Die Entdeckung der Atome

Schlervorlesungvon Siegmund BrandtFachbereich Physik der Universitt Siegen17. Januar 2001

war und ist ein wichtiges Ziel der Menschen in allen Kulturen

Objekte der Naturbeschreibung:

handgreifliche Gre: Menschen, Tiere, Pflanzen, Mineralien ... ganz groe: Sternhimmel, d.h. Astronomie

ganz kleine: Aufbau der Materie

Naturbeschreibung und Naturerkenntnis

Ursprnge der griechischen AtomvorstellungLeukippos von Milet (?) 5. Jh. vor Chr.

Democritvon Abdera(ca. 460 - 370 vor Chr.)Epicurvon Samos(341 - 270 vor Chr.)Die Atome sind hart, unteilbar, von verschiedener Gestalt, jedoch ohne Farbe, Geschmack oder Geruch. Sie bewegen sich spontan und ununterbrochen im Vakuum. Wegen ihrer Kleinheit sind sie unsichtbar.

FeuerTrockenheitWrmeKlteNsseWasserErdeLuftTheorie der vier ElementeEmpedocles von Agrigent (ca. 483-423 vor Chr.)

Elemente und Platonische KrperPlato (428 - 347 vor Chr.)Tetraeder Wrfel Oktaeder Ikosaeder Dodekaeder Feuer Erde Luft Wasser therPlatoidentifiziert die Atome mit den fnf regelmigen (platonischen) Krpern.Zu den vier Elementen tritt ein fnftes, der ther.Der ther erfllt den Raumbereich auerhalb der Mondbahn, da dort offenbar andere natrliche Bewegungen (Kreisbahnen) auftreten als auf der Erde (geradlinige Bahnen).

Astronomie (nach Anaximander)Die Planeten (zu denen auch Sonne und Mond gezhlt wurden) und die Fixsterne sind auf Kugeln aus durchsichtiger Materie angebracht, in deren Mitte sich die Erde befindet. Die Durchmesser der Kugeln verhalten sich zueinander wie die Tonhhen in musikalischen Harmonien,z.B. 1 : 2 : 3 : 4 : 8 : 9 : 27 (Platon)Materie (nach Demokrit) Es gibt nur wenige Grundsubstanzen (Elemente). Die Materieformen sind entweder die reinen Elemente oder Mischungen aus Elementen. Die Elemente sind Erde, Wasser, Feuer, Luft. Die Elemente bestehen aus Atomen, kleinsten unteilbaren Bausteinen. Die Atome der 4 Elemente haben die Formen der 4 einfachsten Krper der Geometrie: Kugel, Wrfel, Tetraeder, Oktaeder. Sie sind durch Hkchen miteinander verbunden.Beiden Bildern (dem vom Sternhimmel und dem von der Materie) ist gemeinsam:Versuch der Beschreibung durch mathematische Symmetrien.Sie werden aber nicht aus der Beobachtung des Naturobjekts abgelesen, sondern aus anderen Quellen (Musik, Geometrie) entnommen. Damit bleiben diese Vorstellungenreine Spekulationen.Vorstellungen im klassischen Griechenland

Beginn der modernen Naturwissenschaftim 16. Jahrhundert, ist gekennzeichnet durch sorgfltig geplante Experimente und Beobachtungen mathematische Beschreibung auf der Grundlage der Meergebnisse Vorhersagekraft der gefundenen Beschreibungen fr weitere Experimente

Galilei (1564-1642)Kepler (1571-1630)Newton (1643-1727)erforscht die Schwerkraftfindet przise Gesetze zur Planetenbewegungformuliert die Gesetze der Mechanik.Er kann aus ihnen die Keplerschen Gesetzeberechnen, wenn er als Kraft zwischen Sonne und Planeten die Schwerkraft annimmt.SchwerkraftPlanetBahn des PlanetenSonne

Wiederbelebung des AtombegriffsJoseph Louis Proust (1754 1826)John Dalton (1760 1844)Louis Joseph Gay-Lussac (1778 - 1850)Gesetz der konstanten Proportionen (1794)Bei der Bildung einer chemischen Verbindung aus zwei Ausgangssubstanzen werden diese nur vllig aufgebraucht, wenn ihre Massen ein ganz bestimmtes Verhltnis bilden, z.B. 2g Wasserstoff + 16g Sauerstoff 18g WasserGesetz der multiplen Proportionen (1804)Es knnen mehrere solche Verhltnisse auftreten, z.B2g Wasserstoff + 16g Sauerstoff 18g Wasser2g Wasserstoff + 32g Sauerstoff 18g WasserstoffsuperoxidGesetz der einfachen Volumenverhltnisse (1808)Bei der Verbindung von Gasen treten ganz bestimmte Verhltnisse der Volumina auf, z.B.2Liter Wasserstoff`+1Liter Sauerstoff 2Liter Wasserdampf

Daltons Atomhypothese 1803Die Materie besteht aus unteilbaren, unzerstrbaren Atomen. Alle Atome reiner Substanzen sind einander exakt gleich. Chemische Verbindungen werden in den einfachsten numerischen Verhltnissen (1:1, 1:2, usw.) aus Atomen aufgebaut. Die Atome sind vergleichsweise gro und in Ruhe.Sie haben jeweils eine Atmosphre aus Kalorik. Die Atmosphren der Atome berhren einander.[Der Begriff Kalorik gehrte zur damaligen Therie der Wrme.]John Dalton (1760 1844)Daltons Symbole fr die Elemente und die auf Wasserstoff bezogenen Massen

Dalton, A New System of ChemicalPhilosophy (1808)If there are two bodies, A and B, which are disposed to combine, the following is the order in which the combinations make take place, beginning with the most simple: namely,

1 atom of A + 1 atom of B = 1 atom of C

1 atom of A + 2 atoms of B = 1 atom of D2 atoms of A + 1 atom of B = 1 atom of E

1 atom of A + 3 atoms of B = 1 atom of F,3 atoms of A + 1 atom of B = 1 atom of G, etc.

Avogadros Atomhypothese 1811Amadeo Avogadro (1776 - 1856)Gleiche Volumina von verschiedenen Gase enthalten (bei gleichem Druck und gleicher Temperatur) die gleiche Anzahl von Atomen (bzw. Moleklen). Diese sind klein und dauernd in Bewegung. Sie halten ihren Abstand durch dauernde Ste untereinander.Die scheinbar unterschiedlichen Befunde von Dalton und Gay-Lussac lassen sich nun in Einklang bringen. Befinden sich in 1Liter Gas N Molekle, so finden wir:Wurde erst 1860 (nach dem ersten internationalen Chemikerkongress in Karlsruhe) allgemein akzeptiert.2N Molekle Wasserstoff + N Molekle Sauerstoff 2 Molekle Wasser1 Molekl Wasserstoffgas H2 (bzw. Sauerstoffgas O2) hat 2 Atome 2 Atome Wasserstoff + 1 Atom Sauerstoff 1 Molekl Wasser (2H + O H2O)Massen: 2 M(H) : M(O) : M(H2O) = 2 : 16 : 18Relative Atommasse (Atomgewichte): mH = 1, mO = 16

Atome - Ergebnisse chemischer ExperimenteElemente und VerbindungenNicht weiter zerlegbare Substanzen sind Elemente, z.B. Wasserstoff (H), Kohlenstoff (C), Stickstoff (N), Sauerstoff (O)Elemente bilden Verbindungen.AtomhypotheseElemente bestehen aus vllig gleichwertigen Atomen.Verbindungen bestehen aus Moleklen, die nach gleichem Bauplan aus Atomenaufgebaut sind, denn bei Bildung von Verbindungen binden sich die Elemente in festen Massenverhltnissen.Beispiel: In Wasser ist das Massenverhltnis von Wasserstoff zu Sauerstoff 2:16, in Wasserstoffsuperoxid 2:32Atomare Massenzahl (frher: Atomgewicht)Aus diesen Massenverhltnissen lt sich die Masse m jedes Atoms durch die MassemH des Wasserstoffatoms ausdrcken: m = A mHBeispiele: AH = 1, AC = 12, AN = 14, AO = 16, ...

Periodisches System der ElementeZuerst aufgestellt 1869 von Mendelev, ordnet Elemente nach atomarer Massenzahl und chemischer hnlichkeit.

Atome - Ergebnisse physikalischer ExperimenteExperimentEin Gas in einem Gef verhlt sich, als ob es aus einer groen Zahl kleinster starrer Kugeln bestnde, die miteinander und mit den Gefwnden Ste ausfhren.Kinetische GastheorieDie mittlere Energie der Atome (oder Molekle) des Gases ist proportional zur (absoluten) Temperatur.Avogadrosche Zahl(oder Loschmidtsche Zahl, weil zuerst von Loschmidt bestimmt)In A Gramm eines Elements der atomaren Massenzahl A (z.B. 1 g Wasserstoff oder 12 g Kohlenstoff) befinden sich NA = 6,022 1023 Atome.Damit hat das Wasserstoff-Atom die Masse mH = 1,673 10-27 kgBei Wrmezufuhr wchstVolumen. (Deckel hebt sich)Bei strkerem Rtteln (Energiezufuhr) steigt Volumen.

Brownsche BewegungComputersimulation http://www.aci.net/kalliste/brown.htmRobert Brown (1773-1858)Zellen einer Orchideenart gesehen durch Browns Mikroskop. Der Zellkern, den Brown 1828 entdeckte, ist deutlich sichtbar.Browns MikroskopBrownsche Bewegung von Milchtrpfchen in Wasser (Videoaufnahme durch Browns Mikroskop)Robert Brown, ein schottischer Botaniker, beobachtete 1827 bei der Bobachtung von Pollen in Wasser unter dem Mikroskop, dass sich die Pollenkrner in stndiger unregelmiger Bewegung befinden.Der Effekt war schon frher beobachtet, aber fr eine Eigenschafte der belebten Materie gehalten worden.Brown fand, da er ebenso bei unbelebten Substanzen, z.B. Steinstaub auftritt.Interpretation: Wassermolekle stoen dauernd an das im Mikroskop sichtbare Teilchen und fhren so zu dessen Bewegung.

SpektralanalyseGustav Kirchhoff (1824 - 1887)Robert Bunsen (1811 1899)Das Spektroskop von Bunsen und KirchhoffBunsen und Kirchhoff 1860 Wenn Elemente stark erhitzt werden (z.B. in der Bunsenflamme, senden sie Licht charakteristischer Farben (Wellenlngen) aus, die als Spektren gemessen werden knnen.

Atome - Optische SpektrenDa Licht eine Wellenerscheinung ist, mssen die Atome bei deren Aussendung irgendwie schwingen (wie eine Gitarrensaite bei der Aussendung von Schallwellen). Atome knnen keine starren Kugeln sein.NatriumWasserstoffHeliumNeonBei hherer Auflsung: zwei gelbe LinienRot: Wellenlnge groBlau: Wellenlnge klein

Atome - elektrisch neutral und geladenStromtransport in Flssigkeiten, Elektrolyse (Faraday 1833)Beim elektrischen Strom in Flssig-keiten tritt Ladungstransport und Materietransport auf: Die Atome oder Molekle sind elektrisch geladen. Die kleinste Ladungsmenge ist die

Elementarladung: e = 1,602 10-19 Coulomb

Geladene Atome heien Ionen. Sie tragen eine oder mehrere (positive oder negative) Elementarladungen.An den Elektroden (den Metallplatten in der Flssigkeit, die mit der Spannungsquelle verbunden sind) treten die Atome oder Molekle ungeladen auf, z.B. als metallisches Kupfer.

Experiment zu GasentladungBei Normaldruck fliet kein Strom. Bei Druckerniedrigung setzt Stromflu und Leuchterscheinung zwischen den Elektroden ein.Bei weiterer Druckminderung geht das Leuchten zurck. Durch Lcher in den Elektroden treten Kathodenstrahlen und Kanalstrahlen in die ueren Teilrume ein. Sie bringen das Gas auf ihrem Weg zum Leuchten.Kathodenstrahlen: Elektrisch negativ geladen. Magnetisch leicht ablenkbar. Erzeugen Leuchtfleck auf Glas, von dem auch Rntgenstrahlung ausgeht. (Wurde in hnlichem Experiment 1896 von Rntgen entdeckt.Kanalstrahlen: Positiv geladen. Nur durch starkes Magnetfeld ablenkbar.Zur Pumpe

Geladene Teilchen in Feldern

Kraft auf Teilchen der Ladung Q im elektrischen Feld(Kraft in Richtung des Feldes)Kraft auf Teilchen mit Geschwindigkeit im magnetischen Feld (Kraft senkrecht zur Geschwindigkeit und senkrecht zum Feld)

Energiegewinn im elektrischen FeldWegen der Richtung der Kraft geschieht bertragung von Energie auf Teilchen nur im elektrischen Feld. Bei Durchlaufen der elektrischen Spannung U gewinnt ein Teilchen mit der Ladung Q die EnergieE = Q U

Beispiel: Fr Q = e, U = 1V ist E = 1 eV = 1 Elektronenvolt = 1,602 10-19 Ws1 MeV = 1 Million Elektronenvolt, 1 GeV = 1 Milliarde Elektronenvolt

Entdeckung des Elektrons1897 stellten Wiechert, Kaufmann und J.J. Thomson unabhngig voneinander durch Vermessung des Einflusses von elektrischen und magnetischen Feldern auf Kathodenstrahlen fest: Kathodenstrahlen bestehen aus Teilchen der Masse,

wenn man annimmt, da sie die Ladung -e besitzen. Diese Teilchen erhielten den Namen Elektronen.

Ergebnis: Das Atom kann zerlegt werden. Eines seiner Bausteine ist das Elektron. Seine Masse ist nur etwa 1/2000 der Masse des leichtesten Atoms.

Kanalstrahlen sind positiv geladene Ionen, d.h. Atome oder Molekle, denen ein oder mehrere Elektronen fehlen.

Thomsons ApparaturJoseph J. Thomson(1856 - 1940)Nobelpreis 1906Fadenstrahlrohr

Elektronenleitung im Metall. GlhemissionGlhemissionDurch Heizung einesMetalldrahtes erhaltenElektronen so viel Energie,da sie den Draht ver-lassen knnen. Man kannsie dann beschleunigen, ablenken usw.Beispiel: FernsehrhreFreies ElektronengasKristalle sind ein rumliches Netzwerk (Gitter) aus regelmig ange-ordneten Atomen. In Metallkristallen gibt es Elektronen, die sich wie ein Gas durch das ganze Gitter bewegen knnen. Sie bewirken den Ladungstransport (elektrischen Strom), scheinbar ohne Transport von Materie.

Ionisation und Anregung von Atomen durch geladene Teilchensind Grundlage fr den Bau von Nachweisgerten (Teilchendetektoren)

Elektronen oder Ionen zerlegen beim Durchlaufen von Materie die Atome in Elektronen und Ionen (Ionisation) oder regen sie zum Leuchten an (Anregung).

Das ausgestrahlte Licht kann entweder direkt beobachtet werden (z.B. Leuchtschirm der Fernseh-rhre), photographisch registriert oder elektrisch verstrkt und registriert werden.Prinzip eines Zhlrohres:Teilchen ionisiert Gas im Zhlrohr. Elektronen laufen zum zentralen Draht. In dessen Nhe ist Feld so hoch, da eine Ionisationslawine einsetzt. Damit bewirkt der Durchgang eines Teilchens, da sehr viele Elektronen auf den Draht gelangen und dort einen elektrischen Impuls auslsen.

Spektrum der Stahlung des schwarzen KrpersEin heier Krper gibt elektromagnetische Strahlung (z.B. Licht- und Wrmestrahlung) ab.Man wird unabhngig vom Material des Krpers, wenn man die Strahlung aus einer ffnung eines erhitzten Hohlkrpers (schwarzer Krper) untersucht. Die Energiedichte u im Innern des Hohlraums hngt nur von der Temperatur T und von der Wellenlnge bzw. der Frequenz = c / der Strahlung ab. Dabei ist c die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum.

Plancksches Wirkungsquantum. Photon1900Planck fhrt (zur Beschreibung der Strahlung des schwarzen Krpers eine neue Naturkonstante ein, das Plancksche Wirkungsquantumh = 6,626 10-34 Js Max Planck(1858 - 1947)Nobelpreis 1918Albert Einstein(1879 - 1955)Nobelpreis 19211905

Einstein stellt die Lichtquantenhypothese auf: Licht der Wellenlnge besteht aus Quanten (Photonen) der Ruhmassem = 0 und der EnergieE = h .Dabei ist = c / die Frequenz des Lichtes und c = 3 108 m/sdie Lichtgeschwindigkeit im Vakuum.

1916Millikan besttigt die Lichtquantenhypothese experimentell durch Przisionsmessungen zum lichtelektrischen Effekt.Robert A. Millikan(1868 - 1953)Nobelpreis 1923Lichtelektrischer EffektBei Bestrahlung einer Metalloberflche mit Licht der Wellenlnge , d.h der Frequenz , werden aus dem Metall Elektronen der Energie ausgelst. Sie bewirken einen Strom, es sei denn es wird eine Gegenspannung angelegt, die grer als

ist. Dabei ist W eine fr das Metall charakteristische Konstante.

RadioaktivittAntoine H. Becquerel(1852 - 1908)Nobelpreis 19031896Becquerel entdeckt die Radioaktivitt: Uran-Verbindungen schwrzen die Photoplatte undionisieren die Luft

Dabei treten drei Arten von Teilchen (Strahlung) auf: - Teilchen : Helium-Ionen der Ladung 2e - Teilchen : Elektronen (Ladung -e) - Teilchen : energiereiche Photonen (ungeladen)

NebelkammerC.T.R. Wilson(1869 - 1959)Nobelpreis 19271911Wilson entwickelt die Nebelkammer. In berhitztem Dampf hinterlassen geladene Teilchen Spuren aus Trpfchen.Nebelkammerbild der Spuren von -Teilchen

Ausgehend von dem Befund, da die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum in jedem Bezugssystem den gleichen Wertc = 2,998 108 ms-1hat, gibt Einstein die BeziehungE2 = p2 c2 + m2 c4 an. Dabei sind

eines Teilchens.Fr ein ruhendes Teilchen (p = 0) gilt E = m c2 bzw. m = E / c2 Weitere Einheit der Masse: 1 eV / c2 . Masse des Elektrons 0,5 MeV / c2 E Energiep Impulsm Ruhmasse1905Spezielle Relativittstheorie

Energiequelle der RadioaktivittEinstein vermutet, da diese Energie-Massen-Beziehung das Auftreten energiereicher Teilchen in der Radioaktivitt erklrt:

Beim Zerfall eines ruhenden Teilchens der Masse M in zwei Teilchen der Massen m1 und m2 wird die Massendifferenz M = M - (m1 + m2)in Bewegungsenergie E = M c2der Zerfallsteilchen umgewandelt.

-Teilchen besitzen Energien vonca. 5 MeV (Millionen Elektronenvolt).Mm2m1

Elektronen tragen negative Ladung und nur ca. 1/2000 der Atommasse.Es lag nahe, anzunehmen, da Masse und positive Ladung gleichmig ber das Atom (Durchmesser ca. 10-10 m) verteilt sind.Ernest Rutherford(1871 - 1937)Nobelpreis 19081911Rutherford erklrt die in seiner Gruppe beobachtete sehr starke Ablenkung von -Teilchen beim Durchgang durch Goldfolie dadurch,da die positive Ladung und die Masse in einem sehr kleinen Atomkern konzentriert sind.Bahnen von -Teilchen bei punktfrmigem KernBahnen bei ausgedehntem AtomkernAtomkern

Schema eines Streu-ExperimentsTeilchenquellenRadioaktivittHhenstrahlungTeilchenbeschleunigerTeilchendetektorenLeuchtschirm, SzintillatorZhlrohrNebelkammer, BlasenkammerPhoto-Emulsionelektronische SpurenkammerTarget (Materie)energiereiche TeilchenTeilchennachweisDetektor

Atom-Modell von Bohr und SommerfeldNiels Bohr(1885 - 1962)Nobelpreis 19221913Bohr erklrt das Spektrum des Wasserstoff-Atoms: Das Atom hat einen Kern der Ladung +e. Um ihn kreist ein Elektron der Ladung -e. Es sind nur bestimmte Kreisbahnen erlaubt.Sie unterscheiden sich in der Hauptquantenzahl n = 1,2,3,... . Je kleiner n , desto niedriger die Energie. Beim bergang zwischen zwei Bahnen wird ein Lichtquant mit der Differenzenergie emittiert oder absorbiert.

Sommerfeld erweitert das Modell. Er erlaubt auch verschiedene Ellipsenbahnen, die sich (bei gleichem n) durch die Drehimpuls-Quantenzahlen und m unterscheiden. Der Bahndrehimpuls des Elektrons hat den Betrag

ist die kleinste Einheit des Drehimpulses. Die Quantenzahl m gibt die Orientierung der Bahn im Raum an.

1916Ellipsenbahnen aus Sommerfelds Lehrbuch Atombau und Spektrallinien

Spin1925Goudsmit und Uhlenbeck erklren die Feinstruktur der Spektren (z. B. die Aufspaltung der gelben Natriumlinie) dadurch, da sie dem Elektron nicht nur einen Bahndrehimpuls, sondern auch einen Eigendrehimpuls oder Spin zuordnen.(Die Erde dreht sich auf ihrer Bahn um die Sonne. Zustzlich dreht sie sich um sich selbst.)

Der Betrag des Elektronenspins istEr kann zwei Orientierungen haben, die durch

gekennzeichnet werden.

Erklrung des Periodensystems. Pauli-PrinzipBohr: Die Ordnungszahl Z eines Elements (ZH = 1, ZHe = 2, ZLi = 3, ZBe = 4, ...) ist gleich der Zahl der Elektronen und gleich der Zahl der positiven Elementarladungen im Kern.

1913Wolfgang Pauli(1900 - 1958)Nobelpreis 1945Pauli: Es darf im Atom nicht zwei Elektronen geben, die in allen 4 Quantenzahlen n, l, m, ms bereinstimmen.

Schale niedrigster Energie kann maximal 2 Elektronen aufnehmen. H hat 1 Elektron. He hat 2. Nach He beginnt neue Zeile des Periodensystems mit Li. Schale mit n = 2 kann maximal 8 Elektronen aufnehmen. Zweite Zeile hat 8 Elemente usw. 1925

IsotopeJ.J. Thomson und insbesondere sein Schler Aston bestimmen die Massen von Kanalstrahlen (also positiven Ionen) und damit praktisch die Massen von Atomkernen durch deren Ablenkung im elektrischen und magnetischen Feld.

Ergebnis: Alle Kerne eines Elements haben zwar die gleiche Kernladungszahl Z. Dabei gibt es gibt Kerne zu gleichem Z aber verschiedener atomarer Massenzahl A (Isotope).um 1920F. W. Aston(1877 - 1945)Nobelpreis 1922Beispiele:Uran (Z = 92): Isotope (neben anderen) mit A = 235, 238Wasserstoff (Z = 1): A = 1 (leichter, gewhnlicher) Wasserstoff A = 2 schwerer Wasserstoff (Deuterium) A = 3 TritiumAnnahme: Kern besteht aus A Protonen (Kerne des gewhnlichen Wasserstoffs, Masse mH, Ladung +e) und A - Z Elektronen, hat dann Ladung Q = Ae + (A - Z)(-e) = Ze.

Zwischenbilanz 1925Es gibt drei Teilchene Elektronp Proton Photon (Lichtquant)

Es gibt zwei Krfte Schwerkraft Elektromagnetische Kraft (hlt Atome zusammen, verantwortlich fr alle Erscheinungen der Chemie)

Offene Fragen: Es gibt keine befriedigende Theorie (Quantenregeln ber erlaubte Bahnen sind nur Notlsung.) Antwort (noch 1925) : Quantentmechanik Welche Krfte wirken im Atomkern? (Elektrische Krfte allein wrden ihn platzen lassen.) Antwort (spter) : Es gibt zwei weitere Krfte.

Quantenmechanikersetzt Newtonsche Mechanik im atomaren Bereich Matrizenmechanik WellenmechanikErwin Schrdinger(1887 - 1961)Nobelpreis 1933Werner Heisenberg(1901 - 1976)Nobelpreis 1932Heisenberg kann die Newtonsche Gleichung formal beibehalten, wenn er die in ihr vorkommenden Gren Ort und Im-puls umdeutet. (Sie werden Matrizen.)

1925Schrdinger ersetzt Newtonsche Gleichung durch eine Wellengleichung (Schrdinger-Gleichung).1926 Die beiden Theorien erscheinen als ganz verschieden, sind aber mathematisch vllig gleichwertig. Sie kommen ohne knstliche Quantenbedingungen aus. In beiden tritt als zentrale Gre das Plancksche Wirkungsquantum h auf. Die herkmmliche Vorstellung von Ort und Impuls mu erweitert werden (Heisenbergsche Unschrfebeziehung).

Neutron1932Chadwick beobachtet ein neutrales Teilchen, das Neutron n , das beim Beschu von Beryllium mit -Teilchen gebildet wird,

(A=4, Z=2) + Be (A=9, Z=4) = C (A=6, Z=6) + nJames Chadwick(1891 - 1974)Nobelpreis 1935Nachweis:Die unbekannten Teilchen werden in einem gasge-fllten Zhlrohr untersucht. Enthlt es Wasserstoff, so entstehen hohe Signale. Die neutralen Teilchen haben offenbar etwa die Masse der Wasserstoff-Kerne (Protonen), stoen sie an und diese ionisieren das Gas und lsen ein Signal im Zhlrohr aus.Bei zentralem Sto kann ein Neutron fast seine ganze Energie auf ein Proton bertragen, weil beide Teilchen fast die gleiche Masse haben.++nnppVor Sto: Proton ruhtNach Sto: Neutron ruht (beinahe)

ZusammenfassungNoch heute gltiges Modell der Atome:Ein Atom eines Elements der Ordnungszahl Z (im Periodensystem) und der Massenzahl A besteht aus einem Atomkern mit Z Protonen und N = A Z Neutronen und einer Atomhlle aus Z Elektronen.Der Aufbau der Atomhlle wird durch die Quantenmechanik beschrieben.Dabei wirkt auf jedes Elektron die elektromagnetische Kraft der Protonen des Kerns und der andren Hllenelektronen.

Die Anordnung der einzelnen Elemente im Periodensystem folgt aus dem Aufbau der Atomhllen der Elemente. Da diese unabhngig von der Zahl der Neutronen ist , kann ein Element aus verschiedenen Atomsorten (Isotopen) mit verschiedenen Neutronenzahlen N bzw. Massenzahlen A bestehen.

Entwicklung 1932 - 2001Im Vortrag wurde die Entwicklung der Atomphysik bis zum Jahr 1932 skizziert.Die Erforschung der Atomhlle war zu diesem Zeitpunkt im wesentlichen abgeschlossen.Die Erforschung des Atomkerns und seiner Bestandteile dauert bis heute an (Kernphysik, Elementarteilchenphysik).Das Elektron ist ein Elementarteilchen im heutigen Sprachgebrauch. Es gehrt zur Familie der Leptonen, in der es insgesamt 6 Teilchen und 6 Antiteilchen gibt.Die Teilchenfamilie der Quarks umfat ebenfalls 6 Teilchen und 6 Antiteilchen. (Proton und Neutron sind aus jeweils drei Quarks aufgebaut. Neben Proton und Neutron gibt es viele weitere Hadronen, die ebenfalls aus Quarks aufgebaut sind.)Die Leptonen und die Quarks gemeinsam werden als fundamentale Fermionen bezeichnet.Durch den Austausch von Eichbosonen ben diese Fermionen Krfte aufeinander aus.Es gibt drei gundstzlich verschiedene Krfte: starke Kraft (hlt Quarks im Proton zusammen), elektroschwache Kraft (hlt Elektronenhlle in der Nhe des Kerns), Schwerkraft ( hlt Erde in der Nhe der Sonne).

Fundamentale Teilchen 2001 Kraft Austauschteilchen (Eichbosonen) elektroschwach , Z0, W+, W- stark g(Schwerkraft) Graviton?Es gibt

3 Krfte6 Leptonen (in drei Generationen)6 Quarks (in drei Generationen) + Antiteilchen + Antiteilchen

Offene Fragen: Warum 3 Generationen (Substruktur, Strings)? Wie erklren sich die Massen der Teilchen? (Higgs?) Haben die Neutrinos Masse? Gibt es eine Quantentheorie der Schwerkraft? Gibt es eine einheitliche Theorie aller Krfte?Es gibt noch viel zu tun!

Internet-Links zum Vortrag Universitt Siegen http://www.uni-siegen.de Fachbereich Physik http://www.physik.uni-siegen.de S. Brandt http://alephwww.physik.uni-siegen.de/~brandt/ (dort auch Vortrag ber Entdeckung der Elementarteilchen) Nobelpreistrger http://www.nobel.se