Kein Folientitel

1
Die Entdeckung der Atome Schülervorlesung von
Siegmund Brandt Fachbereich Physik der
Universität Siegen 17. Januar 2001
2
Naturbeschreibung und Naturerkenntnis
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
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Ursprünge der griechischen Atomvorstellung
Leukippos von Milet (?) 5. Jh. vor Chr.
Epicur von Samos (341 - 270 vor Chr.)
Democrit von Abdera (ca. 460 - 370 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.
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Theorie der vier Elemente
Feuer
Wärme
Trockenheit
Erde
Luft
Nässe
Kälte
Wasser
Empedocles von Agrigent (ca. 483-423 vor Chr.)
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Elemente und Platonische Körper
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).
Plato (428 - 347 vor Chr.)
Feuer Erde Luft
Wasser Äther
Tetraeder Würfel Oktaeder
Ikosaeder Dodekaeder
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Vorstellungen im klassischen Griechenland
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.
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Beginn der modernen Naturwissenschaft im 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)
erforscht die Schwerkraft
Kepler (1571-1630)
findet präzise Gesetze zur Planetenbewegung
formuliert die Gesetze der Mechanik. Er kann aus
ihnen die Keplerschen Gesetze berechnen, wenn er
als Kraft zwischen Sonne und Planeten die
Schwerkraft annimmt.
Newton (1643-1727)
Planet
Schwerkraft
Sonne
Bahn des Planeten
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Wiederbelebung des Atombegriffs
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
Joseph Louis Proust (1754 1826)
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
John Dalton (1760 1844)
Gesetz der einfachen Volumenverhältnisse
(1808) Bei der Verbindung von Gasen treten ganz
bestimmte Verhältnisse der Volumina auf,
z.B. 2Liter Wasserstoff1Liter Sauerstoff ?
2Liter Wasserdampf
Louis Joseph Gay-Lussac (1778 - 1850)
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Daltons Atomhypothese 1803
John Dalton (1760 1844)
Die Materie besteht aus unteilbaren,
unzerstörbaren Atomen. Alle Atome reiner
Substanzen sind einander exakt gleich. Chemische
Verbindungen werden in den einfachsten
numerischen Verhältnissen (11, 12, 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.
Daltons Symbole für die Elemente und die auf
Wasserstoff bezogenen Massen
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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 D 2 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.
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Avogadros Atomhypothese 1811
Wurde erst 1860 (nach dem ersten internationalen
Chemikerkongress in Karlsruhe) allgemein
akzeptiert.
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
Amadeo Avogadro (1776 - 1856)
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
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Atome - Ergebnisse chemischer Experimente Elemente
und Verbindungen Nicht weiter zerlegbare
Substanzen sind Elemente, z.B. Wasserstoff (H),
Kohlenstoff (C), Stickstoff (N), Sauerstoff
(O) Elemente bilden Verbindungen. Atomhypothese El
emente bestehen aus völlig gleichwertigen
Atomen. Verbindungen bestehen aus Molekülen, die
nach gleichem Bauplan aus Atomen aufgebaut sind,
denn bei Bildung von Verbindungen binden sich die
Elemente in festen Massenverhältnissen. Beispiel
In Wasser ist das Massenverhältnis von
Wasserstoff zu
Sauerstoff 216, in Wasserstoffsuperoxid
232 Atomare Massenzahl (früher Atomgewicht) Aus
diesen Massenverhältnissen läßt sich die Masse m
jedes Atoms durch die Masse mH des
Wasserstoffatoms ausdrücken m A
mH Beispiele AH 1, AC 12, AN 14, AO
16, ...
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Periodisches System der Elemente Zuerst
aufgestellt 1869 von Mendeléev, ordnet Elemente
nach atomarer Massenzahl und chemischer
Ähnlichkeit.
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Atome - Ergebnisse physikalischer
Experimente Experiment Ein 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.
Bei Wärmezufuhr wächst Volumen. (Deckel hebt sich)
Bei stärkerem Rütteln (Energiezufuhr) steigt
Volumen.
Kinetische Gastheorie Die 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
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Brownsche Bewegung
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.
Robert Brown (1773-1858)
Browns Mikroskop
Brownsche Bewegung von Milchtröpfchen in Wasser
(Videoaufnahme durch Browns Mikroskop)
Zellen einer Orchideenart gesehen durch Browns
Mikroskop. Der Zellkern, den Brown 1828
entdeckte, ist deutlich sichtbar.
Computersimulation http//www.aci.net/kalliste/bro
wn.htm
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Spektralanalyse
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.
Das Spektroskop von Bunsen und Kirchhoff
Gustav Kirchhoff (1824 - 1887)
Robert Bunsen (1811 1899)
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Atome - Optische Spektren
Bei höherer Auflösung zwei gelbe Linien
Natrium
Wasserstoff
Helium
Neon
Rot Wellenlänge groß
Blau Wellenlänge klein
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.
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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.
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Experiment zu Gasentladung
Zur Pumpe
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.
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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
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Entdeckung des Elektrons 1897 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.
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Thomsons Apparatur
Joseph J. Thomson (1856 - 1940) Nobelpreis 1906
Fadenstrahlrohr
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Elektronenleitung im Metall. Glühemission
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.
Glühemission Durch Heizung eines Metalldrahtes
erhalten Elektronen so viel Energie, daß sie den
Draht ver- lassen können. Man kann sie dann
beschleunigen, ablenken usw.
Beispiel Fernsehröhre
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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.
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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.
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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
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/s die
Lichtgeschwindigkeit im Vakuum.
Albert Einstein (1879 - 1955) Nobelpreis 1921
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Lichtelektrischer Effekt
1916
Millikan bestätigt die Lichtquantenhypothese
experimentell durch Präzisionsmessungen zum
lichtelektrischen Effekt.
Robert A. Millikan (1868 - 1953) Nobelpreis 1923
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.
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Radioaktivität
1896
Becquerel entdeckt die Radioaktivität
Uran-Verbindungen schwärzen die Photoplatte
und ionisieren die Luft Dabei treten drei Arten
von Teilchen (Strahlung) auf
Antoine H. Becquerel (1852 - 1908) Nobelpreis 1903
? - Teilchen Helium-Ionen der
Ladung 2e ? - Teilchen Elektronen
(Ladung -e) ? - Teilchen energiereiche
Photonen (ungeladen)
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Nebelkammer
1911
Wilson entwickelt die Nebelkammer. In
überhitztem Dampf hinterlassen geladene Teilchen
Spuren aus Tröpfchen.
C.T.R. Wilson (1869 - 1959) Nobelpreis 1927
Nebelkammerbild der Spuren von ?-Teilchen
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Spezielle Relativitätstheorie
1905
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 Energie p Impuls m Ruhmasse
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Energiequelle der Radioaktivität
Einstein vermutet, daß diese Energie-Massen-Bezieh
ung 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
m1
m2
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Atomkern
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.
1911
Rutherford 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
Ernest Rutherford (1871 - 1937) Nobelpreis 1908
Bahnen bei ausgedehntem Atomkern
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Schema eines Streu-Experiments
Teilchennachweis Detektor
energiereiche Teilchen
Target (Materie)
Teilchenquellen Radioaktivität Höhenstrahlung Teil
chenbeschleuniger
Teilchendetektoren Leuchtschirm,
Szintillator Zählrohr Nebelkammer,
Blasenkammer Photo-Emulsion elektronische
Spurenkammer
34
Atom-Modell von Bohr und Sommerfeld
1913
Bohr 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.
Niels Bohr (1885 - 1962) Nobelpreis 1922
1916
Ellipsenbahnen aus Sommerfelds Lehrbuch Atombau
und Spektrallinien
35
Spin
1925
Goudsmit 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.
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Erklärung des Periodensystems. Pauli-Prinzip
1913
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.
1925
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.
Wolfgang Pauli (1900 - 1958) Nobelpreis 1945
37
Isotope
um 1920
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).
F. W. Aston (1877 - 1945) Nobelpreis 1922
Beispiele Uran (Z 92) Isotope
(neben anderen) mit A 235, 238 Wasserstoff (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.
38
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.
39
Quantenmechanik ersetzt Newtonsche Mechanik im
atomaren Bereich Matrizenmechanik
Wellenmechanik
1925
1926
Heisenberg kann die Newtonsche Gleichung formal
beibehalten, wenn er die in ihr vorkommenden
Größen Ort und Im-puls umdeutet. (Sie werden
Matrizen.)
Schrödinger ersetzt Newtonsche Gleichung durch
eine Wellengleichung (Schrödinger-Gleichung).
Erwin Schrödinger (1887 - 1961) Nobelpreis 1933
Werner Heisenberg (1901 - 1976) Nobelpreis 1932
? 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).
40
Neutron
1932
Chadwick beobachtet ein neutrales Teilchen, das
Neutron n , das beim Beschuß von Beryllium mit
?-Teilchen gebildet wird, ? (A4, Z2) Be
(A9, Z4) C (A6, Z6) n
James Chadwick (1891 - 1974) Nobelpreis 1935
Vor Stoß Proton ruht
p

n
Nach Stoß Neutron ruht (beinahe)
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.

p
n
Bei zentralem Stoß kann ein Neutron fast seine
ganze Energie auf ein Proton übertragen, weil
beide Teilchen fast die gleiche Masse haben.
41
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.

42
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).

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Fundamentale Teilchen 2001
Es gibt 3 Kräfte
Kraft Austauschteilchen
(Eichbosonen) elektroschwach
?, Z0, W, W- stark
g (Schwerkraft) Graviton?
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!
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Internet-Links zum Vortrag

• Universität Siegen http//www.uni-siegen.de
• Fachbereich Physik http//www.physik.uni-siegen.d
  e
• S. Brandt http//alephwww.physik.uni-siegen.de/b
  randt/
• (dort auch Vortrag über Entdeckung der
  Elementarteilchen)
• Nobelpreisträger http//www.nobel.se