Grundlagen der physikalischen Chemie 1 - Aufbau der Materie

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1 Grundlagen der physikalischen Chemie 1 - Aufbau der Materie Michael Schlapa Phillippe Laurentiu 17. April 2012 Semester Thema Dozent Klausurzulassung Klausur Übung Literatur 2012 SS Michael Schmitt mschmitt@uni-duesseldorf.de O2.43 NN P.W. Atkins - Physikalische Chemie, Wiley-VCH G. Wedler - Lehrbuch der PC, Verlag Chemie U. Nickel - Lehrbuch der Thermodynamik, Phys.Chem. Verlag 1

2 GPC1 - Aufbau der Materie INHALTSVERZEICHNIS Seite 2 von 5 Inhaltsverzeichnis 1 Histoische Einführung 3 2 Die Teilchennatur der Materie Ionen und Elektronen Bestimmung des Verhältnisses von Ladung zu Masse Bestimmung der Elementarladung (Millikan 1910) Atomkern und Elektronenhülle

3 GPC1 - Aufbau der Materie 1 HISTOISCHE EINFÜHRUNG Seite 3 von 5 1 Histoische Einführung Bereits im Altertum vertraten einige Philosophen die Überzeugung, dass die Materie aus kleinsten, nicht mehr weiter zerlegbaren Teilchen aufgebaut ist (Demokrit im Gegensatz zu Aristoteles). Diese Vorstellungen waren jedoch noch nicht experimentell belegt. Erst im späten Mittelalter und mit der Entwicklung einer experimentellen Physik gelangen überzeugende Beweise des atomaren Aufbaus der Materie. Ein tieferes Verständnis von atomaren und subatomaren Strukturen gelang erst Anfang des 20. Jahrhunderts mit der Entwicklung der Quantenmechanik und dem Konzept der Quantisierung mikroskopischer Eigenschaften. Die klassische Physik ist zur Beschreibung des mikroskopischen Aufbaus der Materie u.a. nicht geeignet, da nach ihr Systeme beliebige Energien besitzen können. Viele grundlegende physikalische Erscheinungen lassen sich nur erklären, wenn lediglich diskrete Energiezustände erlaubt sind: Frequenzverteilung der Schwarzkörperstrahlung (Planck 1905) Wärmekapazität bei tiefen Temperaturen (Einstein, Debye 1906) Photoelektrischer Effekt (Einstein 1906) Linienspektren von Atomen (Rydberg, Bohr 1913) Compton-Effekt (Compton 1922) Insbesondere konnte Bohr das Linienspektrum von atomarem Wasserstoff mit der Annahme spezieller Kreisbahnen des Elektrons um den Atomkern erklären. Entsprechend sind auch nur diskrete Drehimpuls- und Energiezustände des Elektrons im Wasserstoffatom erlaubt.

4 GPC1 - Aufbau der Materie 2 DIE TEILCHENNATUR DER MATERIE Seite 4 von 5 2 Die Teilchennatur der Materie 2.1 Ionen und Elektronen Durch Gasentladungen bei niedrigen Drücken werden geladene Teilchen erzeugt (Goldstein 1897). ''Spontane'' Ionen (z.b. aus kosmischer Strahlung) gewinnen kinetische Energie mit U als Potentialdifferenz an den Elektroden. 1 2 mv = qu Durch Stoßprozesse entstehen lawinenartig neue Ladungsträger. Die Ent- ladung wird stationär, wenn jeder Ladungsträger für seinen Ersatz sorgt. + Anode Kathodenstrahl mit negativen Ladungsträgern - Kathode Kanalstrahl mit positiven Ladungsträgern Ziel ist nun die Bestimmung von Ladungsgröße q und Masse m der Teilchen in den Strahlen. 2.2 Bestimmung des Verhältnisses von Ladung zu Masse Massenspektrometer nach Thomson: Massenspektrometer nach Aston: (Link tot?) qu = 1 2 mv V = 1 t q m = 1 2Ut mit t als Flugzeit und U als Größe des Potentials am Ionisierungsort. ''Die schweren Ionen kommen später''. zum Beispiel: Wasserstoffion H + q m = 9, 575 As 10 H + kg Die leichtesten Kanalstrahlteilchen sind die Wasserstoffionen. Die Kathodenstrahlteilchen sind ca mal leichter (''Elektronen''). 2.3 Bestimmung der Elementarladung (Millikan 1910) Durch Zerstäuben (negativ) geladener Öltröpfchen fallen bei ausgeschaltetem elektrischen Feld mit Geschwindigkeit v nach dem ''Stokesschen Gesetz'': F = m eff g = 6πrηv Dabei ist F die Erdanziehungskraft, r der Tröpfchenradius, η die Zähigkeit der Luft und 6πrηυ die Reibungskraft. Die effektive Masse der Tröpfchen ist m eff = 4 3 πr ρ Öl mit ρ Öl als Dichte des Öls. Die Differenz ρ Öl ρ Luft wird eingesetzt, um die Verminderung der Fallgeschwindigkeit durch Auftrieb zu berücksichtigen.

5 GPC1 - Aufbau der Materie 2 DIE TEILCHENNATUR DER MATERIE Seite 5 von 5 Bestimmung des Tröpfchenradius r 9ηv r = 2 ρ Öl g Bei eingeschaltetem Feld fallen die Tröpfchen langsamer 4 3 πr ρ Öl g = 6πrηv + qe mit r und v aus den Mikroskopmessungen, q als Tröpfchenladung und E als Feldstärke am Plattenkondensator E = U Volt d cm. Wiederholte Versuche mit Tröpfchen verschiedener Größe zeigen, daß q ein negatives ganzzahliges Vielfaches einer Ladung e ist. e = 1, As ''Elementarladung'' Mit e As = 1, und e As = 9, ergibt sich mit der Annahme gleicher Beträge m Elektron kg m + H kg der e - und H + -Ladung (''Elementarladung'') m e = 9, kg m H + = 1, kg m H + m e = Atomkern und Elektronenhülle Ablenkung der α-teilchen durch Streuung an Atomkernen der Folie: die meisten He + passieren ungestreut! Rutherford (1911) schloß daraus auf kleine Kernradien ( 10 m im Vergleich zu 10 m Atomradius). Offenbar ist fast die gesamte Atommasse in dem sehr kleinen (positiv geladenen) Atomkern konzentriert. Wenn darüber hinaus die Elektronen klein gegenüber dem Gesamtatom sind, sollte das Coulombsche Gesetz die Elektron-Kern Wechselwirkung gut beschreiben. Beschleunigte elektrische Ladungen (Elektronen auf Bahn) strahlen nach der klassischen Elektrodynamik Energie ab: Absturz von Elektronen in den Atomkern auf Spiralbahnen nach etwa 10 s? Offensichtlich kann die Stabilität von Atomen mit der klassischen Physik nicht richtig beschrieben werden! 2.5 Zusammenfassung In Gasentladungen gelang der Nachweis, daß Atome aus negativen und posi- tiven Ladungsträgern (Ionen) bestehen. Aus der Geschwindigkeit (Laufzeit) von Ionen gleicher Energie wird das Verhältnis ihrer Ladung zu Masse bestimmt. Die Elementarladung wird aus der Sinkgeschwindigkeit geladener Tröpfchen in einem elektrischen Feld bestimmt. Streuexperiment zeigen, daß die positiven Ladungsträger (Atomkerne) im Vergleich zum Gesamtatom sehr klein sind.