Physik IV Einführung in die Atomistik und die Struktur der Materie

Transkript

1 Physik IV Einführung in die Atomistik und die Struktur der Materie Sommersemester 2011 Vorlesung Physik IV - Einführung in die Atomistik Vorlesung 16 Prof. Thorsten Kröll

2 Online-Vorlesung Zur Wiederholung vielleicht ganz nützlich: /Browser01.aspx?path=%2fUniversit%C3%A4t+T%C3%BCbingen%2f Mathematisch-Naturwissenschaftliche+Fakult%C3%A4t%2fPhysik %2fVorlesung+Experimentalphysik+VI+SoSe+2006%2f etwa doppelt so schnelle Geschwindigkeit wie hier. Physik IV - Einführung in die Atomistik Vorlesung 16 Prof. Thorsten Kröll

3 Elektronenkonfiguration aus Demtröder 3 N Physik IV - Einführung in die Atomistik Vorlesung 16 Prof. Thorsten Kröll

4 Flussdiagramm des Hartree-Verfahrens zur numerischen Bestimmung einer selbstkonsistenten Lösung des Mehrelektronenproblems Mit Antisymmetrisierung: Hartree-Fock-Verfahren aus Demtröder 3 Physik IV - Einführung in die Atomistik Vorlesung 16 Prof. Thorsten Kröll

5 Effektives Potenzial 2 e V i eff ( ri ) = + V r ( r, i i i ) Im Extremfall schirmen (Z-1) Elektronen (Z-1) Protonen ab Z.tes Elektron sieht nur noch ein Proton und das Atom ist fast wieder ähnlich dem Wasserstoff: Alkalimetalle (Li, Na, ) Edelgas + Wasserstoff außen: abgeschirmtes Potenzial innen: volles Potenzial wasserstoffähnliches Atom (Röntgenspektren, Moseley-Gesetz) aus Mayer-Kuckuk Atomphysik Physik IV - Einführung in die Atomistik Vorlesung 16 Prof. Thorsten Kröll

6 Innere und letztes Elektron(en) ( Leuchtelektron ) Innere Elektronen sehen Nahezu das volle Feld des Kerns normale Abfolge der Zustände Äussere Elektronen sehen nur ein abgeschirmtes Feld teilweise sogar Änderung der Reihenfolge der Zustände! Schalenabschlüsse aus Mayer-Kuckuk Atomphysik Physik IV - Einführung in die Atomistik Vorlesung 16 Prof. Thorsten Kröll

7 Periodensystem der chemischen Elemente 4f 5f 2(2 3+1) = 14 Elektronen Physik IV - Einführung in die Atomistik Vorlesung 16 Prof. Thorsten Kröll

8 Schalenmodell des Atoms Die Elektronenverteilung voll besetzter Schalen Maximum wächst systematisch mit Nummer der Schale (bei leichten Elementen gleich Hauptquantenzahl) Bohrsche Planetenbahnen aus Demtröder 3 Physik IV - Einführung in die Atomistik Vorlesung 16 Prof. Thorsten Kröll

9 Schalenabschlüsse Valenz- oder Leuchtelektronen: Elektronen auf nicht vollständig besetztem Orbital aus Demtröder 3 Xe Alkali-Atome (Edelgas + 1 Leuchtelektron außerhalb voll besetzter Schale) sind besonders groß Edelgase haben besonders hohe Ionisationsenergie Physik IV - Einführung in die Atomistik Vorlesung 16 Prof. Thorsten Kröll

10 Antiteilchen 1928: Dirac Gleichung (relativistische Quantenmechanik) Gesamtenergie ist quadratische Formel was ist die negative Wurzel? 2 ( ) ( 2 ) 2 2 ( ) ( 2 pc + m c W = ± pc m c ) 2 2 W = : Anderson entdeckt das Positron Collins English Dictionary Antiparticle: any of a group of elementary particles that have the same mass and spin as their corresponding particle but have opposite values for all other nonzero quantum numbers. When a particle collides with its antiparticle, mutual annihilation occurs. 0 Teilchen und Antiteilchen vernichten sich vollständig zu Energie (Photonen): E=2mc 2. Umgekehrt werden Teilchen und Antiteilchen auch immer nur paarweise aus Energie erzeugt. Physik IV - Einführung in die Atomistik Vorlesung 16 Prof. Thorsten Kröll

11 Wasserstoffähnliche exotische Atome = 1 f E m0 = me = 511keV/c m1m2 mr = m + m aus Mayer-Kuckuk Atomphysik Physik IV - Einführung in die Atomistik Vorlesung 16 Prof. Thorsten Kröll

12 Wasserstoffähnliche exotische Atome Die Bahn des Myons im myonischen Blei verläuft hauptssächlich innerhalb des Bleikerns. r Kern Pb 1/3, = = [ fm] 7.11fm Physik IV - Einführung in die Atomistik Vorlesung 16 Prof. Thorsten Kröll

13 Positronium Gebundenes System aus Elektron und Positron (Antiteilchen des Elektrons) Physik IV - Einführung in die Atomistik Vorlesung 16 Prof. Thorsten Kröll

14 Positronium / Quarkonium J/Ψ c c Achtung: In der Kernphysik andere Nomenklatur für Hauptquantenzahl N Bei kleinen Abständen ist QCD-Potenzial zwischen Quarks in etwa proportional 1/r wie Coulomb Positronium ähnlich Quarkonium Physik IV - Einführung in die Atomistik Vorlesung 16 Prof. Thorsten Kröll

15 Antiwasserstoff (I) CPT C: Teilchen gegen Antiteilchen P: Paritätsoperation (Spiegelung am Ursprung) T: Umkehrung der Zeitrichtung Wenn CPT-Symmetrie gilt, sollten atomare Übergänge im Antiwasserstoff genauso sein, wie im normalen Wasserstoff was experimentell noch zu zeigen ist! Physik IV - Einführung in die Atomistik Vorlesung 16 Prof. Thorsten Kröll

16 Antiwasserstoff (II) Neutrale Antiwasserstoffatome werden durch Kraft auf magnetisches Moment im inhomogenen Magnetfeld gespeichert. r r V = μ B r r r F gradv = μ grad B Nachweis der Atome: Zerstahlung des Antiprotons Bei Kontakt mit Wand ALPHA/ATHENA@CERN: Nature 468, 673 (2010) Physik IV - Einführung in die Atomistik Vorlesung 16 Prof. Thorsten Kröll

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