Ph 9 Grundwissen Atomphysik

Ph 9 Grundwissen
Atomphysik
Atome sind unscharf begrenzte Objekte
o
Sie haben eine Hülle aus Elektronen: Durchmesser 10-10 m = 1 Angström = 1 A
Die Elektronen stoßen sich aufgrund einer elektrische Ladung genannten Eigenschaft ab.
Elektronen sind unteilbare elementare Objekte mit elementarer Ladung e
Atome haben einen Kern aus Protonen und Neutronen: Durchmesser 1/100 000
Atomdurchmesser
Die Protonen stoßen sich ebenfalls ab.
Diese Abstoßung ist exakt so groß wie die der Elektronen.
Die Neutronen verspüren diese elektrische Kraft nicht.
In einem Standardatom ist Zahl der Protonen = z = Anzahl Elektronen.
Die Neutronenzahl n kann variieren: Isotopie
Der Kern bindet mit seiner positiven Ladung die negativen Elektronen an sich.
Das Atom ist auf große Distanz im Standardzustand ungeladen.
In der Natur gibt es 92 Protonenzahlen: Elemente
Z = 1 Wasserstoff
Z = 2 Helium
…
z = 92 Uran
Schreibweise:
zn
z
Element z.B. Eisenisotope
53...59
26
Fe
Der Kern ist gegen die Abstoßung der Protonen untereinander stabil:
Eine „Kernkraft“ 100 x stärker el. Abstoßung hält ihn zusammen.
→ reales Modell: Teilchenaustausch, hier sog. Pionen ( π+ ; π- ; πo )
Atome gehen Verbindungen mit komplexer Raumstruktur ein: Moleküle
z.B.
H2 molekularer Wasserstoff
H2O Wasser
CO2 Kohlendioxid
Ölsäure C17H33COOH (angedeutete Struktur): Durchmesser 10-9 m = 1 nm
o
Der typische Atomabstand: 10 --- 100 A
Aufgabe: berechne die Fläche, auf die sich ein Ölfilm aus 1 Liter Öl ausbreitet.
Atome können geometrisch periodische Strukturen bilden: Kristalle (Raumgitter)
o
Die Abstände hier sind kleiner: einige A , z.B Kochsalz Na+ClEinige Atome oder Moleküle binden nicht alle Elektronen an den Kern: elektrische Leiter
Wie untersucht man Atome: meist durch Stoßexperimente
EXP: Ablenkung einer kleinen Ladung durch eine starke
Um 1900
Lenard: Elektronen auf Metallfolien
o
→ körnige Struktur der Materie mit Streuzentren A
Rutherford: He++ - Kerne ( sog. α – Teilchen ) auf Goldfolien (2000 Atomlagen)
Moderne Experimente CERN , DESY, SLAC u.a.
meist Elektronen oder Protonen mit annähernd Lichtgeschwindigkeit
Diese „Beschleuniger“ sind gewissermaßen Atommikroskope, deren Vergrößerung und
Auflösung mit der Energie zunimmt.
Die Stabilität des Atoms:
Die Stabilität des Kerns:
o
o
o
o
vordergründig Kernkraft (Pionenaustausch)
Nur einige Blei-Isotope sind langfristig (Milliarden Jahre) stabil
Alle anderen „zerfallen“: Radioaktivität
Die Stabilität hängt wesentlich von der Neutronenzahl ab: Neutronen als „Kernkitt“
Die Stabiltiät der Elektronenhülle:
o historisch ein großes Problem:
o kreisende Elektronen sind beschleunigt und strahlen daher prinzipiell Energie ab
Die „Lösung“ des Problems:
das Bohr / Sommerfeld´sche Atommodell
Ad hoc – Annahme: Absolute Quantisierung des Drehimpulses der Elektronenbahnen
d.h: es gibt einen kleinsten Drehimpuls und alle Objekte der Natur können nur Vielfache
davon haben!
Diese Annahme ist nach wie vor experimentell stark abgesichert.
→ Die moderne Atomphysik beruht im Rahmen der Messgenauigkeiten
auf der Annahme, dass alle Größen absolut oder relativ quantisiert sind.
Sog. Quanten
Die absolute Drehimpulsquantisierung führt zu einer relativen Energiequantisierung
der Elektronen im Atom
Simples Denkmodell: Elektronen auf Ellipsenbahnen
d.h. Ein Elektron kann nur einen vom Element und den äußeren Bedingungen abhängigen
Energiezustand haben. Diese Zustände sind aber nicht mathematisch scharf.
Hitze, starke Elektro- oder Magnetfelder können sie aufspalten oder „verschmieren“.
Es gibt in der Natur Zustände mit quantisierten Impulszuständen und quantisierter Energie:
Stehende Wellen im Bereich der Schwingungen.
Das Bohr´sche Modell fordert ohne zwingende Theorie, aber basierend auf exp. Tasachen:
Jedes Elektron im Atom hat unendlich viele quantisierte Energiezustände
Elektronen haben in quantisierten Energiezuständen keinen Energieumsatz
Sie können in Form sog. Elementarakte ohne Zeitverzug zwischen den Stufen wechseln.
Die Aufnahme der Energie erfolgt im Rahmen der Zustandsunschärfe in definierten
Portionen
o Die Abgabe erfolgt ebenfalls in Portionen: nur in Form von EM-Strahlungspaketen
o
o
o
o
EM-Strahlung ist eine Welle im elastischen leeren Raum
Die Welle schwingt mit einer Frequenz von z.B. 1015 Schwingungen/Sek = 1015 Hertz
Sie breitet sich im Vakuum mit Lichtgeschwindigkeit aus: co = 300 000 km/s
Es gilt stets: Laufgeschwindigkeit = Wellenlänge x Frequenz
Das Bohr´sche Modell berechnet die Energiezustände des Wasserstoffatoms sehr genau:
En = - 13,6 eV / n2 mit der sog. Quantenzahl n = 1, 2, 3, 4, 5, …
Anm: die Chemiker sprechen von Orbitalen K, L, M, N, O, …
Techn. Anm.:
Energieeinheit der Atomphysik: Elektronenvolt 1 eV = 1,6 · 10-19 J
Die Quantisierung der Objekte (Teilchen, Kräfte, Größen) wir beherrscht von einer
Weltkonstante: dem
Plank´schen Wirkungsquantum h = 6,6261 · 10-34 Js
Offenbar: im makroskopischen Alltag ohne Bedeutung (aber sehr wohl indirekt: Hady, PC …)
Aber. Entscheidend für die Zustände und Vorgänge im Nanometerbereich.
Die EM-Strahlung ist frequenzabhängig quantisiert:
E (Photon) = hf
d.h., die Elektronen im Atom setzen bei ihren
Quantensprüngen zwischen den Energiestufen En → Em die Energiequanten ΔE = hf um.
Aufgabe:
Berechne die Energiequanten für die ersten Sprünge des Wasserstoffelektrons
vom Grundzustand E1 = -13,6 eV aus.
Welche Frequenz und Wellenlänge haben die Photonen ?
EXP: das Photonenspektrum des Wasserstoffatoms u.a. Atome
Leider:
Das Bohr´sche Modell hat ein entscheidende Mankos:
o Die Berechnungen für alle anderen Elemente liefern völlig falsche Energiewerte
o Es kann seine adhoc- Annahmen nicht erklären, insbesondere die Stabiltiät der Bahnen.
Das Bohr´sche Modell ist nach moderner Einschätzung als Näherung und
Visualisierung mitunter tauglich, aber im Wesentlichen völlig falsch.
Es versagt hinsichtlich der Vorgänge im Atomkern total.
Das Bohr – Modell liefert keine adäquate Beschreibung der Natur.