Die Welt des ganz Kleinen

Atom – Was ist das?

Dem Atom auf der Spur

Demokrit

(* 460 v. Chr. † 371 v. Chr.) Beruf: Philosoph

Gedankenexperimente... • Der griechische Philosoph Demokrit überlegte

sich: Wenn ich eine Stoffprobe halbiere und dann wieder halbiere und wieder halbiere und so fort, so gelange ich zu einem kleinsten, nicht mehr teilbaren Teilchen. Alle Stoffe müssen aus solchen unteilbaren Atomen bestehen... und das vor fast 2400 Jahren!

griechisch:

Es gibt kleinste unteilbare Teilchen

= Atome

John Dalton (1766-1844)

John Dalton‘s Entdeckung...• Dalton, John (1766-1844), britischer Chemiker

und Physiker, entwickelte die Atomtheorie, auf der die moderne physikalische Wissenschaft beruht. Dalton wurde 1766 in Eaglesfield als Sohn eines Webers geboren. Unterricht erhielt er von seinem Vater.

• Dalton stellte sich die Atome als kleinste Kugeln verschiedener Grösse vor. Je nach Atomgewicht gehören diese Kugeln verschiedenen Elementen an. Elemente sind die Grundbaustoffe, aus denen alle Materie besteht:

John Dalton`s Atommodell – 4 Kernaussagen:1. Jedes Element besteht aus kleinsten, nicht weiter

teilbaren Teilchen, den Atomen. 2. Alle Atome eines Elements haben die gleiche

Grösse und die gleiche Masse. Die Atome unterschiedlicher Elemente unterscheiden sich in ihrer Masse.

3. Atome sind unzerstörbar. Sie können durch chemische Vorgänge weder vernichtet noch erzeugt werden.

4. Bei chemischen Reaktionen werden die Atome der Ausgangsstoffe neu angeordnet und in bestimmten Anzahlverhältnissen miteinander verknüpft.

Atome sind kleinste unteilbare

Teilchen

Atome sind kleinste unteilbare

Teilchen

Papier Folie

Versuch mit Papier- und Folienstreifen

PapierFolie

Papier

Papier Folie

PapierFolie

Atome sind kleinste unteilbare Teilchen?

besteht aus positiv und negativ geladenen Atombausteinen.

Papier

besteht aus positiv und negativ geladenen Atombausteinen.

Papier

Atome bestehen aus geladenen

Bausteinen

Atome bestehen aus geladenen

Bausteinen

Atome bestehen aus geladenen Bausteinen

Thomsonsches Atommodell:

Ein Atom besteht aus gleichmässig verteilter Masse und positiver Ladung, in denen sich die negativ geladenen Elektronen bewegen.

Diese Model wurde 1903 von Joseph John Thomson entwickelt und wird auch als Plumpudding- oder Rosinenkuchenmodell aufgrund der Anordnung der Elektronen in der Masse, vergleichbar mit Rosinen in einem Kuchen, bezeichnet.

Rutherford dringt ins Innere ein...

• Rutherford, Ernest, Lord of Nelson and Cambridge (1871-1937), britischer Physiker, der für seine bahnbrechende Arbeit in der Kernphysik und für seine Theorie zur Atomstruktur den Nobelpreis erhielt.

• Anhand von Strahlungsuntersuchungen stellte Rutherford seine Theorie der Atomstruktur auf, in der das Atom erstmalig als dichter Kern mit ihn umkreisenden Elektronen beschriebenwurde.

Der StreuversuchDer Streuversuch wurde in Manchester von den Physikern Rutherford, Geiger und Marsden durchgeführt. Sie begannen 1906 mit dem Versuch und benötigten sieben Jahre um das Geheimnis des Aufbaus der Atome vorerst zu lösen.

Klick dich in denStreuversuch

ein. Los geht‘s!• Vorüberlegungen

• Versuchsaufbau

• animierte Versuchsaufbau

• Durchführung

• Beobachtung

• Schlussfolgerung

Rutherford, ErnestRutherford wurde am 30.8.1871 in Neuseeland geboren. Sein Studium schloss er in Cambridge (England) ab. Von da ging er an die Universität Montreal in Kanada. 1907 kehrte er nach England zurück und erhielt 1908 für sein Kern-Hülle-Modell den Nobelpreis. Das Radium für seine Forschungsarbeit bekam er von der Wiener Akademie der Wissenschaften. Nach dem 1. Weltkrieg wollte die englische Regierung das Radium als Eigentum des Feindes beschlagnahmen. Rutherford liess es sich gut bezahlen und unterstützte mit diesem Geld die Wiener Akademie. In sein Familienwappen liess er die Zerfalls- und Wachstumskurve radioaktiver Substanzen einarbeiten. Rutherford starb am 19.10.1937.Zum Streuversuch von Rutherford

Streuversuch - Vorüberlegungen Rutherford ging mit seinen Überlegungen vom Rosinenkuchen-Modell aus. Danach sei das Atom eine Kugel, in der sich positive Ladungen diffus aufhalten, wobei dann die Elektronen wie Rosinen in einem Kuchen eingelagert sind. Dieses Atom wäre ausserdem undurchlässig für Teilchen aller Art, egal welche Bewegungsenergie sie auch besitzen würden.

Nachdem Philipp Lenard eine Aluminiumfolie mit Elektronen beschoss, kam er zu dem Ergebnis, dass das Atom für Elektronen durchlässig ist. Ausserdem erkannte er, dass bei steigender Bewegungsenergie der negativen Ladungsträger mehr Elektronen die Folie durchdringen.

Rutherford wiederholte dieses Experiment auf ähnliche Weise; er beschoss eine Goldfolie mit Alpha-Strahlung, und stellte die Vermutung auf, dass diese Heliumkerne durch die gleichmässig verteilten positiven Ladungen nur wenig in ihrer Flugrichtung beeinflusst und nur in einem Winkel von null bis maximal einem Grad abgelenkt werden.

Zum Versuchsaufbau

Streuversuch - Aufbau

Zur Versuchsdurchführung

GoldfolieZinksulfidschirm

Bleiblock

radioaktives Radium

Lochblende

Mit jeden Klick auf die n-Taste kannst du dir den Aufbau des Streuversuchs von Rutherford

animieren lassen!

Du kannst dir aber auch den kompletten Versuch hier

ansehen!

Streuversuch - Aufbau

Zur Versuchsdurchführung

Goldfolie

abgelenktes-Teilchen

-Teilchen

Bleiblock

radioaktives Radium

Lochblende

Zinksulfidschirm

Streuversuch - Durchführung

Zur Versuchs-Animation

Von einem Präparat geht Alpha-Strahlung, so genannte Alpha-Teilchen aus. Der Bleiblock blendet ein schmales Teilchenbündel aus. Die Alpha-Teilchen treffen auf eine extrem dünne Goldfolie (etwa 100 Atomschichten stark). Hinter der Folie befindet sich ein Leuchtschirm als Nachweisgerät, der um die Folie herum bewegt werden kann. Trifft ein Alpha-Teilchen auf diesen Schirm, erzeugt es einen kleinen Lichtblitz, der durch ein Mikroskop beobachtet und gezählt wird. Der Versuch findet im Vakuum ab.

Streuversuch - Animation

Goldfolie

Bleiblockmit Radium

Zinksulfidschirm

Animation-Start

Streuversuch - Animation

Goldfolie

-Teilchen

Bleiblockmit Radium

Zinksulfidschirm

Animation-Start

abgelenktes -Teilchen

Zur Beobachtung

Streuversuch - Beobachtung

Zur Schlussfolgerung

Fast alle Alpha-Teilchen durchdringen ungestreut die Folie. Kleine Ablenkwinkel kommen häufiger, grosse ausserordentlich selten vor.

Messungen ergaben, dass bei einem Beschuss der Goldfolie mit 132.500 Heliumkernen 132.000 einen Streuwinkel von weniger als 15°, 477 zwischen 15° und 60° und lediglich 33 Alpha-Teilchen zwischen 60° und 150° hatten. Verwendet man Folien unterschiedlichen Materials, so zeigt der Versuch der Messreihen, dass die Wahrscheinlichkeit für die Ablenkung eines Alpha-Teilchens um einen bestimmten Winkel proportional zum Quadrat der Ordnungszahl der Atome des Streumaterials ist.

Streuversuch - Folgerung

Zur Rutherfordschen Atomhypothese

Da Rutherford in seinem Streuversuch auch Ablenkungen um 180° beobachtete, schlussfolgerte er, dass die Alpha-Teilchen mit Teilchen zusammengestossen sein müssen, deren Massen grösser als die des Alpha-Teilchens sind. Bei kleinerer Masse würde das Alpha-Teilchen keine Richtungsumkehr erfahren, bei gleicher würde es zum Stillstand kommen. Deswegen, so erkannte Rutherford, scheiden Elektronen als Streuzentren aus.Für die Ablenkung der Alpha-Teilchen machte Rutherford die Coulombkraft des Kerns verantwortlich; und da diese umgekehrt proportional zum Quadrat der Entfernung r ist, wird ein Grossteil der Alpha-Strahlung nur gering abgelenkt und abgebremst.

Rutherford schlussfolgerte daher, dass der Raum zwischen dem Kern und der Atomhülle leer sein muss. Des Weiteren überlegte er sich, dass bei einem Auftreffen eines Alpha-Teilchens auf den positiv geladenen Kern (Streuzentrum), die kinetische Energie, in dem Moment, in dem das Alpha-Teilchen die grösstmögliche Annäherung an das Streuzentrum erlangt hat, vollständig in potentielle Energie umgewandelt wird. Demnach kann man für diesen Moment die Energien gleichsetzen. Daraus kann man dann die maximale Grösse eines Atomkerns bestimmen.

1. Atome haben einen Durchmesser von ca. 10 -10 m. (=1/1010 m)

2. Nahezu 99,9% der gesamten Masse ist jedoch im Atomkern konzentriert.

3. Die gesamte positive Ladung befindet sich in Form von Protonen im Kern.

4. Die negativen Ladungen befinden sich in Form von Elektronen im Raum um den Atomkern.

5. Dieser Raum wird als Atomhülle bezeichnet.

6. Die Elektronen umkreisen den Kern auf beliebigen Bahnen.

7. Diese Bahnen bestimmen die Grösse des Atoms.

8. Zwischen den Elektronen ist leerer Raum.

9. Die Kraft zwischen den Elektronen und dem Kern ist die elektrostatische An- ziehungskraft.

Man bezeichnet das Rutherforsche Atommodell auch als Kern-Hülle-Modell

Rutherfordsche Atommodell

Aus dem Rutherfordschen Streuversuch leitet sich das Rutherfordsche Atommodell ab:

Das Kern-Hülle-Modell von Rutherford beinhaltet, dass die Atome aus noch kleineren Teilchen aufgebaut sind.

Nach diesem Modell sind Atome aus einem Kern und einer Hülle aufgebaut.

Der Atomkern (Nuklid) enthält eine bestimmte Anzahl positiver Ladungen, die man Protonen nennt. Die Gesamtheit aller Protonen im Kern ergibt die Kern-ladungszahl (Z), die der Ordnungszahl entspricht. Neben Protonen enthält der Kern elektrisch neutrale Neutronen . Protonen und Neutronen werden als Nukleonen bezeichnet. Die Anzahl der Nukleonen ergeben die Massenzahl (A) des Atoms.

Die Atomhülle besteht aus negativ geladenen Elektronen . Die Anzahl der Elektronen in der Hülle entspricht der Anzahl der Protonen im Kern. Dadurch ist das Atom nach aussen elektrisch neutral.

Das Kern-Hülle-Modell

Instabile Kerne, welche zerfallen, tun dies nicht willkürlich, sondern sie befolgen bestimmte Gesetzmässigkeiten: Es sind die drei klassischen Arten der radioaktiven Strahlung:

alpha-Strahlung: Aussendung eines 42 He-Kerns (alpha-Teilchen) aus dem instabilen

Kern. Es wird ein ganzes Paket 2 Protonen und 2 Neutronen gleichzeitig aus dem Kern gesandt. Bsp: 210

84 Po 20682 Pb + 4

2He

beta-Strahlung: Umwandlung eines Neutrons in ein Proton und ein Elektron. Das Elektron entsteht direkt im Kern und wird sogleich emittiert (ausgesandt). Es entsteht zusätzlich ein Neutrino. Bsp: 14

6 C 147 N + e-

gamma-Strahlung: Aussendung hochenergetischer Strahlung (gamma-Quanten Röntgenstrahlung) aus dem instabilen Kern. Die gamma-Strahlung ist meist Begleitstrahlung und verändert weder die Massenzahl noch die Ordnungszahl.

Radioaktive Strahlungsarten

Name Ladung

Elektron -1

Proton +1

Atome bestehen aus geladenen Bausteinen

Name Ladung Masse

Elektron -1

Proton +1

Atome bestehen aus geladenen Bausteinen

Name Ladung Masse

Elektron -1

Proton +1 1 u

Atome bestehen aus geladenen Bausteinen

1 u = 1,66 · 10−24 g

1 u = 0,000 000 000 000 000 000 000 001 660 g

Name Ladung Masse

Elektron -1 0,0005 u

Proton +1 1 u

Atome bestehen aus geladenen Bausteinen

1 u = 1,66 · 10−24 g

1 u = 0,000 000 000 000 000 000 000 001 660 g

Name Ladung Masse Jahreszahl der

Entdeckung

Elektron-1 0,0005 u 1891

Proton +1 1 u 1898

Atome bestehen aus geladenen Bausteinen

1 u = 1,66 · 10−24 g

1 u = 0,000 000 000 000 000 000 000 001 660 g

Name Ladung Masse Jahreszahl der

Entdeckung

Elektron-1 0,0005 u 1891

Proton +1 1 u 1898

Neutron 1930

Name Ladung Masse Jahreszahl der

Entdeckung

Elektron -1 0,0005 u 1891

Proton +1 1 u 1898

Neutron 0 1 u 1930

Atome bestehen aus Elementarbausteinen

Vor allem für Physiker interessant … es geht noch kleiner …

Die Elektronen sind nach heutigem Wissen unteilbar.

Protonen und Neutronen aber bestehen aus „Quarks“.

In Neutronen und Protonen befinden sich je zwei Arten von Quarks, die

up-Quarks und die

down-Quarks.

Zwischenhalt:Vorstellungen über den Bau der Materie

• Demokrit denkt sich das Unteilbare, das Atom• Dalton entwirft ein Atommodell• Rutherford formuliert das Kern-Hüllenmodell

Bohr spricht von ElektronenschalenKimball postuliert ElektronenwolkenSchrödinger und Heisenberg entdecken Orbitale ...

• Jedes Modell erklärt auf seine Weise Naturerscheinungen, aber noch niemand hat je ein Atom sehen können!

Bohr gliedert die Hülle in Schalen...

• Niels Bohr (1885-1962), dänischer Physiker und Nobelpreisträger, lieferte wichtige und grundlegende Beiträge zur Kernphysik sowie zum Verständnis des atomaren Aufbaus.

• Nach Bohr umlaufen die Elektronen den Kern in verschieden grossen Bahnen.

• Diese nennt er Elektronenschalen und gibt ihnen den Namen K-Schale, L-Schale, M-Schale, N-Schale usw.

Bohr‘sches Atommodell...

Atomkern Atomhülle

Protonenpositivgeladen

Neutronenelektrischneutral

Bohr‘sches Atommodell...

Atomkern Atomhülle

Protonenpositivgeladen

Neutronenelektrischneutral

K-Schale

negativ geladen

Elektronen

L-Schale

M-Schale

Bohr‘sches Atommodell...

Name Symbol Ladung Name d. Schale Anordnung

Proton positiv Machen fast das gesamte Gewicht des Atoms aus! Neutron neutral

Elektron negativ K-Schale max. 2

Elektron negativ L-Schale max. 8

Elektron negativ M-Schale max.18

Ato

mke

rn

Nuk

leon

en

Ato

mhü

lle

Merke dir folgende Begriffe rund um das Atommodell:

Bohr‘sches Atommodell...• Jede Schale kann nur eine ganz bestimmte, höchste

Anzahl Elektronen aufnehmen.• Diese Elektronenzahl lässt sich sehr einfach berechnen:

Maximale E-Zahl = 2 * (Schalennummer) 2

Schale Schalennummer Formel max. ElektronenzahlK 1. Schale = 2 * 1 2 = 2 ElektronenL 2. Schale = 2 * 2 2 = 8 ElektronenM 3. Schale = 2 * 3 2 = 18 ElektronenN 4. Schale = 2 * 4 2 = 32 ElektronenO 5. Schale = 2 * 5 2 = 50 ElektronenP 6. Schale = 2 * 6 2 = 72 ElektronenQ 7. Schale = 2 * 7 2 = 98 Elektronen