WIW - HTL – St. Pölten 3. Der Aufbau der ATOME Buch Seite 15 - 16

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3. Der Aufbau der ATOME

Buch Seite 15 - 16


AtomtheorienGeschichtlicher Überblick

• 460 v.Chr: Demokrit:- kleinste, unteilbare Materieteilchenatomos



• 460 v.Chr: Demokrit:- kleinste, unteilbare Materieteilchenatomos

• 1808 John Dalton (1766 - 1844) :Atome sind unteilbar!– Chemische Elemente bestehen aus extrem kleinen Teilchen: Atome– bei chemischen Reaktionen werden Atome verbunden oder getrennt– Verbindung (mind. 2 Atomsorten in einem festen Mengenverhältnis)



• 460 v.Chr: Demokrit - kleinste, unteilbare Materieteilchen• 1808 John Dalton (1766 - 1844) : Atome sind unteilbar!

• 1817/29 W. Döbereiner:Elementgruppen (Triaden)



• 460 v.Chr: Demokrit - kleinste, unteilbare Materieteilchen• 1808 John Dalton (1766 - 1844) : Atome sind unteilbar!• 1817/29 W. Döbereiner: Elementgruppen (Triaden)

• 1869 L. Meyer und D. Mendelejew: Periodensystem



• 460 v.Chr: Demokrit - kleinste, unteilbare Materieteilchen• 1808 John Dalton (1766 - 1844) : Atome sind unteilbar!• 1817/29 W. Döbereiner: Elementgruppen (Triaden)• 1869 L. Meyer und D. Mendelejew: Periodensystem

• 1896 Becquerell: Uran – Stahlung• 1898 Marie und Pierre Curie: Polonium, Radium• 1903 Rutherford: Radioaktiver Zerfall!


Radioaktivität

• 1895 Röntgen – Röntgenstrahlen• 1896 Henry Becquerel – Radioaktivität• Marie und Pierre Curie – Pechblende (UO2) → Polonium, Radium (10-5%)


Wirkung radioaktiver Strahlung

SymbolArt der Strahlung

ElektrischeLadung

Licht-geschwindig-keit

Reichweite in Luft

Strahlung abgeschirmt durch

α-Strahlung: Heliumkerne

+ 2 ca. 10 % einige cm Papier

ß-Strahlung:Elektronen

- 1 ca. 90% Einige m Glasplatte

γ-Strahlung:Elektro-magnetische Wellen

0 100 % einige 100 m Blei

Strahlenschäden durch hohe empfangene Strahlenmengen:• physikalische Prozessen: Ionisation und Anregung• chemische Reaktionen stören Lebensvorgänge• Gefährliche Stahlung: γ von außen, α von innen!


Natürliche Radioaktivität: α,β,γ


Radioaktivität: α-Zerfall

• Abstrahlung von He-Kernen: 42He2+

• Abgabe von 2 Protonen und 2 Neutronen des strahlenden Nuklids– Abnahme der Neutronenzahl um 2– Abnahme der Protonenzahl um 2– Massenzahl minus 4, Kernladung minus 2!

• Beispiele:238

92U → 23490Th + 4

2He2+ (Halbwertzeit 1,2·107 s)

21084Po → 206

82Pb + 42He2+ (stabil)


Radioaktivität: β-Zerfall

• β- –Emission: Elektronenabgabe aus Kern!!!• Umwandlung eines Neutrons in ein Proton und

ein Elektron– Abnahme der Neutronenzahl um 1– Zunahme der Protonenzahl um 1– Massenzahl bleibt unverändert, Kernladung um 1

erhöht!234

90Th → 23491Pa + e- (Halbwertzeit 2,1·106 s)

146C → 14

7N + e- (Halbwertzeit 1,8·1011s)

Zerfallsreaktion zur C-14 - Altersbestimmung


Radioaktivität: γ-Zerfall• γ-Strahlen:

– Röntgen 1895: neue Strahlenart entdeckt– Eigenschaften: unsichtbar!

keine Beeinflussung durch elektrische und magnetische Felder! – Erzeugung von Fluoreszenstrahlung– Schwärzung von Photoplatten– Ionisation von Gasen– hohe Durchdringungsfähigkeit– energiereiche, hochfrequente (sehr kurzer Wellenlängen)

elektromagnetische Wellen aus der Elektronenhülledurch Energieänderung der Elektronen

• Neutronenstrahlen:sind energiereiche Neutronen


Isotope - Radioaktivität

OZ Symb. Element MZ Masse [u] Häufigkeit t50 α/β/γ

1 1H+

1H2H3T

ProtonWasserstoffDeuteriumTritium

1123

1,0072761,0078252,0141023,014949

-99,9850,015-

---12,26 a

---e-

2 4He2+

3He4He5He6He7He

a-TeilchenHelium

434567

4,0015073,0160304,0026045,0122966,018900-

-0,0001399,9998---

---2·10-21 s0,81 s-

a--n, ae-

e-

3 5Li6Li7Li8Li9Li

Lithium 56789

5,0125416,0151267,0160058,0224889,027300

-7,4292,58--

ca.10-21s--0,85 s0,17 s

p, a --e-

e-




4 6Be7Be8Be9Be10Be11Be

Beryllium 6789

1011

6,0197807,0169318,0053089,01218610,01353511,021660

---100--

4·10-21s53 d3·10-16s-2,7·106 a 13,6 s

ga-e-

e-, g

5 8B9B10B 11B12B13B

Bor 89

10111213

8,0246129,01333510,01293911,00930512,01435313,017779

--19,680,4--

0,78 s---0,020 s0,035 s

e+

p, a--e-, ge-




6 10C11C 12C13C 14C15C16C

Kohlenstoff 10111213141516

10,01683011,01143312,00000013,00335414,00324215,01060016,014702

--98,891,11---

19 s20,5 min--5760 a2,25 s0,74 s

e+, ge+

--e-

e-, ge-

7 12N13N14N15N16N17N

Stickstoff 121314151617

12,01870913,00573914,00307415,00010816,00608917,008449

--99,630,37--

0,011 s10,0 min--7,35 s4,14 s

e+

e+

--e-, g e-


Radioaktivität: Halbwertszeit

• Zerfallsreihe: N (t) = N0 · e-k·t

• Halbwertszeit:N = 1/2 N0 daher: nach 10 Halbwertszeiten ca. 1 Promille!

• Je kürzer die Halbwertszeit, desto mehr Strahlung wird abgegeben:Aktivität = Zerfallsakte pro Sekunde (Einheit: 1 Bq - Becquerel = 1/s)

Nuklid Halbwertszeit

Uran-238 4,5*109 Jahre

Kalium-40 1,3* 109 Jahre

Kohlenstoff-14 5.730 Jahre

Radium-226 1.600 Jahre

Strontium-90 28 Jahre

Tritium 12,3 Jahre

Cobalt-60 5,3 Jahre

Polonium-210 138 Tage

lod-131 8 Tage

Polonium-214 1,6 *10-7 Sekunden


Radioaktive ElementeOZ Name OZ Name OZ Name

43 Technetium 91 Protactinium 101 Mendelevium

61 Promethium 92 Uran 102 Nobelium

84 Polonium 93 Neptunium 103 Lawrencium

85 Astat 94 Plutonium 104 Rutherfordium

86 Radon 95 Americium 105 Dubnium

87 Francium 96 Curium 106 Seaborgium

88 Radium 97 Berkelium 107 Bohrium

89 Actinium 98 Californium 108 Hassium

90 Thorium 99 Einsteinium 109 Meiternium

100 Fermium 110 Darmstadtium

Elementnamen nach IUPAC 1997: bis 109 festgelegt!Blaue Elemente – ab Americium nur künstlich herzustellen!Rote Elemente – ab Polonium radioaktive Elemente: „schwere“ Kerne enthalten mehr Protonen, die sich gegenseitig abstoßen!


RadioaktivitätNuklide mit Ordnungszahlen >83 geben

α-, β-Strahlung ab → stabile Nuklide!

3 natürliche Zerfallreihen:238U → → → 206Pb235U → → → 207Pb232Th → → → 208Pb


Kernenergie - Atomkraft

Wärmeenergie aus Masseverlusten in Atomen!

Kernspaltung von Uran-235 in Kraftwerken:235

92U + 10n → 89

36Kr + 14456Ba + 3 1

0n + Δ W

• Restrisiko für Unfälle: Moderation durch H2O, D2O, C

• Wiederaufbereitung der Brennstäbe• Endlagerung strahlender Abfälle:

lange Halbwertszeit vieler Nuklide• Kernkettenreaktionen in Atombomben:

Kernreaktoren liefert Material für Atomwaffen• Spontane Spaltungen: 238

92U → 13752Te + 98

40Zr + 310n


Kernspaltung


Kernspaltung



Kernfusion

Verschmelzung leichter Atomkerne• Sonne wird durch Kernfusion geheizt:

4 11H → 4

2He + 2 e+ + Δ W (26,1 MeV)

• Positronen (e+):positiv geladene Elementarteilchen

• Kernfusion in Wasserstoffbombe• 1991 kontrollierte Kernfusion: D + T

21H + 3

1H → 42He + 1

0n + Δ E (17,6 MeV)

Plasma durch ein Magnetfeld eingeschlossen. 2 Sekunden, Temperatur ca. 170 Millionen°C

• mehr Energie aufgewendet, als gewonnen


Radioaktive Isotope als Marker

Quelle: The New York Times



Das Kern-Hülle-Modell des Atoms

Buch Seite 16 - 17



• 460 v.Chr: Demokrit - kleinste, unteilbare Materieteilchen atomos• 1808 John Dalton (1766 - 1844) : Atome sind unteilbar!• 1911 Atommodell von E. Rutherford

http://www.fbv.fh-frankfurt.de/mhwww/ACH-Vorlesung/21Atommod.htm#Elementarteilchen


Atommodell nach Rutherford

• 1911 Strahl aus α-Teilchen fastgeradlinig durch 0,004 mm Gold-Folie

• Atomkern im Mittelpunkt des Atoms:– fast die gesamte Atommasse– die ganze positive Ladung– Atomkern ist sehr klein, 10-15m

• Elektronen– nehmen fast das ganze Volumen des Atoms ein– außerhalb des Atomkerns und umkreisen ihn in schneller Bewegung– Großteil des Volumens eines Atoms ist leerer Raum:

α-Teilchen ungehindert durch Metallfolie!!!• Atomdurchmesser: 10-10 m, 100.000-mal größer als Kern!


Bohrsches Atommodell 1913• Atommodell in Analogie zum Planetensystem • Elektronen bewegen sich ohne Energieverlust auf konzentrischen

Kreisbahnen um den Atomkern (Planeten- oder Schalenmodell) • Jede Schale hat konstanten Energieinhalt (= Elektronenhüllen)• Differenz des Energieinhaltes wird aufgenommen oder abgegeben,

wenn ein Elektron von einer auf die andere Schale springt("Quantelung" der Energie)

• Elektronenschalen mit K, L, M, N, ... bezeichnet oder durch Hauptquantenzahl n mit n = 1, 2, 3, ... – n = 1 entspricht der K - Schale – n = 2 entspricht der L - Schale – n = 3 entspricht der M - Schale usw.


Bohrsches Atommodell 1913• Elektronenschalen mit steigender Hauptquantenzahl n entsprechend der

Kernladungszahl Z mit Elektronen besetzt:– K-Schale (n = 1) maximal 2 Elektronen– L-Schale (n = 2) maximal 8 Elektronen– M-Schale (n = 3) maximal 18 Elektronen– N-Schale (n = 4) maximal 32 Elektronen

• Maximale Elektronenzahl pro Schale = 2 · n2

• geringste Energie in K-Schale– Grundzustand: Elektron auf innerster, freier Bahn (geringste Energie)– Energiezufuhr: Elektron wechselt auf eine weiter außen liegende Bahn

„Anregung eines Elektrons“– Rückkehr in Grundzustand:

definierter Energiebetrag als Lichtenergie freigesetzt: Lichtquant



Linienspektren und Spektralanalyse

Buch Seite 19


Elektronenhülle• Geschwindigkeit elektromagnetischer Wellen ist

Lichtgeschwindigkeit: c = 2,9979·108 m/s = λ·νλ = Wellenlänge in mν = Frequenz in s-1(Hz)

• Max Planck:– h = 6,6262·10-34 J.s (Plancksches Wirkungsquantum).– E = h × ν (Licht als Energie - Lichtquant)


Spektralfarben


Regenbogen


Wasserstoffatom„angeregte Elektronenzustände“


Atomhülle / Lichtquanten nach N. Bohr

• Elektron kann zwischen erlaubten Bahnen (Orbitalen) springen, Energiedifferenz zwischen den Bahnen wird in Form von Licht abgegeben (oder aufgenommen)

• 1859 Bunsen und Kirchhoff ↔ Linienspektren– Grundzustand: e- auf tiefstmöglicher Energiebahn– angeregter Zustand: durch Energiezufuhr werden

e- auf höhere Energieniveaus gehoben– nur kurze Zeit beständig, e- fällt in Grundzustand:– bei der Anregung aufgenommene (absorbierte)

Energie wird als Lichtquant abgegeben (emittiert)– E = h * ν (Licht bestimmter Wellenlänge oder Farbe)


Atomhülle / Lichtquanten nach N. Bohr

• Emissionsspektren entstehen, wenn angeregte Atome in den Grundzustand zurückkehren und dabei Lichtquanten einer bestimmten Energie abgeben

• Absorptionsspektren entstehen, wenn Atome aus dem eingestrahlten Licht Quanten aufnehmen, um in den angeregten Zustand überzugehen.Licht bestimmter Farbe geschwächt, deren Energie zur Anregung geeignet ist.


Spektrallinien einigerAtome

Ag 328,1 338,3 UV

Ba 553,6 744 873

B 452,0 548 345

Ca 422,7 554 622

Co 346,6 353,0 387,4 UV

Cr 360,5 427,5 425,5

Cs 455,5 852,1 894,3

Cu 324,8 327,4 520

Fe 373,7 386,0 385,6 UV

K 404,7 766,5 344,6

Li 670,8 460,3 323,3

Mg 285,2 371 383 UV

Mn 403,3 543,3 279,5

Na 330,3 589,3 818,3

Ni 341,5 352,5 385,8

Pb 368,4 405,8 261,4

Rb 420,2 780,0 794,8

Sr 460,7 821 407,8

TI 377,6 535,0 276,8


Atomemissionen Element

Wellenlänge λ [nm]ultraviolett / sichtbar / infrarot

Ba 553,6 744 (Oxid) 873 (Oxid)

Ca 422,7 554 (Oxid) 622 (Oxid)

Co 346,6 (Gruppe) 353,0 387,4

Cr 360,5 427,5 (Gruppe) 425,5

Cs 455,5 852,1 894,3

Cu 324,8 327,4 520 (Oxid)

Fe 373,7 (Gruppe) 386,0 (Gruppe) 385,6 (Gruppe)

K 404,7 (D) 766,5 (D) 344,6 (D)

Li 670,8 460,3 323,3

Na 330,3 (D) 589,3 (D) 818,3 (D)

Rb 420,2 (D) 780,0 794,8

Sr 460,7 821 (B) 407,8

Ti 377,6 535,0 276,8

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