Die Entdeckung der Atome

Schülervorlesung

von Siegmund Brandt

Fachbereich Physik der Universität Siegen

17. Januar 2001

war und ist ein wichtiges Ziel der Menschen in allen Kulturen

Objekte der Naturbeschreibung:

handgreifliche Größe: Menschen, Tiere, Pflanzen, Mineralien ...

ganz große: Sternhimmel, d.h. Astronomie

ganz kleine: Aufbau der Materie

Naturbeschreibung und Naturerkenntnis

Ursprünge der griechischen Atomvorstellung

Leukippos 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.

Feuer

TrockenheitTrockenheit WärmeWärme

KälteKälte NässeNässe

Wasser

Erde Luft

Theorie der vier Elemente

Empedocles von Agrigent (ca. 483-423 vor Chr.)

Elemente und Platonische Körper

Plato (428 - 347 vor Chr.)

Tetraeder Würfel Oktaeder Ikosaeder Dodekaeder

Feuer Erde Luft Wasser Äther

Plato

identifiziert die Atome mit den fünf regelmäßigen (platonischen) Körpern.

Zu den vier Elementen tritt ein fünftes, der Äther.

Der Äther erfüllt den Raumbereich außerhalb der Mondbahn, da dort offenbar andere „natürliche Bewegungen“ (Kreisbahnen) auftreten als auf der Erde (geradlinige Bahnen).

Astronomie (nach Anaximander)Die Planeten (zu denen auch Sonne und Mond gezählt 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 Tonhöhen 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 Körper der Geometrie: Kugel, Würfel, Tetraeder, Oktaeder. Sie sind durch Häkchen 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 Vorstellungen

reine Spekulationen.

Vorstellungen im klassischen Griechenland

Beginn der modernen Naturwissenschaftim 16. Jahrhundert, ist gekennzeichnet durch sorgfältig geplante Experimente und Beobachtungen mathematische Beschreibung auf der Grundlage der Meßergebnisse Vorhersagekraft der gefundenen Beschreibungen für weitere

Experimente

Galilei (1564-1642)

Kepler (1571-1630)

Newton (1643-1727)

erforscht die Schwerkraft

findet präzise Gesetze zur Planetenbewegung

formuliert die Gesetze der Mechanik.Er kann aus ihnen die Keplerschen Gesetzeberechnen, wenn er als Kraft zwischen Sonne und Planeten die Schwerkraft annimmt.

Schwerkraft

Planet

Bahn des PlanetenSonne

Wiederbelebung des Atombegriffs

Joseph 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 völlig aufgebraucht, wenn ihre Massen ein ganz bestimmtes Verhältnis bilden, z.B.

2g Wasserstoff + 16g Sauerstoff 18g Wasser

Gesetz der multiplen Proportionen (1804)

Es können mehrere solche Verhältnisse auftreten, z.B

2g Wasserstoff + 16g Sauerstoff 18g Wasser

2g Wasserstoff + 32g Sauerstoff 18g Wasserstoffsuperoxid

Gesetz der einfachen Volumenverhältnisse (1808)

Bei der Verbindung von Gasen treten ganz bestimmte Verhältnisse der Volumina auf, z.B.

2Liter Wasserstoff`+1Liter Sauerstoff 2Liter Wasserdampf

Daltons Atomhypothese

1803

Die Materie besteht aus unteilbaren, unzerstörbaren Atomen. Alle Atome reiner Substanzen sind einander exakt gleich. Chemische Verbindungen werden in den einfachsten numerischen Verhältnissen (1:1, 1:2, usw.) aus Atomen aufgebaut. Die Atome sind vergleichsweise groß und in Ruhe.

Sie haben jeweils eine „Atmosphäre“ aus Kalorik. Die Atmosphären der Atome berühren einander.

[Der Begriff “Kalorik” gehörte zur damaligen Therie der Wärme.]

John Dalton (1760 – 1844)

Daltons Symbole für die Elemente und die auf Wasserstoff bezogenen Massen

Dalton, A New System of Chemical

Philosophy (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 1811

Amadeo Avogadro (1776 - 1856)

Gleiche Volumina von verschiedenen Gase enthalten (bei gleichem Druck und gleicher Temperatur) die gleiche Anzahl von Atomen (bzw. Molekülen). Diese sind klein und dauernd in Bewegung. Sie halten ihren Abstand durch dauernde Stöße untereinander.

Die scheinbar unterschiedlichen Befunde von Dalton und Gay-Lussac lassen sich nun in Einklang bringen. Befinden sich in 1Liter Gas N Moleküle, so finden wir:

Wurde erst 1860 (nach dem ersten internationalen Chemikerkongress in Karlsruhe) allgemein akzeptiert.

2N Moleküle Wasserstoff + N Moleküle Sauerstoff 2 Moleküle Wasser

1 Molekül Wasserstoffgas H2 (bzw. Sauerstoffgas O2) hat 2 Atome

2 Atome Wasserstoff + 1 Atom Sauerstoff 1 Molekül Wasser

(2H + O H2O)

Massen: 2 M(H) : M(O) : M(H2O) = 2 : 16 : 18

Relative Atommasse („Atomgewichte“): mH = 1, mO = 16

Atome - Ergebnisse chemischer Experimente

Elemente und VerbindungenNicht weiter zerlegbare Substanzen sind Elemente,

z.B. Wasserstoff (H), Kohlenstoff (C), Stickstoff (N), Sauerstoff (O)Elemente bilden Verbindungen.

AtomhypotheseElemente bestehen aus völlig gleichwertigen Atomen.Verbindungen bestehen aus Molekülen, die nach gleichem Bauplan aus Atomenaufgebaut sind, denn bei Bildung von Verbindungen binden sich die Elemente in festen Massenverhältnissen.

Beispiel: In Wasser ist das Massenverhältnis von Wasserstoff zu Sauerstoff 2:16, in Wasserstoffsuperoxid 2:32

Atomare Massenzahl (früher: Atomgewicht)Aus diesen Massenverhältnissen läßt sich die Masse m jedes Atoms durch die MassemH des Wasserstoffatoms ausdrücken: m = A mH

Beispiele: AH = 1, AC = 12, AN = 14, AO = 16, ...

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

Atome - Ergebnisse physikalischer Experimente

ExperimentEin Gas in einem Gefäß verhält sich, als ob es aus einer großen Zahl kleinster starrer Kugeln bestünde, die miteinander und mit den Gefäßwänden Stöße ausführen.

Kinetische GastheorieDie mittlere Energie der Atome (oder Moleküle) 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 kg

Bei Wärmezufuhr wächstVolumen. (Deckel hebt sich)

Bei stärkerem Rütteln (Energiezufuhr) steigt Volumen.

Brownsche Bewegung

Computersimulation http://www.aci.net/kalliste/brown.htm

Robert Brown (1773-1858)

Zellen einer Orchideenart gesehen durch Browns Mikroskop. Der Zellkern, den Brown 1828 entdeckte, ist deutlich sichtbar.

Browns Mikroskop

Brownsche Bewegung von Milchtröpfchen 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 Pollenkörner in ständiger unregelmäßiger Bewegung befinden.

Der Effekt war schon früher beobachtet, aber für eine Eigenschafte der belebten Materie gehalten worden.

Brown fand, daß er ebenso bei unbelebten Substanzen, z.B. Steinstaub auftritt.

Interpretation: Wassermoleküle stoßen dauernd an das im Mikroskop sichtbare Teilchen und führen so zu dessen Bewegung.

Spektralanalyse

Gustav Kirchhoff (1824 - 1887)

Robert Bunsen (1811 – 1899)

Das Spektroskop von Bunsen und Kirchhoff

Bunsen und Kirchhoff 1860

Wenn Elemente stark erhitzt werden (z.B. in der Bunsenflamme, senden sie Licht charakteristischer Farben (Wellenlängen) aus, die als Spektren gemessen werden können.

Atome - Optische Spektren

Da Licht eine Wellenerscheinung ist, müssen die Atome bei deren Aussendung irgendwie „schwingen“ (wie eine Gitarrensaite bei der Aussendung von Schallwellen). Atome können keine starren Kugeln sein.

Natrium

Wasserstoff

Helium

Neon

Bei höherer Auflösung: zwei gelbe Linien

Rot: Wellenlänge groß Blau: Wellenlänge klein

Atome - elektrisch neutral und geladen

Stromtransport in Flüssigkeiten, Elektrolyse (Faraday 1833)Beim elektrischen Strom in Flüssig-keiten tritt Ladungstransport und Materietransport auf: Die Atome oder Moleküle sind elektrisch geladen. Die kleinste Ladungsmenge ist die

Elementarladung: e = 1,602 10-19

Coulomb

Geladene Atome heißen Ionen. Sie tragen eine oder mehrere (positive oder negative) Elementarladungen.

An den Elektroden (den Metallplatten in der Flüssigkeit, die mit der Spannungsquelle verbunden sind) treten die Atome oder Moleküle ungeladen auf, z.B. als metallisches Kupfer.

Experiment zu Gasentladung

Bei Normaldruck fließt kein Strom.

Bei Druckerniedrigung setzt Stromfluß und Leuchterscheinung zwischen den Elektroden ein.

Bei weiterer Druckminderung geht das Leuchten zurück. Durch Löcher in den Elektroden treten Kathodenstrahlen und Kanalstrahlen in die äußeren Teilräume ein. Sie bringen das Gas auf ihrem Weg zum Leuchten.

Kathodenstrahlen: Elektrisch negativ geladen. Magnetisch leicht ablenkbar. Erzeugen Leuchtfleck auf Glas, von dem auch Röntgenstrahlung ausgeht. (Wurde in ähnlichem Experiment 1896 von Röntgen 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 Feld

Wegen der Richtung der Kraft geschieht Übertragung von Energie auf Teilchen nur im elektrischen Feld. Bei Durchlaufen der elektrischen Spannung U gewinnt ein Teilchen mit der Ladung Q die Energie

E = Q U

Beispiel: Für Q = e, U = 1V ist E = 1 eV = 1 Elektronenvolt = 1,602 10-19 Ws

1 MeV = 1 Million Elektronenvolt, 1 GeV = 1 Milliarde Elektronenvolt

eF

E

mF

v B

EQFe

BvQFm

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

,

wenn man annimmt, daß 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 Moleküle, denen ein oder mehrere Elektronen fehlen.

He mm2000

1

Thomsons Apparatur

Joseph J. Thomson

(1856 - 1940)Nobelpreis 1906

Be

mR

v

||

Fadenstrahlrohr

Elektronenleitung im Metall. Glühemission

GlühemissionDurch Heizung einesMetalldrahtes erhaltenElektronen so viel Energie,daß sie den Draht ver-lassen können. Man kannsie dann beschleunigen, ablenken usw. Beispiel: Fernsehröhre

Freies Elektronengas

Kristalle sind ein räumliches Netzwerk (Gitter) aus regelmäßig ange-ordneten Atomen. In Metallkristallen gibt es Elektronen, die sich wie ein

Gas durch das ganze Gitter bewegen können. Sie bewirken den Ladungstransport (elektrischen Strom), scheinbar ohne Transport von

Materie.

Ionisation und Anregung von Atomen durch geladene Teilchen

sind Grundlage für den Bau von Nachweisgeräten (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-röhre), photographisch registriert oder elektrisch verstärkt und registriert werden.

Prinzip eines Zählrohres:Teilchen ionisiert Gas im Zählrohr. Elektronen laufen zum zentralen Draht. In dessen Nähe ist Feld so hoch, daß eine Ionisationslawine einsetzt. Damit bewirkt der Durchgang eines Teilchens, daß sehr viele Elektronen auf den Draht gelangen und dort einen elektrischen Impuls auslösen.

Spektrum der Stahlung des „schwarzen Körpers”Ein heißer Körper gibt elektromagnetische Strahlung (z.B. Licht- und Wärmestrahlung) ab.

Man wird unabhängig vom Material des Körpers, wenn man die Strahlung aus einer Öffnung eines erhitzten Hohlkörpers (schwarzer Körper) untersucht.

Die Energiedichte u im Innern des Hohlraums hängt nur von der Temperatur T und von der Wellenlänge bzw. der Frequenz = c / der Strahlung ab. Dabei ist c die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum.

Plancksches Wirkungsquantum. Photon

1900

Planck führt (zur Beschreibung der Strahlung des „schwarzen Körpers“ eine neue Naturkonstante ein, das Plancksche Wirkungsquantum

h = 6,626 · 10-34 Js

Max Planck(1858 - 1947)

Nobelpreis 1918

Albert Einstein(1879 - 1955)

Nobelpreis 1921

1905

Einstein stellt die Lichtquantenhypothese auf: Licht der Wellenlänge besteht aus Quanten (Photonen) der Ruhmasse

m = 0 und der Energie

E = h .Dabei ist = c / die Frequenz des Lichtes und c = 3 · 108 m/sdie Lichtgeschwindigkeit im Vakuum.

1916Millikan bestätigt die Lichtquantenhypothese experimentell durch Präzisionsmessungen zum lichtelektrischen Effekt.

Robert A. Millikan(1868 - 1953)

Nobelpreis 1923

Lichtelektrischer Effekt

Bei Bestrahlung einer Metalloberfläche mit Licht der Wellenlänge , d.h der Frequenz , werden aus dem Metall Elektronen der Energie ausgelöst. Sie bewirken einen Strom, es sei denn es wird eine Gegenspannung angelegt, die größer als

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

/c

WhE

e

h

e

WhU s

0

Radioaktivität

Antoine H. Becquerel(1852 - 1908)

Nobelpreis 1903

1896Becquerel entdeckt die Radioaktivität: Uran-Verbindungen schwärzen 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)

Nebelkammer

C.T.R. Wilson(1869 - 1959)

Nobelpreis 1927

1911Wilson entwickelt die Nebelkammer. In überhitztem Dampf hinterlassen geladene Teilchen Spuren aus Tröpfchen.

Nebelkammerbild der Spuren von -Teilchen

Ausgehend von dem Befund, daß die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum in jedem Bezugssystem den gleichen Wert

c = 2,998 · 108 ms-1

hat, gibt Einstein die Beziehung

E2 = p2 c2 + m2 c4

an. Dabei sind

eines Teilchens.

Für 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 Ruhmasse

1905Spezielle Relativitätstheorie

Energiequelle der Radioaktivität

Einstein vermutet, daß diese Energie-Massen-Beziehung das Auftreten energiereicher Teilchen in der Radioaktivität erklärt:

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 c2

der Zerfallsteilchen umgewandelt.

-Teilchen besitzen Energien von

ca. 5 MeV (Millionen Elektronenvolt).

M

m2m1

Elektronen tragen negative Ladung und nur ca. 1/2000 der Atommasse.Es lag nahe, anzunehmen, daß Masse und positive Ladung gleichmäßig über das Atom (Durchmesser ca. 10-10 m) verteilt sind.

Ernest Rutherford(1871 - 1937)

Nobelpreis 1908

1911Rutherford erklärt die in seiner Gruppe beobachtete sehr starke Ablenkung von -Teilchen beim Durchgang durch Goldfolie dadurch,daß die positive Ladung und die Masse in einem sehr kleinen Atomkern konzentriert sind.

Bahnen von -Teilchen bei punktförmigem Kern

Bahnen bei ausgedehntem Atomkern

Atomkern

Schema eines Streu-Experiments

Teilchenquellen

RadioaktivitätHöhenstrahlungTeilchenbeschleuniger

Teilchendetektoren

Leuchtschirm, SzintillatorZählrohrNebelkammer, BlasenkammerPhoto-Emulsionelektronische Spurenkammer

Target (Materie)

energiereiche Teilchen

Teilchennachweis

Detektor

Atom-Modell von Bohr und Sommerfeld

Niels Bohr(1885 - 1962)

Nobelpreis 1922

1913Bohr erklärt 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 Übergang 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.

1916

.,,2,1, nL

),,1,(

Ellipsenbahnen aus Sommerfelds Lehrbuch Atombau und Spektrallinien

2/h

Spin

1925Goudsmit und Uhlenbeck erklären die „Feinstruktur“ der Spektren (z. B. die Aufspaltung der gelben Natriumlinie) dadurch, daß sie dem Elektron nicht nur einen Bahndrehimpuls, sondern auch einen Eigendrehimpuls oder Spin zuordnen.

(Die Erde dreht sich auf ihrer Bahn um die Sonne. Zusätzlich dreht sie sich um sich selbst.)

Der Betrag des Elektronenspins ist

Er kann zwei Orientierungen haben, die durch

gekennzeichnet werden.

2

1S

2

1sm

Erklärung des Periodensystems. Pauli-Prinzip

Bohr: 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.

1913

Wolfgang Pauli(1900 - 1958)

Nobelpreis 1945

Pauli: Es darf im Atom nicht zwei Elektronen geben, die in allen 4 Quantenzahlen n, l, m, ms übereinstimmen.

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

.0,0,1 mn 2

121 , ss mm

Isotope

J.J. Thomson und insbesondere sein Schüler 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 1920

F. W. Aston(1877 - 1945)

Nobelpreis 1922

Beispiele:Uran (Z = 92): Isotope (neben anderen) mit A = 235, 238Wasserstoff (Z = 1): A = 1 (leichter, gewöhnlicher) Wasserstoff

A = 2 schwerer Wasserstoff (Deuterium) A = 3 Tritium

Annahme: Kern besteht aus A Protonen (Kerne des gewöhnlichen Wasserstoffs, Masse mH, Ladung +e) und A - Z Elektronen, hat dann Ladung Q = Ae + (A - Z)(-e) = Ze.

Zwischenbilanz 1925

Es gibt drei Teilchen e Elektron

p Proton

Photon (Lichtquant)

Es gibt zwei Kräfte Schwerkraft Elektromagnetische Kraft (hält Atome zusammen, verantwortlich für alle Erscheinungen der Chemie)

Offene Fragen:

Es gibt keine befriedigende Theorie („Quantenregeln“ über „erlaubte“ Bahnen sind nur Notlösung.) Antwort (noch 1925) : Quantentmechanik

Welche Kräfte wirken im Atomkern? (Elektrische Kräfte allein würden ihn platzen lassen.) Antwort (später) : Es gibt zwei weitere Kräfte.

Quantenmechanikersetzt Newtonsche Mechanik im atomaren Bereich

Matrizenmechanik Wellenmechanik

Erwin Schrödinger(1887 - 1961)

Nobelpreis 1933

Werner Heisenberg(1901 - 1976)

Nobelpreis 1932

Heisenberg kann die Newtonsche Gleichung formal beibehalten, wenn er die in ihr vorkommenden Größen Ort und Im-puls „umdeutet“. (Sie werden Matrizen.)

1925Schrödinger ersetzt Newtonsche Gleichung durch eine Wellengleichung (Schrödinger-Gleichung).

1926

Die beiden Theorien erscheinen als ganz verschieden, sind aber mathematisch völlig gleichwertig. Sie kommen ohne künstliche Quantenbedingungen aus.

In beiden tritt als zentrale Größe das Plancksche Wirkungsquantum h auf.

Die herkömmliche Vorstellung von Ort und Impuls muß erweitert werden (Heisenbergsche Unschärfebeziehung).

Neutron

1932Chadwick beobachtet ein neutrales Teilchen, das Neutron n , das beim Beschuß 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 1935

Nachweis:

Die unbekannten Teilchen werden in einem gasge-füllten Zählrohr untersucht. Enthält es Wasserstoff, so entstehen hohe Signale. Die neutralen Teilchen haben offenbar etwa die Masse der Wasserstoff-Kerne (Protonen), stoßen sie an und diese ionisieren das Gas und lösen ein Signal im Zählrohr aus.

Bei zentralem Stoß kann ein Neutron fast seine ganze Energie auf ein Proton übertragen, weil beide Teilchen fast die gleiche Masse haben.

+

+

n

n

p

p

Vor Stoß: Proton ruht

Nach Stoß: Neutron ruht (beinahe)

Zusammenfassung

Noch heute gültiges 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 Atomhülle aus Z Elektronen.

Der Aufbau der Atomhülle wird durch die Quantenmechanik beschrieben.

Dabei wirkt auf jedes Elektron die elektromagnetische Kraft der Protonen des Kerns und der andren Hüllenelektronen.

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

Entwicklung 1932 - 2001

Im Vortrag wurde die Entwicklung der Atomphysik bis zum Jahr 1932 skizziert.

Die Erforschung der Atomhülle 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 gehört zur Familie der Leptonen, in der es insgesamt 6 Teilchen und 6 Antiteilchen gibt.

Die Teilchenfamilie der Quarks umfaßt 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 üben diese Fermionen Kräfte aufeinander aus.

Es gibt drei gundsätzlich verschiedene Kräfte:

• starke Kraft (hält Quarks im Proton zusammen),

• elektroschwache Kraft (hält Elektronenhülle in der Nähe des Kerns),

• Schwerkraft ( hält Erde in der Nähe der Sonne).

Fundamentale Teilchen 2001

Kraft Austauschteilchen (Eichbosonen)

elektroschwach , Z0, W+, W-

stark g(Schwerkraft) Graviton?

Es gibt

3 Kräfte

6 Leptonen (in drei Generationen) 6 Quarks (in drei Generationen)

+ Antiteilchen + Antiteilchen

Offene Fragen: Warum 3 Generationen (Substruktur, Strings)? Wie erklären sich die Massen der Teilchen? (Higgs?) Haben die Neutrinos Masse? Gibt es eine Quantentheorie der Schwerkraft? Gibt es eine einheitliche Theorie aller Kräfte?

Es gibt noch viel zu tun!

,,

e

e

b

t

s

c

d

u,,

Internet-Links zum Vortrag

• Universität 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 über Entdeckung der Elementarteilchen)

• Nobelpreisträger http://www.nobel.se