1. Einführung1.1. Vergleich Quantenmechanik – klassische Theorien1.2. Atomphysik im Netz anderer Themenbereiche

2. Historischer Rückblick 2.1. Atomismus seit den Griechen

2.2. Das Mol, die Avogadro Konstante

. 2.2. Die Avogadro Konstante (das MOL) Definition: atomare Masseneinheit 1 amu = 1/12 der 12C Masse = 1.66055 10-27kg

1mol ist die Stoffmenge, die ebenso viele Teilchen (Atome oder Moleküle) enhält, wie 12g 12C.

1mol H2 = 2g Wasserstoff1mol He = 4g Helium1mol H2O=18g Wasser

Avogadro-Konstante (=Loschmidt Zahl): NA = 6.0221367 1023 1/molAtome/Moleküle in 1 Mol Stoffmenge

1 Mol ideales Gas bei p=1013hPa, T=00C nimmt 22,4141 Liter Volumen einStoffunabhängig dank Definition des mols(p*V=NA k T k=Boltzmann Konstante z.B.

Aus Boltzmann Geschwindigkeitsverteilung

Genaue Bestimmung von NA aus Kristallen:

1. Bestimme das Molvolumen durch Wiegung (welches Volumen nimmt 1 mol gewogener Einkristall ein)Vmol Volumen das 1 mol Stoffmenge einnimmt

2. Bestimme Welches Volumen ein Teilchen einnimmt durch RöntgenbeugungBragg siehe nächste Seite

NA = Vmol / VTeilchen

Wägung& Verdrängungsmessung

Bragg Reflektion

Historisch: von Laue - Beamer

siehe Hake Wolf

Grundlage: Bragg

Röntgenbeugung an Kristallen

Max von Laue Nobelpreis 1914

1914-19191. Lehrstuhl für Theoretische Physikin Frankfurt

http://www.physik.uni-frankfurt.de/paf/paf24.html

Nach diesem ersten Erfolg war auch SOMMERFELD überzeugt und unterstützte die weiteren, verbesserten Experimente. SOMMERFELD teilte die Resultate der Bayerischen Akademie der Wissenschaften am 8. Juni 1912 mit, und LAUE referierte am 14. Juni auf der Sitzung der Physikalischen Gesellschaft in Berlin. PLANCK berichtet 25 Jahre später über jene denkwürdige Sitzung: "Als Herr v. LAUE nach der theoretischen Einleitung die erste Aufnahme zeigte, die den Durchgang eines Strahlenbündels durch ein ziemlich willkürlich orientiertes Stück von triklinem Kupfervitriol darstellte - man sah auf der photographischen Platte neben der zentralen Durchstoßungsstelle der Primärstrahlen ein paar kleine sonderbare Flecken -, da schauten die Zuhörer gespannt und erwartungsvoll, aber doch wohl nicht ganz überzeugt auf das Lichtbild an der Tafel. Aber als nun jene Figur 5 sichtbar wurde, das erste typische LAUEdiagramm, welches die Strahlung durch einen genau zur Richtung der Primärstrahlung orientierten Kristall regulärer Zinkblende wiedergab mit ihren regelmäßig und sauber in verschiedenen Abständen vom Zentrum angeordneten Interferenzpunkten, da ging ein allgemeines "ah" durch die Versammlung. Ein jeder von uns fühlte, daß hier eine große Tat vollbracht war".

Aus: v. Laue Nobelvortrag s. http://www.nobel.se

d*sin()

d

Bragg Bedingung für konstruktive Interferenz:

2d sin() = m *

GitterabstandGanze Zahl

Wellenlänge

Braggsches Drehwinkel Verfahren:

Monochromatischer Strahl & Einkristall

Laue Verfahren: Polychromatischer Strahl an Einkristall

http://www.spectroscopynow.com/Spy/basehtml/SpyH/1,,8-1-1-0-0-news_detail-0-1332,00.htmlhttp://www.als.lbl.gov/als/science/sci_archive/45ribosome.html

Standard an Synchrotrons zur Analyse von von Proteinstrukturen

•Kristallisieren•Röntgenbeugung •Computeranalyse•Voll Automatisiert

Debye-Scherrer Verfahren:

Monochromatisches Licht, Polykristall(biete alle Ebenen an)

Anthracen

Elektronendichteverteilung inAnthracen(Röntgenbeugung)

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

3: Kann man Atome sehen????

NEIN: „sehen“ Teilchen>/2 Sichtbares Licht 5 10-7mAtom: 10-10 m Tischtennisball-Erde

3.1: Wie gross sind Atome VORSICHT: Atome haben keine genaue Grösse, keine Kugeln mit festem Rand -> QM Wellenfunktion

3.1.1. Bestimmung aus dem Kovolumen:Ideale Gasgleichung 2 Näherungen: keine Kräfte, PunktteilchenVan der Waals Gleichung der REALEN GASE(p + a/V2 ) (V – b) = RT

3.1.2. Röntgenbeugung an Kristallen (Bragg, s.o.)3.1.3. Über Gasstreuung: Wirkungsquerschnitt (Folie)3.2 Licht von (einzelnen) Atomen (Falle)3.3 Spuren von Atomen (Nebelkammer)3.4 Abtasten (Rastertunnelmikroskop)

“Binnendruck” “Kovolumen” (4faches Volumen das die Atome einnehmen

ATOM

3. Kann man Atome sehen????

NEIN!

Laue Verfahren: Polychromatischer Strahl an Einkristall

AbständeGröße

3.1.2. Atomgröße aus Kristallabmessungen

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:

Ideale Gasgleichung 2 Näherungen: keine Kräfte, PunktteilchenVan der Waals Gleichung der REALEN GASE(p + a/V2 ) (V – b) = RT

3.1.2. Röntgenbeugung an Kristallen (Bragg, s.o.)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)

This is the stretch mode for 7 ions (also called breathing mode). The frequency of this mode is 185 kHz. The corresponding center-of-mass mode has a frequency of about 107 kHz. You can see that to some extend the center-of-mass mode has also been excited.

Center-of-mass mode. The oscillation amplitude is rather high. On the left the ions already leave the laser beam. The whole chain of ions has a length of about 85 micrometers, i.e. the average ion-ion distance is 14 micrometers.

http://heart-c704.uibk.ac.at/oscillating_ions.htmlQuantum Optics and Spectroscopy

Institut für Experimentalphysik, Universität Innsbruck

3: Kann man Atome sehen????

3.1: Wie gross sind Atome3.1.1. Bestimmung aus dem Kovolumen:

3.1.2. Röntgenbeugung an Kristallen (Bragg, s.o.)3.1.3. Über Gasstreuung: Wirkungsquerschnitt 3.2 Licht von (einzelnen) Atomen (Falle)3.3 Spuren von Atomen (Nebelkammer)

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 (Bragg, s.o.)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 –273C (IBM 1989)