Erscheinungen der Optik, des Magnetismus und der Elektrizität auf wenige gemeinsame Formeln reduzierte. Die Übereinstimmung mit den Experimenten brachte die Physiker dazu, die Natur des Lichts nun ausschließlich als Welle zu erklären. (s. Optik!) In der Atomphysik sieht man, wie widerwillig sich bedeutende Physiker von der starren Vorstellung eines ausschließlich sich als Teilchen verhaltenden Atoms trennten. Durch die Frage, was nun „wirklich“ Materie sei, kommen wir zunächst zur Problemstellung der Antike: Als Welle wäre Materie beliebig teilbar, da sie weder Anfang noch Ende besitzt; als Teilchen kann man ihre begrenzte Ausdehnung erklären. 1888 experimentierte H. Hertz mit elektrisch geladenen Zinkplatten. Dabei stellte er fest, dass nur negativ geladene Zinkplatten von Tageslicht entladen werden können. Stellte er jedoch vor die negativ geladene Platte ein Fensterglas, so wurde die Platte nicht entladen. Auch konnte durch intensiveres Sonnenlicht keine Entladung der positiven Platten herbeigeführt werden. Also mussten die auf der Zinkplatte befindlichen Elektronen von „Lichtteilchen“ weggeschleudert werden: Licht als Welle kann nicht erklären, dass 1.) die Emission der Elektronen spontan erfolgt, also Energie nicht akkumuliert wird; 2.) die kinetische Energie ( => Geschwindigkeit) der herausgeschlagenen Elektronen von der Lichtintensität unabhängig ist; 3.) die kinetische Energie der Elektronen zur Frequenz des Lichts proportional ist. Deswegen musste eine Akkumulation des Lichts - wie es der Wellennatur entspräche - ausgeschlossen werden. Dieser „Photoeffekt“ wurde von Ph. Lenard formelmäßig erfasst: Ee = h*f - W mit: Ee... kinetische Energie der herausgeschlagenen Elektronen -34 h .... Plancksches Wirkungsquantum: h = 6,626*10 Js f .... Frequenz des Lichts W ... Arbeit, um die Materialhaftung der Elektronen zu überwinden Für sichtbares Licht ist die Ablösearbeit größer als die durch die Frequenz zur Verfügung stehende Energie. Anm.: Das Plancksche Wirkungsquantum h wurde von Max Planck bei der Untersuchung der Frequenzabstrahlung eines (leuchtenden) Körpers entdeckt. Die große Bedeutung von h liegt darin, dass Energie nur als Vielfaches einer kleinsten Einheit, nämlich h, abgegeben bzw. übertragen werden kann. Dies widersprach im ausklingenden 19. Jhdt. den Theorien der Strahlung und den Vorstellungen, dass Strahlung etwas Kontinuierliches sei. Diese Tatsache überraschte selbst Planck derart, dass er seine Entdeckung nicht S-ATOM2.DOC Seite 2 2008 Tintel veröffentlichen wollte und erst nach Kontrolluntersuchungen anderer Physiker zu dieser Entdeckung stand. 1905 formulierte A. Einstein (mit seiner Gattin) die „Photonenhypothese“, für die er 1921 den Nobelpreis bekam: Licht besteht aus Teilchen (= Photonen), welche die Energie E = f*h besitzen. Diese Theorie rief zunächst bei vielen Physikern große Skepsis hervor, darunter auch bei Planck, der ja eigentlich „Initiator“ dieser Theorie war. Eine wichtige Anwendung ist das Röntgenspektrum: In einer Elektronenröhre werden Elektronen durch eine Spannung beschleunigt (=> kinetische Energie = e*U). Sie erzeugen beim Aufprall auf einer Metallplatte (der „Anode“) Photonen, die maximal die Energie h*f = e*U besitzen. Somit kann ein solches Photon wegen c=λ*f als kürzeste Wellenlänge λ= h⋅ c 1 ⋅ haben. e U Somit ist das Röntgenspektrum als „Umkehrung“ des Photoeffekts verstehbar. Bsp.: Bei der Fernsehröhre tritt bei einer Beschleunigungsspannung von 25 000 V Röntgenstrahlung die kürzeste Wellenlänge 5. 10-11 m auf. Diese Strahlung wird überwiegend in der Bildschirmebene abgegeben. Nun wissen wir, dass jedes Teilchen Masse besitzt, sich aber nur langsamer als mit Lichtgeschwindigkeit bewegen kann. Dieser Widerspruch konnte mit der Relativitätstheorie (s. dort) gelöst werden: Licht kann nicht ruhen und besitzt die „Ruhemasse“ null. Der dem Lichtteilchen entsprechende Impuls p berechnet sich zu h λ p= . Bald nach Erstellung der Photonenhypothese wurde mit dem „Comptoneffekt“ eine weitere Erhärtung der Theorie gefunden: Bei der Streuung von Röntgenstrahlen an einem Kristall verringert sich die Frequenz der Strahlung, da beim Stoß der einfallenden „Röntgenphotonen“ mit den Elektronen des Kristalls die Photonen einen Teil der Energie abgeben. Dies ist bei der Erhaltung des Gesamtimpulses und der Gesamtenergie durch die Frequenzverminderung erklärbar. (Die Wellennatur der Röntgenstrahlung müsste die Kristallelektronen zu Schwingungen gleicher Frequenz anregen, was eine Intensitäts-, jedoch keine Frequenzverminderung bewirkten würde.) Für diesen 1922 entdeckten Effekt erhielt Arthur Howley Compton später den Nobelpreis. Andererseits ergibt sich die Frage, ob Materie unter Umständen auch Welleneigenschaften besitzt. Hier lieferte Louis de Broglie 1923 in einer zunächst hauptsächlich von Einstein befürworteten, sonst nicht geschätzten Doktorarbeit (für die er dann 1929 den Nobelpreis erhielt) den Anstoß. Er berechnete die Wellenlänge, die Materie einer bestimmten (Bewegungs-)Energie besitzen müsste: Impuls einer Welle : p = h λ Bewegungsenergie eines Teilchens : E = S-ATOM2.DOC m ⋅ v2 2 Seite 3 2008 Tintel Impuls eines Teilchens : p = m*v = > p2 = m2 ⋅ v2 ; p2 2 m = m⋅v p2 Nun setzt Broglie diesen umgeformten Impuls in der Energiegleichung ein: E = 2⋅ m h2 Abschließend wird der Impuls des Teilchens durch den der Welle ersetzt: E = 2 ⋅ m ⋅ λ2 Daraus ergibt sich die zugeordnete Wellenlänge der Materie zu: λ= h 2mE Nun galt es zu beweisen, dass ein langsamer Elektronenstrahl an einem Kristall gebeugt werden kann. Am 6.1.1927 gelang dies George Thomson und C. Davisson; sie erhielten dafür 1937 den Nobelpreis. Als Kuriosum sei angemerkt, dass G. Thomson der Sohn von Joseph Thomson ist, der seinerseits den Nachweis des Elektrons als Teilchen erbrachte. Dies zeigt besonders deutlich die Doppelnatur (= Dualismus) der Materie. Eine wichtige Anwendung der Wellennatur der Elektronen stellt die Entwicklung des Elektronenmikroskops dar: Prinzipiell ist jedem Mikroskop durch das verwendete Licht eine Grenze für die Vergrößerung gesetzt. Die kleinste Strecke d, die ein Mikroskop noch trennen kann, ergibt sich durch λ d = 2 ⋅ sin β , wobei λ die Wellenlänge des verwendeten Lichts ist und ß der halbe Öffnungswinkel, unter dem die Linse das Objekt „sieht“. Die Formel zeigt, dass die „Auflösung“ des Mikroskops mit kürzerer Lichtwellenlänge zunimmt. Nun ist die Verwendung kurzer Wellenlängen nicht so einfach: benützt man statt sichtbarem Licht (max. Vergrößerung etwa 2000-fach) kurzwelligeres UV-Licht, so können nur mehr spezielle Glassorten dieses bündeln. Geht man zu den noch kurzwelligeren Röntgenstrahlung über, so gibt es kein Material, mit dem diese wie Lichtstrahlen gebündelt werden können (also Röntgenstrahlen sich den der geometrischen Optik zugrunde liegenden Gesetzen gemäß verhalten). Schnelle Elektronen hingegen besitzen eine kurze (zugeordnete) Wellenlänge und können mittels Lorentzkraft von Magnetspulen („Magnetlinsen“) wie Strahlen gebündelt werden. Z.B. kann man trotz Magnetlinsenfehler mit Elektronen, die auf 100kV beschleunigt wurden, Abstände von 0,4 nm auflösen, was großen Molekülen entspricht. Die heute verwendete Form der Elektronenmikroskope wurde 1935 entwickelt. Anstoß dazu lieferte der Österreicher Hruza, der Ende der 80er Jahre mit anderen dafür den Nobelpreis erhielt. S-ATOM2.DOC Seite 4 2008 Tintel 1960 wurde das Rasterelektronenmikroskop entwickelt, das durch eine zeilenweise Abtastung der Präparatsoberfläche (ähnlich der Fernsehröhre) ein bes. plastisches und kontrastreiches Bild erzeugt. Die vorherige Abbildung zeigt ein mit Flusssäure geätztes Glimmerblättchen, dessen Kanäle wie ein feinporiges Filter wirken. Die Aufnahme entstand mit einem Rasterelektronenmikroskop. Um 1985 gelang ein weiterer großer Fortschritt mit dem Tunnelmikroskop: hier wird der quantenmechanische Effekt benutzt, dass Elektronen bei geringsten Abständen Energiebarrieren „durchtunneln“ können. Die dabei entstehenden winzigen Energiedifferenzen ermöglichen eine Darstellung von Größen, die bereits die Atomanordnung sichtbar machen - eine Möglichkeit, die in der Entwicklung dichtester Schaltungen („VLIC“) und in der Forschung bereits große Bedeutung erlangte. Die Abbildung links zeigt den Energiewall, den ein „klassisches Teilchen“ nicht durchdringen kann, wohl aber ein Teilchen, dessen zugeordnete Wellenlänge in der Größenordnung der Energiebarriere ist. Rechts ist oben die Energiekurve für ein freies Elektron an der Leiteroberfläche dargestellt, darunter der Tunneleffekt. 2.) Der Doppelspaltversuch Nach der Teilchentheorie von Newton müsste ein Teilchen(strahl) wie in der rechts stehenden Graphik einen Doppelspalt durchqueren. In Experimentieranordnungen jedoch stellen sich nachfolgende Beobachtungen ein: Versuchsaufbau (Prinzip): a.) Ein Spalt geschlossen, der andere offen: beobachtete Intensitätsverteilung ---------------------------------- Detektoren („Bildschirm“) _____ ________ _______ 2 Spalte (wahlweise abgedeckt) X S-ATOM2.DOC Elektronenquelle Seite 5 2008 Tintel b.) beide Spalte offen: beobachtete Intensitätsverteilung ---------------------------------- Detektoren („Bildschirm“) _____ ________ ________ 2 Spalte (beide offen) X Elektronenquelle Beschreibung des Experiments: Bei der Beugung einer Elektronenwelle an zwei (schmalen) Spalten entsteht wegen des Wellencharakters des Elektrons durch Interferenz der Kreiswellen jeden Spalts ein Beugungsmuster. Schließt man jedoch abwechselnd einen der Spalte, so verschwindet das Interferenzmuster. Man beobachtet eine Kreiswelle. Wäre das Elektron in diesem Experiment ein Teilchen, so würde der Großteil abgefangen; der Rest nach geradliniger Fortbewegung bei den Detektoren eintreffen. Dort dürften sie also nur in 2 Bereichen registriert werden. Sie „wissen“ ja nicht, dass es auch einen anderen Spalt gibt. Die Gesamtverteilung müsste die gleiche sein, unabhängig davon, ob ein Spalt geschlossen wäre oder beide offen sind. Dies steht im Widerspruch zu dem Messresultat. Erst Anfang der 1990er Jahre entschied das ein Experiment mit „verschärftem“ Aufbau: Die Elektronenquelle sendet so wenig Elektronen aus, dass jeweils nur ein Elektron zur Spaltebene unterwegs ist. Nun ergibt sich die Frage, ob dieses einzelne Elektron einen der Spalte (als Teilchen) passiert oder beide als Welle. Die bisherigen Ergebnisse bekräftigen das Wellenverhalten. Der Hintergrund solcher Überlegungen ist wissenschaftstheoretisch wichtig: Die Physiker Einstein, Podolsky und Rosen (EPR) wollten einen Widerspruch der Quantenphysik aufzeigen und formulierten Gedankenexperimente („EPR-Paradoxon“ genannt), die der obigen Anordnung äquivalent sind. (Mehr dazu nach den Atommodellen!). 3.) Grenzen von Wellen - u. Teilchennatur Werner Heisenberg musste bei seiner Dissertation in der Teilprüfung aus Experimentalphysik das Auflösungsvermögen von Mikroskopen erklären. Dies konnte er als Theoretiker - der Überlieferung nach - nur mangelhaft und wäre fast durchgefallen. Verärgert über das herablassende Verhalten des Prüfers, setzte er sich mit dem Thema und dessen theoretischen Grundlagen genau auseinander. Dabei stieß er auf die Problematik der Beeinflussung des Lichtes durch die Linsenränder des Mikroskops. Als Folge der Überlegungen gelang es ihm, allgemein die Wechselwirkung zwischen dem Messgerät und dem gemessenen Objekt zu erfassen. Zum Nachvollziehen der Idee möge folgende Überlegung dienen: S-ATOM2.DOC Seite 6 2008 Tintel Von einem Teilchen sollen Ort und Geschwindigkeit gleichzeitig bestimmt werden. Um den Ort genau(er) zu bestimmen, muss der Querschnitt des Gerätes, mit dem das Teilchen erfasst wird, verkleinert werden. Je geringer dieser Durchmesser wird, desto mehr nähert er sich der (zugeordneten) Wellenlänge des Teilchens (=> “Verwaschen“ des Ortes). Weiters erfährt das Teilchen beim Durchgang durch das Gerät mit abnehmendem Gerätequerschnitt eine zunehmende Beeinflussung des Impulses. Wird nun die Teilchengeschwindigkeit (über den Durchgangszeitpunkt an zwei Orten) gemessen, so kann dies wegen der vorherigen Beeinflussung prinzipiell nur mit begrenzter Genauigkeit erfolgen. Somit sind voneinander abhängende Größen (wie Ort und Impuls oder Zeit und Energie) prinzipiell nicht beide (gleichzeitig) beliebig genau erfasst. Dies formulierte Heisenberg in der nach ihm benannten „Heisenbergschen Unschärferelation“ : δx ⋅ δp ≈ h mit δx als Ungenauigkeit der Ortsmessung und δp -------------„----------- Impulsmessung Diese Unschärferelation ist eine prinzipielle Grenze für physikalische (Mess)vorgänge. Dadurch ist auch die deterministische Vorherbestimmtheit der materiellen Prozesse nicht möglich, wie sie einem „Laplaceschen Geist“ zugestanden worden ist. 4.) Kennzeichen der „Klassischen Physik“ und der „Physik des 20. Jahrhunderts“ In der „klassischen Physik“ werden Vorgänge erklärt (Bsp.: Bewegung der Planeten, Verhalten von Ladungen im Magnetfeld). In der „Physik des 20. Jahrhunderts“ versucht die Physik Strukturen zu erforschen (Bsp.: Zusammenhang von Raum und Zeit; die Natur von Licht als Welle und Teilchen) sowie die Aufklärung von Zusammenhängen. Da man jedoch mit Hilfe von Mikroskopen keine Strukturen von Atomen erforschen kann, mussten neue Untersuchungsmethoden gefunden werden, um diesen Ansprüchen gerecht werden zu können. Die wichtigste neue Methode ist die Streuung von Teilchen. Das erste Streuexperiment wurde 1911 von E. Rutherford zur Dimensionserfassung des Atom(kerns) durchgeführt. Das Prinzip jedes Streuexperiments ist folgendes: Ein Teilchenstrahl (aus Photonen, Elektronen, Protonen, Neutronen oder Atomen) wird auf eine zu unS-ATOM2.DOC Seite 7 2008 Tintel tersuchende Substanz (= Target) gelenkt. Diese streut wegen seiner Form und der Kraftwechselwirkung mit den Beschussteilchen diese in verschiedene Raumrichtungen. Die gestreuten Teilchen werden in Zählrohren registriert. Aus der Häufigkeitsverteilung können Rückschlüsse auf den Targetaufbau gezogen werden. Nun einige Stationen hinsichtlich des Wissens der Atomstruktur: Um 1900: Thomson („Rosinenkuchenmodell“): die Elektronen sind im Atom wie Rosinen im Kuchen eingebettet. 1911: Rutherford : Rutherford beschießt dünne Goldfolien (hohe Kernmasse, bes. geringe Dicke) mit α-Teilchen. Dabei erwartet er wegen der geringen Masse der im Atom verteilten Elektronen und der gleichmäßigen Verteilung der positiven Ladung im Atom nur wenig Wechselwirkung. Aber: Jedes 10 000-ste α-Teilchen wird um 900 abgelenkt, also vom Atom weggeschleudert! (Zitat: ... als würde eine 15-Zoll-Granate von Seidenpapier zurückgeworfen und träfe den Schützen). Konsequenzen: 1.) die gesamte pos. Ladung ist in einem kleinen Kern vereint. 2.) Der Kern ist mindestens 100 000 mal kleiner als das Atom. 3.) Die Gesamtladung des Kern ist Z*e. Z: Ordnungszahl des Element e: Elementarladung => Rutherfordsches Atommodell („Planetensystem“) Das Atom gleicht einem Planetensystem, in dem der Sonne der Kern und den Planeten die Elektronen entsprechen. Mängel: 1.) Bei Stößen zwischen Atomen (z.B. in Gasen) müssten die Elektronen stets auf neue Bahnen geworfen werden, wodurch das Atom instabil würde; 2.) beim Kreisen müssten die Elektronen Energie abgeben (vgl. Antenne) u. so nach Verringerung des Abstandes in den Kern stürzen. Besonders wichtige Streuexperimente, die zur Entdeckung neuer Strukturen führten: Experimentator Jahr Strahl Target entdeckte Struktur ----------------------------------------------------------------------------------------------------------Rutherford 1911 α-Teilchen Gold Atomkern Laue 1912 Röntgen Kristall Welleneigenschaften d. Röntgenstrahlen; Kristallstruktur Compton 1923 Röntgen Kristall Teilcheneig. d. Röntgenstrahlen. Davisson & 1926 Elektronen Kristall Welleneig. d. Elektronen Germer Hofstädter 1954 Elektronen Protonen Protonenstruktur Perutz 1963 Röntgen Hämoglobin Hämoglobinstruktur S-ATOM2.DOC Seite 8 2008 Tintel 5.) Streuung von Wellen unter Berücksichtigung des Welle-Teilchen-Dualismus a.) Ist die Wellenlänge wesentl. größer als die Targetstruktur, so entsteht eine Kugelwelle. => Die Zahl der gestreuten Teilchen ist winkelunabhängig. Dadurch ist nur die Größe, jedoch nicht die Form des Targets bestimmbar. b.) Ist die Wellenlänge wesentlich kleiner als die Targetstruktur, so ist aus der Richtungsverteilung der Teilchen auch auf die Form des Targets rückschließbar. Dabei liefern Wellen- u. Teilchentheorie gleiche Resultate. Um eine kleine Wellenlänge der Beschussteilchen zu erhalten, müssen diese einen hohen Impuls besitzen (vgl. Formel!). Da der Impuls p = m*v ist, bedeutet dies eine hohe Geschwindigkeit der Teilchen. Um diese zu erreichen braucht man zur Erforschung immer kleinerer Strukturen immer größere Teilchenbeschleuniger (die Grundstruktur solcher Beschleuniger haben wir bei der Lorentzkraft kennengelernt.). Für die Praxis haben diese neuen Methoden große Bedeutung erlangt, z.B. konnte die Blutstruktur gefunden werden (Perutz), wobei eine Auflösung von 100 pm (ca. 1 Atomdurchmesser) nötig war. Bedeutende Anwendungen finden diese Methoden in der Pharmaindustrie zur (künstl.) Herstellung von Enzymen; dadurch konnte Insulin künstlich erzeugt werden. Allgemein sind Streuexperimente sehr aufwendig und daher meist nur im Forschungsbereich einsetzbar (Bsp.: Streuung von Neutronenstrahlen, aber auch deren Interferenz zur Bestimmung kleinster Strukturen). Die Streuung von Röntgenstrahlen an Molekülen bzw. Kristallen benötigt keine aufwendigen Zählrohre, sondern lediglich besonders hergestellte Filme. Wegen der überwiegenden Streuung der Röntgenstrahlen an den Elektronen der Atome erhält man Aufschluss über die Elektronenverteilung im Atom. Dies hat große Bedeutung für die zerstörungsfreie Materialprüfung bei Rissen in Metallen: Kontrolle von Brücken, Schweißnähten, Verformungs- u. Elastizitätsprüfung, Kristallversetzungen (bei der Halbleiterbauteilherstellung, wie sie für integrierte Schaltungen benützt werden). Ende der 80-er Jahre gelang es, obige Röntgenstrahlroutineuntersuchungen teilweise durch Ultraschallmessungen zu ersetzen. Andererseits ermöglichen die enormen Fortschritte der Elektronenmikroskopie neuartige Forschungsmethoden. Das nächste Ziel ist die Beschreibung der Elektronenhülle. Sie bestimmt das Entstehen von Spektrallinien, das Zustandekommen chemischer Verbindungen und die Eigenschaften von Flüssigkeiten und Festkörpern. Eine „exakte“ Beschreibung ist nur mittels Quantentheorie möglich. Historisch führte der Weg über die Untersuchung des Verhaltens von Elektronen im elektrischen Kraftfeld (des Atomkerns). 6.) Kraft des Atomkerns auf Elektronen Der Atomkern wirkt mit seiner Ladung Z*e (Z = Zahl der Protonen; e = Elementarladung) auf die Elektronen der Hülle (bzw. auf andere Ladungen). Die dabei auftretende Kraft setzt die Teilche ntheorie mit F = m*a an (z.B. beim Rutherfordschen Atommodell). Für die Wellentheorie ist der Ausgangspunkt der Energieerhaltung (im abgeschlossenen System): E = Ekin + Epot (elektr.) Dabei setzt sich die elektr. potentielle Energie aus der (bereits früher über die Coulombkraft berechneten) elektr. Energie zusammen: E= q⋅Q 4 πε 0r S-ATOM2.DOC mit: q: Ladung e des Elektrons, auf das der Kern wirkt ε0 : Dielektrizitätskonstante Q: Ladung des Kerns = Z*e r : Abstand des Elektrons zum Kern Seite 9 2008 Tintel Somit ist die Gesamtenergie E E= mv 2 1 eZe 1 1 Ze2 2 ; − ⋅ = ⋅ ( mv ) − ⋅ 2 4 πε 0 r 2m 4 πε 0 r ersetzt man nun m*v = p (Impuls des Teilchens Elektron) durch den zugehörigen Impuls der Welle p = h/λ und berechnet diese Wellenlänge, so erhält man: 1 2m 1 Ze2 = ⋅ E + 4πε0 ⋅ r λ2 h2 Diese Formel zeigt, dass beim Nähern eines (freien) Elektrons an den Kern mit Verringerung des Abstands r die Wellenlänge kleiner wird. Vergleicht man dieses Phänomen mit der Brechung der Wellenfront eines Lichtstrahls (in der geometrischen Optik), so entspricht das Verkürzen der Wellenlänge einem Schwenken der Wellenfront (des Elektrons). Somit wird das Elektron von der geradlinigen Bewegung abgebracht und im Kernfeld „gebrochen“. Dieses Resultat hat weitreichende Folgen für das Atommodell: Elektronen können um den Atomkern ohne Energieverlust „kreisen“, wenn sie bei ihrer Bewegung von der Kernkraft derart geschwenkt werden, dass ihre Wellenfront stets radial zur Kernkraft steht und der jeweilige Bahnumfang ein ganzzahliges Vielfaches der (zugeordneten) Wellenlänge ist, wodurch das Elektron der Bedingung der „stehenden Welle“ genügt. (Vgl. nebenstehende Abbildung der stehenden Welle einer Flüssigkeitsoberfläche) 2rπ = n ⋅ λ Eine stehende Welle ist eine Schwingung, deren Schwingungsknoten zeitunabhängig am gleichen Ort bleiben, z.B. Gummischnur, Oberschwingungen einer festgehaltenen Spiralfeder. Bei der obigen Beschreibung der Elektronenbewegung (auf einem Kreis) kann man sich diese Schwingungen ähnlich jenen einer Pauke vorstellen. Dort entstehen ja auch bei den Einspannpunkten (und je nach Volumen, Anschlagart etc.) Schwingungsknoten. Die Amplitude der Schwingung entspricht der Wahrscheinlichkeit, an dieser Stelle das Elektron zu finden. Solche Überlegungen führten Niels Bohr 1913 (bereits 12 Jahre vor der „Quantenmechanik“) zum Erstellen von Postulaten für stabile Zustände der Elektronen S-ATOM2.DOC Seite 10 2008 Tintel im Atom: Ein Elektron befindet sich im Atom in einem stabilen Zustand, wenn: 1.) sein Bahnumfang ein ganzzahliges Vielfaches seiner Wellenlänge beträgt (s.o.) 2.) es die „Quantenbedingung“ erfüllt: r⋅p= n⋅h 2π n: “Quantenzahl“ Diese Bedingung erhält man beim Ersetzen der Wellenlänge durch den Wellenimpuls. Bohr fand diese Bedingungen beim Untersuchen der Spektrallinien (von Wasserstoff). Beim Wasserstoff stimmen Theorie und Experiment exakt überein. Von der Praxis wusste man bereits, dass Elektronen nur durch bestimmte Mengen an Energiezufuhr von einem stabilen Zustand in einen weiteren stabilen gebracht werden können. Dies bestätigen die Spektrallinien, die für jedes Element nur bestimmte Werte zulassen. Mit den „Bohrschen Postulaten“ kann man auch die zu den stabilen Bahnen gehörigen Radien berechnen. Es muss gelten: Coulombkraft = Zentripetalkraft Als Ergebnis erhält man: n2 ⋅ a rn = Z mit: r .. mögliche Radien; n n ... natürliche Zahl Z … Ordnungszahl des Element a ... Bohrscher Radius (er fasst konstante Elemente zusammen); a = 5,3*10-11 m Ebenso sind die zu den Radien gehörenden Energien berechenbar: Z2 E n = − 13,6 ⋅ 2 [eV] n Der Grundzustand (n=1) hat für jedes Element die größte Bindung(senergie). Das aus den Bedingungen folgende „Bohrsche Atommodell“ ermöglichte den Physikern, viele Vorgänge nun auch mathematisch formuliert - zu beschreiben. Beispiele: Die Absorptionslinien des Wasserstoffs im Sonnenspektrum, die bis dahin unerklärt blieben, konnten durch UV-Absorption verstanden werden. Anregungen durch Wärme sind im allgemeinen nicht möglich, da dazu einige tausend Kelvin erforderlich sind. Angeregte Zustände kehren nach ca. 10-8s in den Grundzustand zurück und geben dabei ein entsprechendes Emissionsspektrum ab, bei der Ionisierung wird mindestens 1 Elektron weggeschleudert, wodurch jede Energie über einer Mindestenergie absorbiert werden kann, was ein kontinuierliches Absorptionsspektrum erzeugt. S-ATOM2.DOC Seite 11 2008 Tintel Trotz der anfänglich großen Erfolge dieses Atommodells ergaben sich beim Übertragen auf andere Atome bald Probleme. Versuche, diese durch Zusatzannahmen zu überwinden, erwiesen sich als unzufriedenstellend. Der Grund liegt in der Verhaftetheit mit der mechanischen Vorstellung. Vereinfacht dargestellt: Eine Elektronenbahn im Sinne des Bohrschen Modells liegt nur dann vor, wenn einerseits die Bahn „dicker“ als die Broglie-Wellenlänge ist und andererseits die Bahndicke wesentlich kleiner als der Bahnradius ist. Somit kann das Modell für schwerere Atome nur dann gelten, wenn große Quantenzahlen vorliegen. Diese Problematik ließ viele Physiker am Sinn des Modells zweifeln. Andere versuchten allgemeinere Ansätze, scheiterten jedoch an den mathematischen Problemen. Wie durch Zufall fanden 3 Physiker um 1925 unabhängig voneinander Lösungen. 2 Physiker (Dirac: „Transformationstheorie“, Heisenberg: „Matrizenmechanik“) wählten Darstellungen, die zunächst mit dem Problem nicht zusammenhängend schienen. Der dritte, Erwin Schrödinger, wandte sich mit den mathematischen Problemen an den Mathematiker Hermann Weyl, von dem er wusste, dass dieser seinem Ansatz entsprechende mathematische Strukturen bereits untersucht hatte. So gelang es Schrödinger, seine „Wellenfunktion“ in eine für Physiker verständliche Form zu bringen und die Quantenmechanik auf Bohrs Vorstellungen aufzubauen. In diesem Modell wird - grob gesprochen - Materie als Welle beschrieben, die sich bei Beobachtung in einem „diskreten Raum“ (z.B. dem Atomkern) in einer Wechselwirkung manifestiert („Das Wellenpaket wird dabei reduziert“). Wegen der Beschreibung mittels Welle kann nun jede Materie nur mit bestimmter Wahrscheinlichkeit an zu untersuchenden Raumpunkten angetroffen werden, was in der Modellvorstellung als Wolken, deren Dichte der Aufenthaltswahrscheinlichkeit entspricht, bezeichnet wird (z.B. Elektronenwolke). Diese Wolken (auch Orbitale genannt) haben verschiedene Formen (z.B. das s-Orbital kugelförmig, das p-Orbital hantelförmig). Es ist naheliegend, dass ein Modell, das mit Wahrscheinlichkeiten arbeitet, viele Gegner fand (z.B. A. Einstein: “Gott würfelt nicht“). Weiters musste solch ein tiefgehender Wechsel an Grundlagen (= “Paradigmenwechsel“) auch wissenschaftstheoretisch, d.h. philosophisch fundiert werden. Dies geschah in der „Kopenhagener Deutung“, die auch heute noch gültig, da unwiderlegt, ist. Wenngleich der Rechenaufwand für exakte Lösungen auch heutige Computerkapazitäten übersteigt, so sind diverse Näherungsrechnungen unübertroffen und durch zahlreiche Experimente bestätigt. Die Bandbreite an Folgerungen reicht tief in die angewandten Wissenschaften, aber auch in Bereiche der Medizin. Ein besonders für die Chemie wesentlicher Beitrag stammt von Wolfgang Pauli: In einem gebundenen System (z.B. Atom) können niemals zwei Elektronen in allen Quantenzahlen übereinstimmen. Dieses „Pauliverbot“ findet in der Spinquantenzahl der Elektronen seinen Niederschlag: der Spin (= Drehimpuls) der Elektronen muss sich zumindest im Vorzeichen unterscheiden. Bindungen zwischen Elektronenhüllen werden durch konstruktive Interferenz beschrieben. 7.) Atomkern Alle Atomkerne (Nuklide) bestehen aus Protonen und Neutronen, deren Gesamtzahl die Massenzahl bildet. Diese Kernteilchen (Nukleonen) unterliegen im Atomkern der starken Wechselwirkung, die eine sehr kurze Reichweite hat. Diese Kernkraft ist derart stark, dass sie die Abstoßung zwischen den Protonen (aufgrund der Coulombkraft) innerhalb des Kerns überwindet. S-ATOM2.DOC Seite 12 2008 Tintel Weiters gilt auch für die Nukleonen das Pauliverbot! Eine weitere wichtige Erkenntnis aus der Energiebilanz zeigt auf, dass die (Ruhe)Masse eines gebundenen Systems um das Massenäquivalent der Bindungsenergie kleiner ist als die Summe der Ruhemassen der ungebundenen Nukleonen: δm = δE c2 Massendefekt der gebundenen Nukleonen δm ... Massendefekt, d.h. Energieminderung δE ... Energieänderung (des Systems) Diese von A. Einstein gefundene Äquivalenz von Energie und Masse hat weitreichende Bedeutung: 1.) Verständnis der Bindung gleichnamiger Ladungen (z.B. im Kern) 2.) Erklärung der riesigen freigesetzten Energiemengen bei Fusion von Kernen 3.) Erzeugung von Materie aus Energie bzw. Vernichtung von Materie - Antimaterie zu Energie 4.) Materie als besondere Form von Energie (z.B. von Wellen) Die Punkte 2.) bis 4.) wurden erst wesentlich später erkannt! Beispiel: Helium besteht aus 2 Protonen und 2 Neutronen, hat aber eine um 0,6% niedrigere Masse als 2 Deuteriumatome. Könnte man 1 kg Deuterium zu Helium verschmelzen, träte dabei ein Massendefekt von 0,006 kg auf und es würde die Energie von E = mc2 = 0,006*9*1016 J = 150 000 000 kWh frei. Das entspricht dem Heizwert von 18 Mio. Tonnen Kohle (über die Probleme der Kernfusion, radioaktiven Abfallprodukten, und den damit verbundenen Gefahren werden wir bei der Kernspaltung bzw. der Wasserstoffbombe sprechen). Die Bindungsenergie pro Nukleon hängt von der Ordnungszahl des Kerns ab: Zunächst wächst sie mit zunehmender Ordnungszahl, da die kurzreichweitigen Kernkräfte eine entsprechend starke Bindung zwischen den Nukleonen hervorrufen (-> großer Massendefekt). Dies ist der Bereich, in dem durch Verschmelzen von Kernen Energie freigesetzt werden könnte. Ein Maximum an Bindungsenergie besitzt Eisen. S-ATOM2.DOC Seite 13 2008 Tintel Mit zunehmender Zahl der Protonen wirkt sich jedoch auch die abstoßende Coulombkraft immer mehr aus, so dass die Bindung zwischen den Nukleonen geringer wird. Zusätzlich ist ein überproportionales Anwachsen der Neutronenzahl nötig. Die Neutronen dienen dabei als „Kleber“ zwischen den Protonen, da sie durch ihre Ladungsneutralität die elektrische Abstoßung nicht verstärken, die kurzreichweitige Kernkraft jedoch die Nukleonen bindet. Mit zunehmender Ordnungszahl werden also die Atomkerne größer, so dass die kurze Reichweite der „Starken Wechselwirkung“, von jedem Nukleon aus gesehen, nur mehr einen Teil des Kerns erfasst. Somit ist verständlich, dass es nicht Atome beliebig hoher Ordnungszahl gibt. Daraus resultiert, dass durch Spaltung von Atomen hoher Ordnungszahl in Atome niedrigerer Zahl Energie freigesetzt werden kann. Weshalb jedoch schwere Kerne instabil sind, ist damit nicht erklärt. Die Atommodelle beschreiben dieses Verhalten nur bedingt. Der Zeitpunkt einer friedliche wirtschaftliche Nutzung der Kernfusion zur Energiegewinnung ist weiterhin nicht absehbar. Zwar gelingt (im internationalen Forschungsreaktor ITER) unter großem Aufwand kontrollierte Fusion, jedoch nicht zur „Energiegewinnung“. Grund: Zur Fusion muss man die Teilchen auf einen Abstand bringen, der dem Mittelpunktsabstand (3*10-15 m) nahekommt (sonst überwiegt die elektr. Abstoßung). Das bedeutet eine kinetische Energie von ca. 0,4 MeV. Dies lässt sich für längere Zeit noch nicht bewerkstelligen. 8.) Kernreaktionen - Radioaktivität - Biologische Wirkung Kernreaktionen Wegen der hohen Bindungsenergie (ca. 8 MeV/Teilchen) sind Atome sehr stabil. 1917 entdeckte Rutherford die erste künstliche Kernreaktion. Da von radioaktiven Stoffen ausgesandte Teilchen nur relativ geringe Energien besitzen (ca. 5 MeV), ist die Experimentiermöglichkeit bis zur Einführung von Teilchenbeschleunigern (ca. 1930) recht eingeschränkt geblieben. Strahlungsarten Prinzipiell unterscheidet man drei Strahlungsarten: α -Teilchen: Sie sind doppelt positiv geladenen Heliumkernen (He ++), bestehen also aus 2 Protonen und 2 Neutronen. Eine Lage Papier schirmt sie bereits ab; durch Einatmen bzw. Aufnahme über Lebensmittel entfalten sie ihre Gefährlichkeit: im Körper eingelagert, wirkt ihre Strahlung intensiv. β -Teilchen: Sie sind Elektronen, die beim Zerfall eines Neutrons im Atomkern entstehen. Dabei wandelt sich das Neutron in ein Proton, ein Elektron und ein Neutrino (ν) um. Das Elektron wird mit hoher Geschwindigkeit aus dem Kern geschleudert, das (fast?) masselose Neutrino trägt die Impulsdifferenz mit sich. Die β-Teilchen sind ebenfalls mit Papier abschirmbar und entfalten besonders durch Inkorporation der Ursprungssubstanz ihre schädliche Wirkung. γ -Strahlung: Sie entspricht kurzwelliger Röntgenstrahlung, besitzt also eine so hohe Energie, dass sie beim Auftreffen auf Gewebe dieses verändert bzw. zerstört. Als Schutz dienen Bleiabschirmungen und Betonmauern. S-ATOM2.DOC Seite 14 2008 Tintel Weiters haben Neutronen große gesundheitsschädigende Bedeutung: Da Neutronen elektrisch neutral sind, treten sie mit den Elektronen der Atomhülle nicht in Wechselwirkung und können mit kleinen Energien an Atomkerne herankommen. Weiters durchdringen sie Materie recht stark, wenn diese nicht in etwa gleiche Masse hat. Bei gleicher Masse des Stoßpartners hingegen geben sie ihre Energie ab (s. elastische Stöße). Daraus folgt die starke Wirkung von Neutronen mit biologischen Substanzen: Gewebe besteht großteils aus Wasser, dessen Wasserstoffkern aus einem Proton besteht und somit eine dem Neutron vergleichbare Masse besitzt. Im Spaltreaktor dient aus obigem Grund Wasser zum Bremsen der Neutronen. Diese initiieren nämlich im Uran(235) nur dann weitere Spaltungen, wenn sie „langsam“ sind. Das Bild zeigt den Aufbau eines Schwimmbadreaktors, der zu Forschungszwecken eingesetzt wird. 1930 entdeckten Bothe und Becker durch Beschuss von Beryllium mit ß-Teilchen die Freisetzung des bereits vorhergesagten Neutrons . Somit gelang ihnen die Herstellung der ersten Neutronenquelle. Radioaktivität Instabile Kerne zerfallen. Wann jeweils ein bestimmter Kern zerfällt, kann nicht vorhergesagt werden. Liegt jedoch eine große Anzahl gleicher instabiler Kerne vor, so ist die Zahl der Zerfälle proportional zur Zahl der vorhandenen Kerne. Die Zerfallskurve nimmt demnach exponentiell ab: dN = −λ ⋅ N dt N: Zahl der vorhandenen Kerne λ : Zerfallskonstante dN: Verminderung der Kerne in der Zeit dt Das Integral nach der Zeit ergibt: ln N = −λ ⋅ t + ln N0 N0 ist die Integrationskonstante, die durch die Zahl der zu Beginn vor- liegenden Teilchen gegeben ist. Entlogarithmieren ergibt: N = N0 ⋅ e −λt N: Zahl der vorhandenen Kerne N0: Zahl der Kerne zu Beginn Wichtig: Die Zerfallskonstante ist zeitlich unabhängig; der Zerfall ist keine Alterserscheinung! Eine (auch biologisch) wichtige Größe ist die Halbwertszeit τ. Sie besagt, zu welchem Zeitpunkt die Hälfte der ursprünglich vorhandenen radioaktiven Kerne zerfallen ist: N( τ ) = N0 0,693 = N 0 ⋅ e −λτ ⇒ 2 = eλτ ⇒ ln 2 = λτ ⇒ τ = 2 λ Ein Großteil der Erdwärme beruht auf der durch den radioaktiven Zerfall entstehenden, nicht abführbaren Wärme. Bei Granit entstehen z.B. 2770 W/km3. S-ATOM2.DOC Seite 15 2008 Tintel Eine der bekanntesten Anwendung der Radioaktivität ist die Altersbestimmung. Dabei benützt man die Ablagerung bestimmter natürlicher radioaktiver Isotope im Knochengerüst. Während des Lebens stellt sich ein konstantes Verhältnis zwischen den einzelnen Isotopen ein; nach dem Tod entfällt die weitere Zufuhr des radioaktiven Isotops, so dass dessen Konzentration abnimmt. Setzt man voraus, dass im Laufe der Jahrtausende die Zusammensetzung der einzelnen Isotopen sich kaum geändert hat, so kann man aus der noch vorhandenen Radioaktivität auf das Alter (z.B. eines Knochens) schließen. Besonders bekannt ist diese Methode durch das Isotop C-14 geworden. Es beruht auf dem CO2-Kreislauf der Erde. C-14 besitzt eine Halbwertszeit von 5736 Jahren. Eine weitere wichtige Anwendung ist die Verwendung radioaktiver Substanzen als Indikator. Erstmals wurde dieses Verfahren 1913 von der österr. Akademie der Wissenschaften zur Bestimmung der Löslichkeit von Bleisulfid in Wasser verwendet. Heute dient es häufig zur Beobachtung organischer Prozesse. Physiologische Bedeutung der Radioaktivität Künstliche Isotope werden oft für Chemotherapien und in der Wissenschaft zur Verfolgung chem. Prozesse eingesetzt. Wegen der oft intensiven Wirkung radioaktiver Strahlung auf Organismen ist der Strahlenschutz ein wesentlicher Aspekt der Kernphysik. Neben natürlicher und künstlicher Belastung durch Radioaktivität muss man Energie und Strahlungsart berücksichtigen. Hier unterscheidet man 3 Arten von biologischen Strahlenschäden: a.) Akute somatische Schäden: Somatische Schäden bezeichnen Schäden an allen Zellen, ausgenommen die Keimzellen im Genitalbereich. Werden viele Zellen nach kurzer intensiver Bestrahlung beschädigt, treten Krankheitssymptome wie Müdigkeit, Übelkeit, Blutungen Durchfall, Fieber, Haarausfall auf. Diese werden als Strahlensyndrom bezeichnet. Sie sind teilweise irreversibel und führen häufig zum Tod. Sonnenbrand ist das häufigste Strahlensyndrom und ist mit den zur Bräunung führenden Bereichen der UV-Strahlen wesentliche Ursache von Hautkrebs. b.) Latente somatische Schäden: Werden bei mäßiger Bestrahlung nur relativ wenig Zellen geschädigt, treten keine Krankheitssymptome auf. Dennoch bleibt erhöhtes Krebsrisiko, das annähernd proportional zur Strahlenbelastung ist. Die Latenzzeit beträgt zwischen 5 und 15 Jahren. Wird durch die (ionisierende) Strahlung die DNA geschädigt, so entsteht somatische Mutation, wenn die Zelle teilungsfähig bleibt. Dadurch entstehen weitere geschädigte Zellen, die sich als Krebszellen irregulär vermehren. c.) Genetische Schäden treten in den Keimzellen auf. Da Mutationen auch durch geringste Strahlendosen hervorgerufen werden können, werden solche Schäden separat berücksichtigt. Da die „Selbstreparierungsfähigkeit“ des Organismus nur geschätzt werden kann, müssen diese Belastungen („Gonadendosis“) minimal gehalten werden. Unter diesem Aspekt sind auch unnötige Röntgenuntersuchungen von fraglichem Wert. Um einigermaßen zuverlässige Aussagen machen zu können, berücksichtigt man neben der pro kg Körpergewicht absorbierten Strahlungsenergie deS-ATOM2.DOC Seite 16 2008 Tintel ren biologische Wirkung und zeitliche Dauer. Hier gehen neben Werten aus der natürlichen Belastung traurigerweise Erfahrungswerte von Atombombenexplosionen und Reaktorunfällen ein. Aussagen von Schädigungen an Tieren haben hingegen kaum Aussagekraft für Menschen, da sie unterschiedlich reagieren. Die natürliche Strahlenbelastung pro Jahr beträgt durchschnittlich 4mJ/kg. Die derzeit zusätzlich erlaubte Belastung beträgt ebenfalls 4mJ/kg/Jahr. Für Leute, die im radioaktiven Belastungsbereich arbeiten, darf die Belastung maximal 50mJ/kg im Jahr betragen, wobei versch. Körperbereiche unterschiedlich empfindlich betrachtet werden. Aus den Graphiken sind natürliche und künstliche Belastungen durch Radioaktivität ersichtlich. Auch ist die Belastung durch die Höhenstrahlung bei Interkontinentalflügen nicht vernachlässigbar. Aus diesem Grund gelten für das Flugpersonal zusätzliche Bedingungen für die Anzahl solcher Flüge. Im SI (internationales Maßsystem) wird die Äquivalentdosis mit 1 Sievert (Sv) bezeichnet. 1Sv = 1J/kg. Früher verwendete man als Dosiseinheit „rem“: 1 rem = 0,01 Sv 9.) Energiefreisetzung aus Kernspaltung und -fusion Derzeit ist nur durch Kernspaltung Energiegewinnung für kommerzielle Zwecke möglich. Wegen der dabei freigesetzten riesigen Energiemengen schien dieser Weg längere Zeit eine langfristige Lösung der Energieprobleme zu sein. Das Bild zeigt die wesentlichsten Bestandteile eines Siedewasserreaktors. Dieser ist der gebräuchlichste Spaltreaktortyp. Die Risken atomaren Abfalls schienen klein und bewältigbar. Inzwischen haben durch menschliche Fehler verursachte Unfälle (wie Tschernobyl) und das Bewusstsein der Tragweite ein Umdenken bewirkt. In Zeiten der „Energieverknappung“ (durch zur Neige gehenden Rohölquellen bzw. Erdgasressourcen bzw. Folgen des Klimawandels) sind nicht nur Politiker bzgl. ihrer Verantwortlichkeit gefragt. Es gibt weltweit noch keine Endlagerstätte für (stark) radioaktives Material. Es müsste einen erdbewegungsfreien und gesicherten Abschluss für mehrere Jahrtausende gewähren; (aufgelassene) Salzlagerstätten weisen laut Geologen diese Eigenschaften auf – aber wer möchte solches Material in der Nähe wissen bzw. politisch verantworten. Das nächste Bild zeigt den detaillierten Aufbau des Reaktors. Genauere Informationen dazu und zur Kernenergie siehe auch Physikbuch und Internet! S-ATOM2.DOC Seite 17 2008 Tintel Nun folgen noch die dunkelsten Seiten der Kernspaltung: Beim GAU („Größter anzunehmender Unfall“) fallen sämtliche Kühl- und Notkühlsysteme aus; im sehr umstrittenen „Rasmussenbe richt“ wurden verschiedene Risken gegenübergestellt. Zuletzt zur destruktiven Seite der Kernspaltung: S-ATOM2.DOC Seite 18 2008 Tintel Stichwortverzeichnis A Absorptionsspektrum...................11 Akkumulation...................................2 Akkumulation des Lichts ...............2 Altersbestimmung.........................15 Anode ...............................................3 Antike...............................................2 Antimaterie .....................................13 a-Teilchen ......................................14 Atombomben .................................16 Atommodell(e).................8, 9, 10, 11 Atommodelle ....................................6 Aufenthaltswahrscheinlichkeit d. Elektronen ..................................12 Auflösung .........................................4 Auflösungsvermögen von Mikroskopen................................6 B Bahnradius ....................................12 Becker ............................................15 Belastung durch Radioaktivität 16 Beryllium.........................................15 Beschleunigungsspannung...........3 Beugung .......................................2, 6 Beugung einer Elektronenwelle..6 Beugungsmuster .............................6 Bewegungsenergie..........................3 Bildschirm.........................................5 Bindungsenergie.....................13, 14 Bindungsenergie pro Nukleon...13 biolog. Schädigungen...................16 biologische Wirkung v. Strahlung16 Bleiabschirmungen........................14 Bohr ................................................11 Bohrsche Postulate.......................11 Bohrscher Radius..........................11 Bohrsches Atommodell................11 Bothe...............................................15 Broglie..........................................3, 4 Broglie-Wellenlänge....................12 b-Teilchen ......................................14 Bündeln v. Lichtstrahlen................4 C Chemotherapie..............................16 CO2-Kreislauf................................16 Compton........................................3, 8 Comptoneffekt .................................3 Coulombkraft..................9, 11, 12, 14 D Davisson.......................................4, 8 Dedektor.......................................5, 6 S-ATOM2.DOC Determinismus................................. 7 Deuterium...................................... 13 Dielektrizitätskonstante.................. 9 DNA ................................................ 16 Doppelnatur..................................... 4 Doppelspaltversuch ....................... 5 Drehimpuls .......12, Siehe auch Spin Dualismus......................................... 4 durchtunneln Energiebarriere ............................ 5 E Einstein............................ 3, 6, 12, 13 Eisen Bindungsenergie von............... 13 Elastizitätsprüfung.......................... 9 Elektrizität ...................................... 2 Elektron................................. 2, 3, 4, 6 Elektron als Teilchen ...................... 4 Elektron(en)2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 15 Elektronenmikroskop.................... 4 Elektronenmikroskopie ................ 9 Elektronenquelle.......................... 5, 6 Elektronenröhre ............................... 3 Elektronenstrahl.............................. 4 Elementarladung.......................... 8, 9 Emission........................................... 2 Emission der Elektronen............... 2 Emissionsspektrum....................... 11 Energie .................................... 2, 3, 13 Energiebarriere................................. 5 Energiebilanz.................................. 13 Energiedifferenz............................... 5 Energiegewinnung....................... 14 Enzym................................................ 9 EPR - Paradoxon Einstein - Rosen - Podolsky ..... 6 Erdwärme....................................... 15 F Fernsehröhre............................... 3, 4 Flugpersonal.................................. 17 Frequenz ...................................... 2, 3 Frequenzverminderung .................. 3 Fusion...................................... 13, 14 G g -Strahlung .................................. 14 Gedankenexperiment EPR................................................ 6 Genetische Schäden..................... 16 geometrische Optik................... 2, 4 Germer............................................... 8 Gesamtenergie ................................. 3 Gesamtimpuls ................................... 3 Seite 19 Gesamtverteilung d. Elektronen.....6 Geschwindigkeit...........................2, 6 Gewebe......................................14, 15 Grundzustand eines Atoms..........11 H Halbleiterbauteile .............................9 Halbwertszeit...........................15, 16 Heisenberg ...................................6, 7 Heisenbergsche Unschärferelation.......................7 Helium.............................................13 Hertz..................................................2 Hofstädter.........................................8 Höhenstrahlung.............................17 Hruza..................................................4 I Impuls ..............................3, 4, 7, 9, 10 Impuls einer Welle ...........................3 Impuls, Beeinflussung ....................7 Inkorporation..................................14 instabile Kerne ...............................15 Instabilität schwerer Kerne ..........14 Insulin ...............................................9 Intensitätsverminderung ................3 Intensitätsverteilung.......................6 Interferenz...............................6, 9, 12 Interferenz der Kreiswellen.............6 Interferenzmuster Beugung .......................................6 Interkontinentalflug.......................17 Isotop C-14.....................................16 Isotope.......................................15, 16 K Kelvin ..............................................11 Kernfusion............13, Siehe Fusion Kernkraft .............................10, 12, 14 Kernkräfte .......................................13 Kernladung ......................................8 Kernreaktion...................................14 Kernreaktionen...............................14 Kernspaltung..................................13 kinetische Energie ..........................2 Klassische Physik............................7 Knochen..........................................15 Kontinuierliche Strahlung............2 kontrastreiches Bild.........................4 Elektronenmikroskop ..................4 Kopenhagener Deutung...............12 Körper, leuchtender.........................2 Kreiswelle......................................2, 6 Kristall......................................3, 4, 8 2008 Tintel L Ladungen..........................................7 Laplacescher Geist..........................7 Laue...................................................8 Lenard...............................................2 Licht...............................................2, 4 Licht als Welle und Teilchen.........7 Lichtfrequenz...................................2 Lichtgeschwindigkeit......................3 Lichtteilchen.....................................2 Lichtwellenlänge..............................4 Linsenränder Auflösung v. Mikroskopen........6 Lorentzkraft................................4, 9 M Magnetfeld .......................................7 Magnetismus ...................................2 Magnetlinsen...................................4 Magnetlinsenfehler.........................4 Magnetspulen..................................4 Masse ................................3, 8, 13, 15 Massenäquivalent ........................13 Massendefekt ................................13 Massenzahl ....................................12 Materialprüfung .............................9 Materie .....................................2, 3, 4 Materie als Welle.........................12 Maxwell.............................................2 Medizin ...........................................12 Meßgerät ..........................................6 Mikroskop ................................4, 6, 7 Moleküle ..........................................4 Auflösung v..................................4 N natürliche Strahlenbelastung ....17 Neutrino .........................................14 Neutron(en)..........7, 9, 12, 13, 14, 15 Nobelpreis ....................................3, 4 Nukleon12, 13, 14, Siehe Kernteilchen Nuklide..12, Siehe auch Atomkerne O Öffnungswinkel...............................4 Optik..................................................2 Orbital ............................................12 Ordnungszahl.................8, 11, 13, 14 Organismus ....................................16 Ort......................................................6 P Paradigmenwechsel.......................12 Pauliverbot .....................................12 Perutz.............................................8, 9 Photoeffekt .......................................2 Photoeffekts .....................................3 Photon...........................................3, 7 Photonen ..........................................3 S-ATOM2.DOC Photonenhypothese....................... 3 Physik des 20.Jhdt.......................... 7 Planck .......................................... 2, 3 Plancksches Wirkungsquantum 2 Planeten............................................ 7 Podolsky .......................................... 6 Präparatsoberfläche........................ 4 prinzipielle Grenze v. Meßvorgängen............................ 7 Proton(en).............. 7, 8, 9, 12, 13, 14 Strahlenschutz ..............................16 Strahlung des Bildschirms ..............3 Strahlungsarten..............................14 Strahlungsenergie ........................16 Streuexperimente..........................8, 9 Streuung ...................................3, 7, 9 Streuung von Röntgenstrahlen ....3 Streuung von Teilchen...................7 Struktur von Atomen ......................7 Strukturen ........................................7 Q T Quantenbedingung....................... 11 Quantenmechanik ......................... 12 quantenmechanische Effekte Elektronenmokroskop ................ 5 Quantenphysik................................ 6 Quantentheorie............................... 9 Quantenzahl............................. 11, 12 Target ........................................7, 8, 9 Targetaufbau....................................8 Targetstruktur..................................9 Teilchen................................2, 3, 6, 7 Teilchenbeschleuniger............9, 14 Teilchengeschwindigkeit................7 Thomson.......................................4, 8 Tunnelmikroskop.............................5 R radioaktiven Kerne...................... 15 radioaktiver ZerfallSiehe Radioaktivität Radioaktivität............... 14, 15, 16, 17 Rasterelektronenmikroskop......... 4 Raum................................................. 7 Reaktorunfälle................................ 16 Relativitätstheorie ......................... 3 Röntgen............................................ 8 Röntgenphoton ............................... 3 Röntgenspektrum............................ 3 Röntgenstrahlen ................. 3, 4, 8, 9 Röntgenstrahlung........................... 3 Rosen ................................................ 6 Ruhemasse ..................................... 13 Ruhterford..................................... 14 Rutherford................................... 7, 8 Rutherfordsches Atommodell.. 8, 9 S Schnelle Elektronen ........................ 4 Schrödinger.................................... 12 Schweißnaht .................................... 9 Schwimmbadreaktor.................... 15 Sievert ............................................. 17 Somatische Schäden..................... 16 Sonnenbrand................................. 16 Spalt .................................................. 6 Spaltreaktor .................................. 15 Spannung ......................................... 3 Spektrallinien ..........Siehe Spektrum Spektrum..................................... 9, 11 Spin................................................. 12 Spinquantenzahl............................ 12 ß ß-Strahlen................................... 8, 15 S Starke Wechselwirkung ............... 14 Seite 20 U ungebundenes Nukleon ...............13 Uran .................................................15 Uran 235 ..........................Siehe Uran UV-Absorption ..............................11 UV-Licht............................................4 UV-Strahlen ....................................16 V Vergrößerung ..................................4 Vernichtung von Materie ............13 VLIC...................................................5 W Wasser ......................................15, 16 Wasserstoffbombe........................13 Wechselwirkung........6, 8, 12, 14, 15 Welle..................................................2 Wellencharakter...............................6 Welleneigenschaften ......................3 Wellenfunktion ..............................12 Wellenlänge........3, 4, 7, 9, 10, 11, 12 Wellenlänge, kürzeste.....................3 Wellenlänge, zugeordnete ............4 Wellennatur.................................2, 4 Wellenoptik .....................................2 Wellenpaket ...................................12 Welle-Teilchen-Dualismus.............2 Weyl ................................................12 Widersprüche d. Quaqntenphysik EPR - Paradoxon ..........................6 Z Zählrohr .......................................7, 9 zeilenweise Abtastung....................4 Zentripetalkraft...............................11 Zerfallskonstante...........................15 Zerfallskurve..................................15 Zinkplatte..........................................2 2008 Tintel S-ATOM2.DOC Seite 21 2008 Tintel
