Periodensystem. Atom. Die Periodenlängen werden in der Quantenphysik erklärt. Dazu werden sogenannte Quantenzahlen eingeführt

Transkript

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2 Priodnsystm Di Priodnlängn wrdn in dr Quantnphysik rklärt. Dazu wrdn sognannt Quantnzahln ingführt Atom Insbsondr folgt das Pauli- Prinzip: all Enrgizuständ könnn mit 2 Elktronn bstzt wrdn

3 Molkül Schwingungs- und Rotationsspktrn: Di Atom im Molkül könnn ggninandr schwingn und rotirn (ähnlich wi zwi Kugln di mit inr Fdr vrbundn sind) Nur bstimmt Schwingungsund Rotationszuständ sind rlaubt (Quantisirung) Übrgäng (Quantnsprüng) sind an Emission bzw. Absorption von Strahlung gkopplt nach dr bkanntn Forml h f = W h Kombinirtr Übrgang: f = ( W W ') + ( W W ') + ( W W ') Schwingungsnrgi Größnordnung dr Enrgi ist untrschidlich: W Elktronnbahn >> W s s s >> W Infrarot-Schwingungsspktrn sagn twas übr di Mass dr Molkültil und ihr Bindung (Fdrkonstant) aus r Rotationsnrgi r r Wllnzahl = 1/Wllnläng

4 Flüssigkitn: Dicht Packung dr Molkül (im Ggnsatz zu Gasn) durch stark Anzihung dr Molkül untrinandr Kondnsirt Matri Volumn konstant Kin fst Struktur Diffusion dr Molkül durch Brownsch Molkularbwgung Kristallinr Fstkörpr: Dicht Packung dr Molkül Fst Struktur, Molkül bildn priodischs Gittr Brownsch Molkularbwgung führt zu Schwingungn dr Atom um Ruhlag hrum Kristallgittrintrfrnz mit Röntgnstrahlung: Wrdn Röntgnstrahln an Gittratomn gstrut, so bildn dis Zntrn von Elmntarwlln, di anschlißnd intrfrirn. Es ntstht in Intrfrnzbild: Lau-Diagram Aus dr Struktur ds Intrfrnzmustrs lässt sich twas übr di Struktur ds Kristallgittrs lrnn

5 Röntgnstrukturbstimmung Dby-Schrrr Schrrr-Vrfahrn: Monochromatisch Röntgnstrahlung Kristallpulvr (ungordnt Ansammlung untrschidlich orintirtr Kristallbzirk (Körnr)) Lau-Diagram Di Bdingung für konstruktiv Intrfrnz (Braggsch Forml) lässt sich gomtrisch licht hrlitn Aus dr Struktur ds Intrfrnzmustrs lässt sich twas übr di Struktur ds Kristallgittrs lrnn

6 Tilchn-Wll Dualismus Licht hat Wllnignschaftn: Lichtwlln übrlagrn sich konstruktiv odr dstruktiv; Intrfrnz, Bugung,... Licht hat Tilchnignschaftn: Lichttilchn (Photonn) trffn als Pakt fstr Enrgi E=h*ν und dfinirtn Impulss p=h/λ auf. (Photoffkt; Noblpris für Einstin; nicht für Rlativitätsthori). Stoß von Photonn mit Elktronn wi Billardkugln (Compton-Struung) Elktronn (und jd andr Form dr Matri) hat Tilchnignschaftn mit dfinirtr Enrgi und Impuls pro Tilchn (Stoßprozss,...) Elktronn habn Wllnignschaftn: Elktronnstrahln übrlagrn sich konstruktiv odr dstruktiv und bildn Bugungs- und Intrfrnzmustr mit dr Frqunz ν=e/h und Wllnläng λ=h/p Dby-Schrrr-Diagram mit Elktronnstrahln: λ =h/p

7 Atomkrn bsthn aus Protonn p und Nutronn n (p,n = Nuklonn) Di Nuklonnzahl = Z + N (Anzahl von p und n) = A ist glich dr Massnzahl Di Nuklonn zihn sich an: Krnkraft Krnkräft sind vil stärkr als all andrn Kräft (z.b. als di lktrisch Abstoßung dr Protonn) Krnkräft sind shr kurzrichwitig (dswgn spürn wir si nicht dirkt) und wirkn nicht auf Elktronn Isotop nnnt man Atom mit glichr Protonn- abr untrschidlichr Nutronnzahl. Krnphysik und damit untrschidlichr Atommass Schribwis: radioaktivs Kohlnstoffatom C-14: 6 Protonn, 8 Nutronn: A=Nuklonnzahl Z=Protonnzahl =Ordnungszahl CH C 8 Elmntsymbol vntull: N=Nutronnzahl Molkül aus inm C und vir H Atomn Vrschidn Isotop ins Elmnts wrdn als Tracr (Indikatorn) zur Untrsuchung von Stoffwchslvorgängn ingstzt. Einig sind radioaktiv und infach zu dtktirn, andr wrdn in Massnspktromtrn dtktirt. Atomar Massninhit 1 u = 1/12 dr Mass von 12 C =1.66*10-24 g

8 Radioaktivität Bstimmt Isotop sind radioaktiv, d.h. ihr Krn wandln sich um und sndn dabi radioaktiv Strahlung aus. Di Umwandlung rfolgt spontan, d.h. zu inm unvorhrsagbarn Zitpunkt. Di Umwandlung will zu jdm Zitpunkt mit glichr, dfinirtr Wahrschinlichkit λ auftrtn. λ ist in charaktristisch Konstant dr Umwandlung. Daraus folgt mathmatisch das Zrfallsgstz: Zrfallskonstant λ Zrfäll = Zrfallswahrschinlichkit * Anzahl dr Atom Also gilt für di Aktivität (Zrfäll pro Zitinhit): dn A( t) = = λn0 xp( λt) = λn dt A( t) = A xp( λt) 0 N( t) = N0 xp( λt) Krn zur Zit t=0

9 Radioaktivität Daraus folgt mathmatisch das Zrfallsgstz: N( t) = N0 xp( λt) Mittlr Lbnsdaur: τ =1/ λ N0 N( t) = = N0 xp( λt1/ 2) 2 Zrfäll = Zrfallswahrschinlichkit Zusammnhang * Anzahl dr Atom zur Lbnsdaur: Also gilt für di Aktivität 1 (Zrfäll pro Zitinhit): = xp( λt1/ 2) dn 1 A( t) = = ln λn0= xp( λt1/ 2 λt) = λn dt 2 ln 2 A( t) = A xp( λt) Halbwrtszit (Hälft allr Halblogarithmisch Darstllung: Krn zrfalln): ln A( t) A 0 0 T 2 1/ 2 = λ = ln xp( λt) = λt = ln 2 τ 0.7τ Nach 2 Halbwrtszitn ist 3/4 ds Stoffs zrfalln!

10 Mittlr Lbnsdaur: Halbwrtszit (Hälft allr Krn zrfalln): Radioaktivität Daraus folgt mathmatisch das Zrfallsgstz: N( t) = N0 xp( λt) τ =1/ λ N0 N( t) = = N0 xp( λt1/ 2) 2 Bispil: Zusammnhang zur Lbnsdaur: 1 = xp( λt1/ 2) 2 1 ln = λt1/ 2 2 ln 2 T1/ 2 = = ln 2 τ λ 0.7τ Nach 2 Halbwrtszitn ist 3/4 ds Stoffs zrfalln!

11 O b : Konzntration im Organ wird zunächst angrichrt und anschlißnd abggbn Radioaktivität Zitlichr Vrlauf dr Aktivität im Körpr rfolgt nach komplizirtn Gstzn: Biologisch Halbwrtszit = Zit nach dr di Hälf dr Aktivität im Körpr abgklungn ist nicht glich dr physikalischn Halbwrtszit Anwndungn: Tracr für Stoffwchslvorgäng Lokalisation von Tumorn (spzifisch Anrichrung bstimmtr chmischr Elmnt) Abtötung von Tumorzlln durch Strahlnschädn. Bispil: B b : Konzntration ds injizirtn Stoffs im Blut nimmt ab durch biologisch Abgab B r : Konzntration im Blut nimmt zusätzlich ab durch radioaktivn Zrfall

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13 Radioaktivität: Was ist das? Warum zrfalln Krn? Wil si in inm nrgtisch ungünstign Zustand sind und durch dn Zrfall in inn günstigrn Zustand falln. Was passirt bim Zrfall? Vir Möglichkitn: α, β, γ, n Strahlung α Strahlung (Aussndung ins Hlium Krns): Z Z 2, N 138 Po N 2, d A Pb +α β -Zrfall (Aussndung ins Elktrons und Antinutrinos): Z Z + 1, N 3.5 Co a N 1, Ni + A +υ A 4 A α-strahlung = ppnn= Hlium-Krn β-strahlung = Elktron odr Positron γ-strahlung = hochnrgtisch l.-magn. Strahlung

14 Z Radioaktivität: Was ist das? Warum zrfalln Krn? Wil si in inm nrgtisch ungünstign Zustand sind und durch dn Zrfall in inn günstigrn Zustand falln. Was passirt bim Zrfall? Vir Möglichkitn: α, β, γ, n Strahlung n-strahlung (Aussndung ins Nutrons): Sltn in dr Natur, wichtig bi Raktorn und Krnwaffn Z, N N 1, A A 1 α-strahlung (Aussndung ins Hlium Krns): Z Z 2, N 138 Po N 2, d A Pb +α β -Zrfall (Aussndung ins Elktrons und Antinutrinos): Z Z + 1, N 3.5 Co a Umwandlung n ap N 1, Ni + A +υ β + -Zrfall (Aussndung ins Positrons und Nutrinos): Z Z 1, N Umwandlung p an 2.6 Na a N + 1, N + + A +υ γ-zrfall (Aussndung ins Photons): Z Z, N N, A A A 4 A A

15 Wnn di nu ntstandnn Krn widr radioaktiv sind, so ntsthn Zrfallsrihn: Zrfall in mhrrn Stufn! Zrfallsrihn α Strahlung (Aussndung ins Hlium Krns): Z Z 2, N N 2, A A 4 β Zrfall (Aussndung ins Elktrons und Antinutrinos): Z Z + 1, N N 1, A β + Zrfall (Aussndung ins Positrons und Nutrinos): Z Z 1, N N + 1, A A Po 3.5 Co 2.6 Na d a a Ni Pb +α N υ +υ γ Zrfall (Aussndung ins Photons): Z + Z, N N, A n-strahlung (Aussndung ins Nutrons): Z Z, N N 1, A A 1 A A