Kapitel-3-4 - Physik eLearning

3. Weitere Eigenschaften von Atomen: Masse, Isotopie
1. Einführung
2. Kann man Atome sehen? Größe des Atoms
3. Weitere Eigenschaften von Atomen:
Masse, Isotopie
4. Atomkern und Hülle: das Rutherfordexperiment
5. Das Photon: Welle und Teilchen
6. Teilchen als Welle (de Broglie)
7. Heisenbergsche Unschärferelation
8. Das Bohrsche Atomodell
9. Grundlagen der Quantenmechanik
10. Quantenmechanik des Wasserstoffatoms
11. Spin und Bahnmagnetismus
12. Atome im Magnetfeld
13. Experimente zur Drehimpulsquantisierung
14. Mehrelektronenatome – das Pauliprinzip
15. Aufbau des Periodensystems
16. Die Molekülbindung
17. Rückblick
Größe
Masse
Innerer Aufbau
3. Weitere Eigenschaften von Atomen: Masse, Isotopie
Periodensystem (1869 Mendelejew, Lothar Meyer)
Sortiert nach periodisch wiederkehrenden chemischen&physikalischen
Eigenschaften
Hassium (von Hessen!)
Bei GSI entdeckt
116
Seltene Erden
Actinide
3. Weitere Eigenschaften von Atomen: Masse, Isotopie
3. Weitere Eigenschaften von Atomen: Masse, Isotopie
Juli 2009:
112 Copernicum
3. Weitere Eigenschaften von Atomen: Masse, Isotopie
Element 116
Yu. Ts. Oganessian, V. K. Utyonkov, Yu. V. Lobanov, F. Sh. Abdullin,
A. N. Polyakov, I. V. Shirokovsky, Yu. S. Tsyganov, G. G. Gulbekian,
B. S. L. Bogomolov, B. N. Gikal, A. N. Mezentsev, S. Iliev, V. G. Subbotin,
C. A. M. Sukhov, O. V. Ivanov, G. V. Buklanov, K. Subotic, M. G. Itkis,
D. K. J. Moody, J. F. Wild, N. J. Stoyer, M. A. Stoyer, R. W. Lougheed,
E. C. A. Laue, Ye. A. Karelin, A. N. Tatarinov.
F. Observation of the decay of 262 116 ,
G. Phys. Rev. C 63, 011301/1011301/2 (2001).
3. Weitere Eigenschaften von Atomen: Masse, Isotopie
Element 118
Ninov et al (LBNL)
Phys. Rev. Lett. 83, 001104 (1999)
Eine besonders schwerer Fall von
wissenschaftlichem Betrug:
3. Weitere Eigenschaften von Atomen: Masse, Isotopie
Element 118
Ninov et al (LBNL)
Phys. Rev. Lett. 83, 001104 (1999)
Eine besonders schwerer Fall von
wissenschaftlichem Betrug:
3. Weitere Eigenschaften von Atomen: Masse, Isotopie
Ordung des Periodensystems
Edelgase: He, Ne, Ar, Kr, Xe
3. Weitere Eigenschaften von Atomen: Masse, Isotopie
Quelle: http://www.monroecc.edu/wusers/flanzafame/PeriodicFigs.htm
3. Weitere Eigenschaften von Atomen: Masse, Isotopie
Quelle: http://www.monroecc.edu/wusers/flanzafame/PeriodicFigs.htm
3. Weitere Eigenschaften von Atomen: Masse, Isotopie
Nichtganzahlige Massen: Mittelwert der verschiedenen Isotope
d.h. verschiedener Anzahl von Neutronen
Vortäge:
kommende Woche: Paulfalle:
siehe Demtroeder Kapitel ueber
“Quadrupol Massenspektrometer”
+ Nobelvortrag Wolfgan Paul auf Nobel.se
Übernächste Woche: Rutherfordstreuung +
Konzept Differentieller Wirkungsquerschnitt
3. Weitere Eigenschaften von Atomen: Masse, Isotopie
Prinzip der Massenspektroskopie (Massenmessung)
Massenspektroskopie von ionisierten Atomen und Molekülen
3. Weitere Eigenschaften von Atomen: Masse, Isotopie
Prinzip der Massenspektroskopie (Massenmessung)
3. Weitere Eigenschaften von Atomen: Masse, Isotopie
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
3. Weitere Eigenschaften von Atomen: Masse, Isotopie
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 „Geschwindigkeitsfocussierung“
3. Weitere Eigenschaften von Atomen: Masse, Isotopie
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 E L / mv2
L
verschiedene Startwinkel
3. Weitere Eigenschaften von Atomen: Masse, Isotopie
Richtungsfokussierung “Sektorfeld”
3. Weitere Eigenschaften von Atomen: Masse, Isotopie
Massenspektrometrie:
Massenzahl 20!
19.9876 – 20.0628
3. Weitere Eigenschaften von Atomen: Masse, Isotopie
3. Weitere Eigenschaften von Atomen: Masse, Isotopie
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!
3. Weitere Eigenschaften von Atomen: Masse, Isotopie
Matrix-assisted Laser Desorption/Ionisation (MALDI)
3. Weitere Eigenschaften von Atomen: Masse, Isotopie
Electrospray
3. Weitere Eigenschaften von Atomen: Masse, Isotopie
1. Einführung
1.1. Quantenmechanik – versus klassische Theorien
1.2. Historischer Rückblick
2. Kann man Atome sehen? Größe des Atoms
3. Weitere Eigenschaften von Atomen: Masse, Isotopie
Atome
Photonen
4. Atomkern und Hülle: das Rutherfordexperiment
5. Das Photon: Welle und Teilchen
6. Teilchen als Welle (de Broglie)
7. Heisenbergsche Unschärferelation
8. Das Bohrsche Atomodell
9. Grundlagen der Quantenmechanik
10. Quantenmechanik des Wasserstoffatoms
11. Spin und Bahnmagnetismus
12. Atome im Magnetfeld
13. Experimente zur Drehimpulsquantisierung
14. Mehrelektronenatome – das Pauliprinzip
15. Aufbau des Periodensystems
16. Die Molekülbindung
17. Rückblick
QM – erster Blick
Atome klassisch
Einteilchen
QM
Mehrteilchen
QM
4. Atomkern und Hülle: das Rutherfordexperiment
Wie ist Ladung und Masse im Atom verteilt?
Positive Ladung und Masse delokalisiert oder lokalisiert?
Rosinenkuchen-Modell
(“plumpudding model“)
Rutherford Atommodell:
Positive Ladung und Masse
in ein Punkt
4. Atomkern und Hülle: das Rutherfordexperiment
Betrachte die STREUUNG geladener Teilchen
“Streuwinkel”
ϑ
“Stoßparameter” b
Bekannt war: Elektronen haben wenig Masse, d.h. die Ablenkung an den
Elektronen ist gering
4. Atomkern und Hülle: das Rutherfordexperiment
Das “Rutherford“-Experiment
E. Rutherford
H. Geiger
E. Marsden
4. Atomkern und Hülle: das Rutherfordexperiment
Das Rutherford-Experiment:
Aufbau
4. Atomkern und Hülle: das Rutherfordexperiment
Das “Rutherford“-Experiment: Ergebnisse
1) Die meisten α-Teilchen gehen durch die
Goldfolie nahezu ungestreut hindurch.
2) Einige wenige α-Teilchen werden geringfügig abgelenkt (typisch < 2°).
Wahrscheinlichste Ablenkung an der ganzen Goldfolie: ~0.87°.
3) Ganz wenige Teilchen werden um einen Winkel von mehr als 90°
abgelenkt (1 von 20 000 bei der verwendeten Goldfolie).
Rutherford: "It was quite the most incredible event that ever
happened to me in my life. It was almost as incredible
as if you fired a 15-inch shell at a piece of tissue paper
and it came back and hit you"
4. Atomkern und Hülle: das Rutherfordexperiment
⇒
die positive Ladung (und damit fast die
gesamte Masse) sind auf einen Radius
von weniger als 10-14 m konzentriert
4. Atomkern und Hülle: das Rutherfordexperiment
Um diesen Befund qualitativ zu Beschreiben benötigt man das Konzept des
„Differentiellen Wirkungsquerschnittes“
das Rutherford Experiment ist nur ein einfaches Beispiel hierfür,
das Konzept ist wichtig weit darüber hinaus.
4. Atomkern und Hülle: das Rutherfordexperiment
“Streuwinkel”
ϑ
“Stoßparameter” b
b=
Z1Z2 e2 cotan (ϑ/2)
4πεo µv2
für Coulomb Abstoßung zwischen Punktteilchen
(Winkel und Stoßenergie im CM-System definiert – reduzierte Masse µ)
4. Atomkern und Hülle: das Rutherfordexperiment
“Streuwinkel”
ϑ
“Stoßparameter” b
Kann nicht “Zielen” d.h. kenne b nicht
ϑ ist die einzige Messgrösse
“Schrotgewehr”
Messung liefert eine
Wahrscheinlichkeitsverteilung von ϑ
4. Atomkern und Hülle: das Rutherfordexperiment
Annahmen:
1) Fläche gleichmäßig bestrahlt
2) Coulomb Abstoßung zwischen Punktteilchen
b=
Z1Z2 e2 cotan (ϑ/2)
4πεo µv2
„Differentieller Wirkungsquerschnitt“
4. Atomkern und Hülle: das Rutherfordexperiment
Totaler Wirkungsquerschnitt:
Für Reaktionen mit Ja/Nein Ausgang: N
reaktion = Nprojektil Ftarget σ
z.B. Stoß, Absorption,
Teilchenerzeugung
Differentieller Wirkungsquerschnitt:
Für Reaktionen mit
kontinuierlichem Ausgang:
z.B. Streuung in
Streuwinkelbereich ∆ϑ,
oder Erzeugung eines
Teilchens mit Energie
im Intervall ∆E
Differentieller
Wirkungsquerschnitt
4. Atomkern und Hülle: das Rutherfordexperiment
ϑ
4. Atomkern und Hülle: das Rutherfordexperiment
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
4. Atomkern und Hülle: das Rutherfordexperiment
99eV hν
ν + He He2+ + 2e-
e2
e1
Ee1=Ee2
Polarization
hier