03.11.2003 - bei heidingers.de

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Protokoll vom 03.11.2003
Lukas Heberger
5. Die Physik der Atomhülle
5.1 Die frühen Atommodelle
5.1.1. Von Demokrit bis Dalton
a) Demokrit (um 460 - 371 v.Chr.)
- Es gibt unveränderliche kleinste Teilchen
(= atomos [Atomos] = Atom)
- Diese bestehen aus dem gleichen Grundmaterial
- Sie unterscheiden sich in Größe, Form und Bewegung
- Sie können sich zusammenlagern und trennen
- Sie entsprechen den heutigen Elementarteilchen
Demokrit glaubte, dass die Atome so klein seien, dass sie niemand
sehen kann, weiter schrieb er den Atomen eine Vielfalt von Formen,
Gestalten und Größen zu. Er stellte sich vor, dass die einen hakenartige
Bogen sind, andere muldenartig eingebuchtet, oder nach außen gewölbt
sind.
Demokrit und auch sein Vorgänger Leukipp (5.Jhdt v.Chr.) behaupteten,
dass alle Körper aus Atomen aufgebaut sind, und sich alle
Veränderungen, die wir in unserer Umwelt beobachten, durch die
Bewegung der Atome erklären lassen.
Demokrit
b) Dalton (engl. 1766 – 1844)
- Materie besteht aus unteilbaren Atomen
- Zu jedem Element gibt es eine Atomart
- Atome sind unwandelbar
- chemische Verbindungen:
sind Zusammenlagerungen von Atomen
(verbunden durch Haken und Ösen
à chemische Gesetze:
· Erhaltung der Masse
· Konstante Proportionen: z.B. (1Mol Na + 1Mol CL)
· Multiple Proportionen: z.B. (CuO, Cu2O3)
· Avogadro – Konstante: Anzahl pro Mol
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1808 formulierte Dalton sein Atommodell, welches scheinbar
gegenüber den Überlegungen der griechischen Denker keine großen
Erweiterungen bot:
Atome sind unteilbar e, massive Teilchen.
Dalton blieb aber im Gegensatz zu den Griechen nicht bei dieser
Formulierung stehen, sondern präzisierte sie und zog daraus
wissenschaftlich verwertbare Schlüsse:
- Elemente bestehen aus Atomen der selben Art.
- Atome verschiedener El emente unterscheiden sich durch Gestalt und
Gewicht.
- "Zusammengesetzte Atome" (= Moleküle) bestehen aus Atomen
verschiedener Art.
- Moleküle sind in bezug auf Zusammensetzung und Größe genau
definierte Atomverbände, die Atome verbinden sich dabei i n
einfachen ganzen Zahlenverhältnissen. Moleküle einer Verbindung
sind untereinander identisch.
- Bei chemischen Reaktionen finden Umordnungen in den Atomverbänden statt, ohne dass
die Atome selbst verändert werden.
c) Defizite
- Ionisierung
à (Ladung)
- Elektrolyse
- Gasentladung (à Licht)
- Spektrallinien
- Radioaktivität
d) Thomson (1856-1940)
- Atome sind mit positiv geladener Masse gefüllt
- negative Elektronen sind in diese Masse eingelagert
- Nach der kinetischen Gastheorie verhalten sich die Atome wie elastische Kugeln
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Joseph John Thomson schuf das erste Atommodell. Bei seinem
Modell, das auch "Rosinenkuchen" genannt wird, sind die negativen
Elektronen im positiven Atom eingebettet. Er glaubte, dass die
Elektr onen vom Mittelpunkt des Atoms sehr stark angezogen werden,
dass sie sich aber gegenseitig abstoßen. Daraus schloss er nun, dass
sich die Elektronen nur an ganz bestimmten Stellen des Atoms
aufhalten können. Weiter vermutete er, dass ein Elektron, oder sog ar
mehrere Elektronen am Rand des Atoms sitzen und somit leicht
abgegeben oder aufgenommen werden können: aus dem Atom wird ein
Ion.
5.1.2. Das Rutherford-Modell
a) Der Versuch von Lenard
- Schnelle Elektronen durchdringen auch 10.000 Atomschichten
- Die Masse der Atome ist nicht gleichmäßig verteilt
Mit einem Linearbeschleuniger werden negative Elektronen von der Kathode zur Anode hin
beschleunigt, durchfliegen ein kleines Loch in der Anode. Durch die hohe Spannung von
40kV und der daraus resultierenden hohen Geschwindigkeit durchdringen einige der
beschleunigten Elektronen ein am Ende des Linearbeschleuniger befestigtes
Aluminiumfenster von ca. 10.000 Atomschichten Dicke. Die austretenden Elektronen bringen
einen Fluoreszenzschirm zum Leuchten.
b) Der Versuch von Rutherford
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Ein a-Strahler, bestehend aus einem Bleikasten, der vorne ein Loch hat um die Strahlung
des sich im Inneren befindlichen He++Elementes überall hin außer nach vorne
abzuschirmen, sendet a-Strahlen auf eine 100 Atomlagen dicke Goldfolie. Ein Schirm fängt
die abgelenkte Strahlung auf. Im Schirm befinden sich Löcher, wo die Strahlung hindurch auf
sogenannte Zählrohre fallen kann.
- Fast alle a -Teilchen durchdingen die Goldfolie
- Einige werden abgelenkt z.T. mehr als 90°
- Die Wahrscheinlichkeit für große Ablenkungen nimmt mit dem Quadrat der
Ordnungszahl Z des Folienmaterials zu
c) Das Rutherford-Modell
- Die Atommasse ist auf den Kern konzentriert
- Der Kern enthält die gesamte positive Ladung
- Die Elektronen bilden die Hülle des Atoms
- Die Atome halten die Hülle durch elektrostatische Anziehung der
kreisenden Elektronen
Fel = Fr
1 Z × e × e me × v 2
×
=
4pe 0
r
r2
Exkurs:
Coulombkraft:
Q1
Q2
Fel
Kernladung: Ze
Fel =
1 Q1 × Q 2
×
4pe 0
r2
Elektron: e
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d) Deutung der Rutherfordstreuung
a -Teilchen
- Die Atomhülle
wird ohne
WechselWirkung
Durchdrungen
- Die Ablenkung
geschieht
durch Abstoßung an
den positiv
geladenen
Kernen
(elektrostatische
Kräfte)
Kurz nachdem Thomson das Elektro n entdeckt hatte, stellte Thomsons
Freund und Partner Ernest Rutherford, der ein sehr bedeutender Mann
in der Physik war, in zahlreichen Forschungsarbeiten sehr wichtige
Untersuchungen zur Radioaktivität an. Nachdem Rutherford seine
zeitaufwendigen Versuch e beendet hatte, konnte er zwei verschiedene
Strahlungsarten nachweisen, die von Uran emittiert werden, und er
bezeichnete sie als Alpha - und Betastrahlen. Rutherford und auch
andere Physiker, die sich mit diesem Gebiet der Physik beschäftigten,
kamen zum einstimmigen Entschluss, dass die Betastrahlen
Kathodenstrahlen, also Elektronen sind.
Doch Rutherford konnten das "Geheimnis der Alphastrahlen" nicht
lüften. Rutherford hatte die Vermutung, dass die Alpha -Strahlen
Teilchen sind, elektrisch geladene Atome, die mit einer sehr hohen Geschwindigkeit
ausgeschleudert werden, doch seine Vermutungen konnte er nicht beweisen. Bewiesen war
nur, dass die Alphastrahlen ein Blatt Papier nicht durchdringen können, und dass sie von
einem Magnetfeld leicht abgelenkt werde n.
Lukas Heberger