. 1: Einleitung: Atomphysik und Quantenmechanik haben a

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1: Einleitung: Atomphysik und Quantenmechanik haben
a) weitreichende Implikationen für unser Weltbild
b) Immense technische Bedeutung
2. Historischer Rückblick
2.1 Atomtheorie seit den Griechen
2.2. Die Avogadro Konstante (das MOL)
Genaue Bestimmung von NA aus Kristallen
Bragg Reflexion/ Braggsches Drehwinkel Verfahren
Laue Verfahren
Debye Scherer Verfahren
Nachtrag:
Anthracen
Details der Streuung hängen
nicht nur von den Kernen sondern
von der Elektronendichteverteilung
ab!
Elektronendichteverteilung in
Anthracen
(Röntgenbeugung)
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3: Kann man Atome sehen????
3.1: Wie gross sind Atome
3.1.1. Bestimmung aus dem Kovolumen:
3.1.2. Röntgenbeugung an Kristallen
3.1.3. Über Gasstreuung: Wirkungsquerschnitt
3.1.3. Was ist ein Wirkungsquerschnitt (totaler Querschnitt) (1):
Bsp: Wald
„Fläche auf der die Wirkung Eintritt (z.B. Stoß)“
Gesucht!
Wirkungsquerschnitt: σ = π(A+B)2
Bei Teilchen kein „Kontakt“ sondern Reichweite der Kraft und
Wahrscheinlichkeit! (Bsp. TORWART: a) Reichweite, b)Wahrscheinlichkeit)
Nprojektil
Nreaktion = Nprojektil Ftarget σ
„Flächendichte“ (Teilchen/cm 2)“
des Targets
http://www.didaktik.physik.uni-erlangen.de/grundl _d_tph/exp_stoss/stoss_streu_3.html
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Voraussetzung: Target so dünn, daß Teilchen nicht überlappen!
Allgemein:
Nprojektil
Nrest
∆x
L
Nrest = Nprojektil (1 – e-FσL)
Messe Wirkungsquerschnitt über Abschwächung des Strahls
Od. Mittlere Freie Weglänge im Gas
Verschiedene Verfahren liefern unterschiedliches Ergebnis!
-> Bild von Atom als Kugel der Radius man so bestimmt
ist grobe Näherung
Bsp:
Atomradius aus Kovolumen
Neon
1.2
Argon
1.48
Aus Gitterkonstante
1.6 A (10-10m)
1.9A
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3: Kann man Atome sehen????
3.1: Wie gross sind Atome
3.1.1. Bestimmung aus dem Kovolumen:
3.1.2. Röntgenbeugung an Kristallen
3.1.3. Über Gasstreuung: Wirkungsquerschnitt
3.2 Licht von (einzelnen) Atomen (Falle)
Kann man Atome sehen?
Kann man mit einzelnen Atomen experimentieren???
3.2. Licht von einzelnen Atomen
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Stimulierte Lichtemission
von Ionen in Paulfalle
(W. Paul Nobelpreis 1989)
Das Ion „Astrid“
Stimulierte Lichtemission von Ionen in Paulfalle
(W. Paul Nobelpreis 1989)
Paulfalle wird Montag behandelt
Cs+ Ionen in Paulfalle
(Arbeitgruppe Werth, Mainz)
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3.3 Spuren von Atomen/Ionen in Nebelkammern
αTeilchen
(Heliumkerne)
Stoß
Mit Magnetfeld
www.nobel.se
http://www.unibas.ch/physikdidaktik/TEILCHEN_97/EXPTEST.HTML
3: Kann man Atome sehen????
3.1: Wie gross sind Atome
3.1.1. Bestimmung aus dem Kovolumen:
3.1.2. Röntgenbeugung an Kristallen
3.1.3. Über Gasstreuung: Wirkungsquerschnitt
3.2 Licht von (einzelnen) Atomen (Falle)
3.3 Spuren von Atomen (Nebelkammer)
3.4 Abtasten (Rastertunnelmikroskop)
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3.4. Atome sehen durch Abtasten:
Das Rastertunnelmikroskop:
Heinrich Rohrer und Gerd Binnig, Nobelpreis 1986
Until the age of 31, I lived partly in Frankfurt and partly in
Offenbach, a nearby city. ...
While studying physics, I started to wonder whether I had really
made the right choice. Especially theoretical physics seemed
so technical, so relatively unphilosophical and unimaginative. ...
My education in physics gained some significance when I began
my diploma work in Prof. Dr. W. Martienssen's group,
under Dr. E. Hoenig's guidance.
I realized that actually doing physics is much more enjoyable
than just learning it....
I have always been a great admirer of Prof. Martienssen,
especially of his ability to grasp and state the essence of
the scientific context of a problem. ...
aus Gerd Binnig Autobiographie
http://www.nobel.se/physics/laureates/1986/binnig-autobio.html
http://de.geocities.com/rastertunnelmikroskop2002/deutsch
•Verschiebung mit Piezos
3 Dimensional
•Dämpfung!!!
•Messung des Tunnelstroms
(wird konstant gehalten durch
Höhenvariation)
Fehlstelle
Siliziumoberfläche STM Aufnahme
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Atome nicht nur sehen, sondern einzeln manipulieren:
Einzelne Xenon Atome, bei –273K (IBM 1989)
C60 Moleküle als „Rechenschieber“ (1996)
3: Kann man Atome sehen????
3.1: Wie gross sind Atome
3.1.1. Bestimmung aus dem Kovolumen:
3.1.2. Röntgenbeugung an Kristallen
3.1.3. Über Gasstreuung: Wirkungsquerschnitt
3.2 Licht von (einzelnen) Atomen (Falle)
3.3 Spuren von Atomen (Nebelkammer)
3.4 Abtasten (Rastertunnelmikroskop)
4. Isotopie und Massenbestimmung
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4: Isotopie und Massenbestimmung
Periodensystem (1869 Mendelejew, Lothar Meyer)
Sortiert nach periodisch wiederkehrenden chemischen&physikalischen
Eigenschaften
Hassium (von Hessen!)
Bei GSI entdeckt
Seltene Erden
Actinide
Ionisationsenergie
Edelgase: He, Ne, Ar, Kr, Xe
Ordnungszahl
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Quelle: http://www. monroecc.edu/wusers/flanzafame/PeriodicFigs .htm
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4: Isotopie und Massenbestimmung
Nichtganzahlige Massen: mittelwert der verschiednen Isotope
d.h. verschiedener Anzahl von Neutronen
Massenspektrometer:
1) Erzeuge geladene Teilchen:
z.B. Elektronenstoßionisation (beschleunige Elektronen
die Ionisieren, erzeugt Plasma, siehe Leuchtstoffröhre)
Laserfeld: Feldionisation
2) Analysiere q/m durch
elektrische Felder
magnetische Felder
Flugzeit
zeitabhängige Felder
Lorentzkraft:
F = q * (v x B)
Elektrisch:
F=q*E
!geschwindigkeitsabhängig
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Massenspektrometer:
Geladene Teilchen (Ionen) in elektrischen, magnetischen Feldern
Lorentzkraft:
F = q * (v x B)
Elektrisch:
F=q*E
!Geschwindigkeitsabhängig
Kraft senkrecht auf Bewegungsrichtung
-> Kreisbahn
radius = m/q * v / B
zu bestimmen
Massenspektrometer:
Geladene Teilchen (Ionen) in elektrischen, magnetischen Feldern
Lorentzkraft:
F = q * (v x B)
Elektrisch:
F=q*E
!Geschwindigkeitsabhängig
Ionenquelle
m/q Auflösung durch v begrenzt
radius = m/q * v / B
Aston 1919 „Geschwindigkeitsfokussierung“
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Aston: gekreuzte E und B Felder
Ziel: verschiedene Geschwindigkeiten auf gleichen Punkt
geschickte Kombination von E und B
Ablenkung im B Feld
tan(α) = q B L / mv
Ablenkung im E Feld:
tan(α) = q B L / mv2
L
verschiedene Startwinkel
Richtungsfokussierung “Sektorfeld”
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Massenspektrometrie:
Massenzahl 20!
19.9876 – 29.0628
Massenspektrometrie immernoch aktuell:
"for their development of
soft desorption ionisation methods
for mass spectrometric analyses
of biological macromolecules"
Ionisiere biologische Moleküle
ohne sie zu zerbrechen!
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Quadrupol Massenspektrometer
Wolfgang Paul
1913-1993
Nobelpreis
1989
Wechselfelder
Näheres: Montags Ergänzungen
3: Kann man Atome sehen????
3.1: Wie gross sind Atome
3.1.1. Bestimmung aus dem Kovolumen:
3.1.2. Röntgenbeugung an Kristallen
3.1.3. Über Gasstreuung: Wirkungsquerschnitt
3.2 Licht von (einzelnen) Atomen (Falle)
3.3 Spuren von Atomen (Nebelkammer)
3.4 Abtasten (Rastertunnelmikroskop)
4. Isotopie und Massenbestimmung
5. Kernstruktur des Atoms
Rutherfordstreuung
differentieller Wirkungsquerschnitt
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5: Kernstruktur des Atoms
Wie ist Ladung und Masse im Atom verteilt?
Positive Ladung und Masse lokalisiert oder delokalisiert?
5: Kernstruktur des Atoms
Betrachte die STREUUNG geladener Teilchen
“Streuwinkel”
ϑ
“Stoßparameter” b
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5: Kernstruktur des Atoms
“Streuwinkel”
ϑ
“Stoßparameter” b
Z1 Z2 e2
b=
4πεo 2mv2 sin2(ϑ/2)
für Coulomb Abstoßung zwischen Punktteilchen
5: Kernstruktur des Atoms
“Streuwinkel”
ϑ
“Stoßparameter” b
Z1 Z2 e2
Kann nicht
b= “Zielen” d.h. kenne b nicht
2 sin2(ϑ/2)
ϑ ist die4πε
einzige
o 2mv Messgröße
“Schrotgewehr”
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Was ist ein Wirkungsquerschnitt (differentieller Querschnitt) (2):
Bsp: Wald
„Fläche auf der die Wirkung Eintritt (z.B. Stoß)“
Nreaktion = Nprojektil Ftarget σ
Nprojektil
Zufällige Verteilung aller
Stoßparameter
„Flächendichte“ (Teilchen/cm 2)“
des Targets
σ ist proportional zur Wahrscheinlichkeit
daß eine Reaktion Eintritt, wenn man
“zufällig” (alle Stoßparameter) bestahlt.
http://www.didaktik.physik.uni-erlangen.de/grundl _d_tph/exp_stoss/stoss_streu_3.html
Was ist ein Wirkungsquerschnitt (differentieller Querschnitt) (2):
“Wahrscheinlichkeit”
in einen Winkel zu streuen
Nprojektil
Zufällige Verteilung aller
Stoßparameter
http://www.didaktik.physik.uni-erlangen.de/grundl _d_tph/exp_stoss/stoss_streu_3.html
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Z1 Z2 e2
b=
4πεo 2mv2 sin2(ϑ/2)
d.h.für reine Coulombstreuung an Punktteilchen
erwartet man eine Wahrscheinlichkeitsverteilung
der Streuwinkel 1/sin(ϑ/2)4
Rutherford/Geiger/Marsden Streuexperiment
Dünne Gold
Folie
Radon Gas
emittiert α Teilchen
Blendenkanal für
gerichteten Strahl
Mikroskop mit
Szintillationsschirm
(drehbar)
Evakuieren damit an Gold, nicht an
Luft gestreut wird
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Rutherford/Geiger/Marsden Streuexperiment
Energie fest,
detektiere Streuwinkel
Setzt reine Coulombstreuung
voraus.
d.h. wenn Kernberührung ->
Abweichungen!
“Coulomb Schwelle”
(einige MeV/u)
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Winkel fest, variiere Energie
Setzt reine Coulombstreuung
voraus.
d.h. wenn Kernberührung ->
Abweichungen!
Wirkungsquerschnitt 3:
“allgemeiner” differentieller Wirkunsquerschnitt:
“effektive Fläche”, Fläche pro Messintervall
für das eintreten einer Reaktion:
z.B. Photoabsorbtionsqueschnitt
Anregungsquerschnitt für einen bestimmten Übergang
Erzeugung eines Teilchens
Emission von 10 Teilchen in 10 verschiedene Richtungen und
mit verschiedenen Energien
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