. 1: Einleitung: Atomphysik und Quantenmechanik habena) weitreichende Implikationen für unser Weltbildb) Immense technische Bedeutung

2. Historischer Rückblick2.1 Atomtheorie seit den Griechen 2.2. Die Avogadro Konstante (das MOL)

Genaue Bestimmung von NA aus KristallenBragg Reflexion/ Braggsches Drehwinkel VerfahrenLaue VerfahrenDebye Scherer Verfahren

Nachtrag:

Anthracen

Elektronendichteverteilung inAnthracen(Röntgenbeugung)

Details der Streuung hängennicht nur von den Kernen sondernvon der Elektronendichteverteilungab!

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)“

http://www.didaktik.physik.uni-erlangen.de/grundl_d_tph/exp_stoss/stoss_streu_3.html

Wirkungsquerschnitt: = (A+B)2

Bei Teilchen kein „Kontakt“ sondern Reichweite der Kraft und Wahrscheinlichkeit! (Bsp. TORWART: a) Reichweite, b)Wahrscheinlichkeit)

Gesucht!

Nreaktion = Nprojektil Ftarget

„Flächendichte“ (Teilchen/cm2)“des Targets

Nprojektil

Nrest = Nprojektil (1 – e-FL)

Nprojektil

x

Nrest

L

Voraussetzung: Target so dünn, daß Teilchen nicht überlappen!Allgemein:

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 Aus Gitterkonstante

Neon 1.2 1.6 A (10-10m) Argon 1.48 1.9A

3: Kann man Atome sehen????

3.1: Wie gross sind Atome3.1.1. 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

Das Ion „Astrid“

Stimulierte Lichtemission von Ionen in Paulfalle(W. Paul Nobelpreis 1989)

(Arbeitgruppe Werth, Mainz)

Cs+ Ionen in Paulfalle

Stimulierte Lichtemission von Ionen in Paulfalle(W. Paul Nobelpreis 1989)Paulfalle wird Montag behandelt

3.3 Spuren von Atomen/Ionen in Nebelkammern

www.nobel.sehttp://www.unibas.ch/physikdidaktik/TEILCHEN_97/EXPTEST.HTML

Teilchen(Heliumkerne)

Mit Magnetfeld

Stoß

3: Kann man Atome sehen????

3.1: Wie gross sind Atome3.1.1. 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)

Das Rastertunnelmikroskop:Heinrich Rohrer und Gerd Binnig, Nobelpreis

1986

http://de.geocities.com/rastertunnelmikroskop2002/deutsch

3.4. Atome sehen durch Abtasten:

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 Autobiographiehttp://www.nobel.se/physics/laureates/1986/binnig-autobio.html

Siliziumoberfläche STM Aufnahme

Fehlstelle

•Verschiebung mit Piezos 3 Dimensional•Dämpfung!!!•Messung des Tunnelstroms (wird konstant gehalten durch Höhenvariation)

Atome nicht nur sehen, sondern einzeln manipulieren:

C60 Moleküle als „Rechenschieber“ (1996)

Einzelne Xenon Atome, bei –273K (IBM 1989)

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

4: Isotopie und Massenbestimmung

Periodensystem (1869 Mendelejew, Lothar Meyer)Sortiert nach periodisch wiederkehrenden chemischen&physikalischenEigenschaften

Seltene Erden

Actinide

Hassium (von Hessen!)Bei GSI entdeckt

Ordnungszahl

Ion

isa

tion

sen

erg

ie

Edelgase: He, Ne, Ar, Kr, Xe

Quelle: http://www.monroecc.edu/wusers/flanzafame/PeriodicFigs.htm

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) !geschwindigkeitsabhängig

Elektrisch: F = q * E

Massenspektrometer:

Geladene Teilchen (Ionen) in elektrischen, magnetischen Feldern

Lorentzkraft: F = q * (v x B) !Geschwindigkeitsabhängig

Elektrisch: F = q * E

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) !Geschwindigkeitsabhängig

Elektrisch: F = q * E

Aston 1919 „Geschwindigkeitsfokussierung“

Ionenquelle

m/q Auflösung durch v begrenzt

radius = m/q * v / B

Aston: gekreuzte E und B FelderZiel: verschiedene Geschwindigkeiten auf gleichen Punktgeschickte Kombination von E und B

Ablenkung im E Feld:tan() = q B L / mv2

L

Ablenkung im B Feldtan() = q B L / mv

verschiedene Startwinkel

Richtungsfokussierung “Sektorfeld”

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 Moleküleohne sie zu zerbrechen!

Quadrupol Massenspektrometer

Wolfgang Paul1913-1993Nobelpreis1989

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

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

“Stoßparameter” b

“Streuwinkel”

5: Kernstruktur des Atoms

“Stoßparameter” b

“Streuwinkel”

Z1Z2 e2

b=4o 2mv2 sin2(/2)

für Coulomb Abstoßung zwischen Punktteilchen

5: Kernstruktur des Atoms

“Stoßparameter” b

“Streuwinkel”

Z1Z2 e2

b=4o 2mv2 sin2(/2)

Kann nicht “Zielen” d.h. kenne b nicht

ist die einzige Messgröße

“Schrotgewehr”

Was ist ein Wirkungsquerschnitt (differentieller Querschnitt) (2): Bsp: Wald „Fläche auf der die Wirkung Eintritt (z.B. Stoß)“

http://www.didaktik.physik.uni-erlangen.de/grundl_d_tph/exp_stoss/stoss_streu_3.html

Nreaktion = Nprojektil Ftarget

„Flächendichte“ (Teilchen/cm2)“des Targets

Nprojektil

Zufällige Verteilung aller Stoßparameter ist proportional zur Wahrscheinlichkeit

daß eine Reaktion Eintritt, wenn man “zufällig” (alle Stoßparameter) bestahlt.

Was ist ein Wirkungsquerschnitt (differentieller Querschnitt) (2):

http://www.didaktik.physik.uni-erlangen.de/grundl_d_tph/exp_stoss/stoss_streu_3.html

Nprojektil

Zufällige Verteilung aller Stoßparameter

“Wahrscheinlichkeit”in einen Winkel zu streuen

Z1Z2 e2

b=4o 2mv2 sin2(/2)

d.h.für reine Coulombstreuung an Punktteilchen erwartet man eine Wahrscheinlichkeitsverteilung der Streuwinkel 1/sin(/2)4

Rutherford/Geiger/Marsden Streuexperiment

Radon Gasemittiert Teilchen

Blendenkanal fürgerichteten Strahl

Dünne GoldFolie

Evakuieren damit an Gold, nicht anLuft gestreut wird

Mikroskop mit Szintillationsschirm(drehbar)

Rutherford/Geiger/Marsden Streuexperiment

Setzt reine Coulombstreuungvoraus.

d.h. wenn Kernberührung ->Abweichungen!

“Coulomb Schwelle”(einige MeV/u)

Energie fest, detektiere Streuwinkel

Setzt reine Coulombstreuungvoraus.

d.h. wenn Kernberührung ->Abweichungen!

Winkel fest, variiere Energie

Wirkungsquerschnitt 3:“allgemeiner” differentieller Wirkunsquerschnitt:

“effektive Fläche”, Fläche pro Messintervallfür 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