Atom ist nicht unteilbar
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Die Suche nach dem Unteilbaren Atome sind nicht unteilbar Max Camenzind Senioren Uni Bad Kissingen 2015 www.lsw.uniheidelberg.de/users/mcamenzi Der Aufbau der Materie aus heutiger Sicht 1/10.000.000 > < 0,01 m Kristall 1/10 10-9 m = nm Molekül 1/10.000 10-10 m Atom 1/1.000 1/10 10-14 m Atomkern 10-15 m Proton Stecknadelkopf: 10-3 m = 1 mm <10-18 m Quark, Elektron Elektron & Quarks sind unteilbar: < 10-18 m = 1 Attometer punktförmig? Atome sind nicht unteilbar Physik/Uni Basel 20 Brom-Atome auf NaCl - 5,6 nm Einstein erklärt Atomkerne E = mc² François Englert und Peter Higgs erhalten nach 40 Jahren den Nobelpreis Dunkle Materie ist überall … Auf der Suche nach Dunkler Materie Doku zu Vorträgen A4 150 S. s/w Auf Bestellung Homepage: www.lsw.uniheidelberg.de/ users/mcamenzi Unsere Themen heute • Von Demokrit bis Higgs – von Atomen bis zu Quarks und Elektronen. • Das Rutherford Experiment „PlanetenModell“ des atomaren Aufbaus. • Welche Kräfte waren vor 100 Jahren bekannt? Feldbegriff ist fundamental! • Das Problem der Stabilität der Atome. • Einstein 1905: EM Wellen sind auch Teilchen – Photonen. • Orbitale: Elektronen nicht lokalisierbar, verhalten sich auch wie Wellen. • Schrödinger löst 1925 das Problem Ein Universum voller Teilchen Woraus ist die Welt, woraus sind wir selbst gemacht? Gedanken der griechischen Philosophen: Demokrit (460-371 v.Ch.) u.a.: Materie besteht aus unteilbaren, kleinen Bausteine = atomos () = unteilbar Aber auch: Aristoteles u.a.: Der Raum ist kontinuierlich mit Materie ausgefüllt Elementares mit Symmetrien (Platon u.a.) Bereits vor 2500 Jahren behauptete Demokrit (460-371 v. Chr.), dass alle Materie aus unteilbaren ("atomos") Grundbausteinen zusammengesetzt sei. Von diesen Grundbausteinen sollte es nur eine kleine Anzahl unterschiedlicher Typen geben. Die verschiedenen Eigenschaften von Materie erklärte Demokrit aus der unterschiedlichen Anordnung und Kombination dieser Grundbausteine im leeren Raum. Diese Auffassung wurde von Aristoteles jedoch kritisiert, da er die Vorstellung eines leeren Raumes ablehnte. In Anlehnung an seinen Lehrer Platon erklärte er die Vielfalt der irdischen Erscheinungen stattdessen aus dem Zusammenwirken der Grundelemente Feuer, Wasser, Erde und Luft. In den folgenden 2000 Jahren sollte das Abendland hierin Aristoteles folgen, und der Atomismus blieb zunächst folgenlos. Feuer, Wasser, Erde und Luft Die Suche nach dem Unteilbaren -500 EMPEDOKLES: Luft, Feuer, Wasser, Erde DEMOKRIT: „Atomos“ EPIKUR: „Chem. Bindung“ ARISTOTELES: „4 Elemente: Feuer, Wasser, Erde, Luft“ 0 500 2000 Jahre „Kirchenvakuum“: 322 v. Chr. – 1632 n. Chr. Aristotelisches Weltbild wird dogmatisch übernommen, „Ketzer“ werden hingerichtet. 1000 1500 KEPLER, GALILEI DALTON: 1. und 2. Verbindungsgesetz AVOGADRO: Gase, Moleküle FARADAY, MAXWELL: elektrische Natur der Atome, Feldbegriff 2000 RUTHERFORD: experimentelle Beweise nach AkadOR W. Wagner, BOHR; Didaktik der Chemie, Universität Bayreuth, verändert Folie 16 PLANCK, HEISENBERG, SCHRÖDINGER: Orbitaltheorie Aristoteles gegen Demokrit 2500 Jahre Atomismus Das Problem wurde erfolgreich gelöst Atommodell Dalton 1808 fest flüssig Erklärt nicht die Radioaktivität 1897 weist J.J. Thomson das Elektron nach mit Hilfe der Kathodenstrahlröhre RosinenModell J.J. Thomson PlanetenModell Rutherford Ernest Rutherford Cambridge 1871-1937 * Neuseeland Herausragender Experimentalphysiker Untersucht 1912 Atomstrukturen in Manchester Rutherford Streuversuch 1911-1913 mit alpha-Teilchen an Goldfolie -Teilchen sind He-Kerne Nahezu die ganze Masse des Atoms ist in einem winzigen Atomkern konzentriert, der positiv geladen ist. Atome sind „leer“ Atome sind leer Rutherfords Atom-Modell 10-14 m Kern : Atom = 1 : 10.000 10-10 m das Atom ist leer ! Das Atom ist nicht unteilbar – es besteht aus Elektronen und dem Kern und voraus bestehen die…? Welche Kräfte sind vor 100 Jahren bekannt ? Isaac Newton 1687 Newton1: Trägheitsgesetz Ein Körper bleibt in Ruhe oder bewegt sich mit konstanter Geschwindigkeit geradlinig, wenn keine Kraft auf ihn wirkt. Newton2: Aktionsprinzip g F ma Die zeitliche Änderung des Impulses ist proportional zur äußeren Kraft, die auf den Körper wirkt. Newton3: Actio = Reactio Bei Wechselwirkung zweier Körper ist die Kraft, die auf den ersten Körper wirkt umgekehrt gleich der Kraft, die der zweite auf den ersten ausübt. Als Reaktion auf das Ausstoßen der Verbrennungsgase wird die Rakete beschleunigt (sog. Rückstoßprinzip). Isaac Newton Gravitation 1687 Alle Körper ziehen sich an Gravitationskraft gilt auch im Sonnensystem Kepler-Gesetze Messung GravitationsKonstante G Torsionswaage Cavendish 1797 G = 6,67384x10-11 m³/kg s² Maxwell (1861-1864) 2 weitere Kräfte sind damals bekannt: elektrische Kraft (Katzenfell) magnetische Kraft (Kompassnadel) Maxwell zeigte, dass beide Phänomene verwandt sind: Bewegte Ladungen Magnetfelder Begriff des Feldes zentral In der Physik beschreibt ein Feld die räumliche Verteilung einer physikalischen Größe. Dabei kann es sich um ein Skalarfeld handeln wie z. B. das Gravitationspotential F oder das elektrostatische Potential, oder um ein Vektorfeld wie z. B. das Gravitationsfeld oder das elektrische Feld. Der Wert eines Feldes an einem bestimmten Ort wird in manchen Fällen Feldstärke genannt. Das elektrische Feld E wird durch seine Kraftwirkung F auf eine Probeladung q definiert: Fe = q E analog Fg = mg , g = GM/r² Vektorfeld auf einer Sphäre In jedem Punkt setzt ein Vektor an E = (Ex,Ey,Ez) E Felder erfüllen den leeren Raum Elektrische Dipolfelder E E = (Ex,Ey,Ez) Felder erfüllen den leeren Raum 2 positive Ladungen stoßen sich ab Dipolmagnetfeld umgibt Erde B Felder vermitteln Wechselwirkung Die newtonsche Gravitationstheorie ist eine Fernwirkungstheorie, da in dieser Theorie nicht erklärt wird, wie die Gravitationswechselwirkung durch den leeren Raum transportiert. Wechselwirkungstheorien müssen, um die Kausalität von Ereignissen nicht zu verletzen, lokal sein. Mit Hilfe des Feldbegriffs können Wechselwirkungen lokal beschrieben werden. Der Körper A ist vom Gravitationsfeld umgeben und reagiert auf die Änderungen des Feldes in seiner Umgebung und nicht direkt auf die Verschiebung anderer Körper, die das Feld erzeugen. Das Feld ist also Träger der Wechselwirkung. Feldgleichungen beschreiben, wie und mit welcher Geschwindigkeit sich Störungen in einem solchen Wechselwirkungsfeld ausbreiten. Die Feldgleichungen des Elektromagnetismus sind die Maxwell-Gleichungen. Die Maxwell-Gleichungen für E & B • Gauß Gesetz: Ladungen erzeugen elektrische Felder – div E = 4pe0r; el. Feldlinien Ansatzpunkt • Gauß Gesetz Magnetismus: Es gibt keine magnetischen Ladungen (Monopole) - div B = 0; magnetische Feldlinien sind immer geschlossen. • Faraday Induktionsgesetz: zeitlich veränderliche Magnetfelder erzeugen elektrische Felder senkrecht zu B-Feld (Prinzip Generator). • Ampère Gesetz: stromdurchflossene Leiter erzeugen magnetische Felder, ebenso zeitabhängige elektrische Felder (Zusatz von Maxwell). Maxwell: Licht = elektromagn. Wellen Zeitabhängige elektrische und magnetische Felder c = 299.297,458 km/s Das elektromagnetische Spektrum im Universum ln=c Sonnenstrahlung: l = 100 nm - 4 m Terrestrische IR-Strahlung: l = 4 m - 100 m Interferenz – typisch für Wellen Doppelspalt-Versuch Natur elektromagnetischer Strahlung – Welle oder Teilchen • Welle-Teilchen-Dualismus: elektromagnetische Strahlung erscheint entweder als Welle oder als Teilchen. • Geschwindigkeit elektromagnetischer Strahlung im Vakuum (Einstein 1905): c = 299.297,458 km/s Max Planck 1900 Wirkungsquantum h h = 4,1 x 10-15 eV s Der Schwarze Körper Planck postuliert h 1900 Absorbiert sämtliche Strahlung Keine Transmission oder Reflexion Thermische Emission mit bestimmter Intensität und spektraler Verteilung Plancksches Strahlungsgesetz: Wie sieht die EnergieVerteilung u(l) aus? u(l)? 1900: Plancks grundlegende Annahme Oszillatoren im Hohlraum nur diskrete Frequ E h n Planksche Wirkungsquantum: h (6,6256 0,0005) 10 27 Js Energie Zeit Plancksches Strahlungsgesetz • ein schwarzer Körper der Temperatur T emittiert Strahlung der Frequenz n mit der Intensität 2 Naturkonstanten: h und k 2hn 1 Bn (T ) 2 hn / kT . c e 1 3 • Max Planck (1900): Energie kann nur gequantelt abgegeben bzw. aufgenommen werden (sonst „UV-Katastrophe”). Plancksches Strahlungsgesetz h nmax = 2,8 kT 2hn 1 Bn (T ) 2 hn / kT . c e 1 3 Photoeffekt 1905 Licht besteht ebenfalls aus Quanten. Es setzt je nach seiner Wellenlänge mehr oder weniger Elektronen frei, wobei kurze Wellen mit höherenergetischen Quanten auch höherenergetische Elektronen erzeugen. E h n hc = 1,26 eV µm h = 4,1 x 10-15 eV s CCDs sind Photonenzähler CCDs werden wie Computer Chips auf Silizium-Wavers produziert mittels photolithographischer Techniken. CCDs sind heute die wichtigen Detektoren im Optischen und können beträchtlich groß ausfallen, was sie natürlich auch teuer macht. Natürliche Einheiten für Teilchen • Mikrowelt Größen: 1 fm = 1 Femtometer („Fermi“) = 10-15 m ~ 1 Proton (1 µm = 1.000.000.000 fm) • Mikrowelt Energie: 1 ElektronVolt = 1eV = 1,602 x 10-19 J 1 KiloElektronVolt = 1 keV = 1000 eV 1 MegaElektronVolt = 1 MeV = 1.000.000 eV 1 GigaElektronVolt = 1 GeV = 1.000.000.000 eV • 1 TeraElektronVolt = 1 TeV = 1 Billion eV = 1000 GeV • Massen in Energieäquivalent: me = 511,0 keV/c² Protonenmasse: mp = 938,27 MeV/c² Diskrete Emissionslinien Photonen werden nur in diskreten Einheiten emittiert Zusammenfassung bisher • Max von Laue und Rutherford erkunden experim die Struktur der Materie und Aufbau der Atome Atome sind leer, schwerer Kern, + geladen. • Newton begründet die Gravitationskraft und Maxwell führt den Begriff des Feldes ein, zunächst noch an Äther gebunden, später jedoch als selbständige Entität erkannt – Feld existiert an jedem Raumpunkt, kann zeitabhängig sein. • Licht besteht aus elektromagnetischen Wellen • Planck und Einstein: Photonen verhalten sich als Welle oder als Teilchen dies begründete den Teilchen-Welle-Dualismus der Mikrowelt.
