Einführung in die Physik II für Studierende der Naturwissenschaften und Zahnheilkunde. Sommersemester VL #46 am

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Detlef Gerhardt
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1 Einführung in die Physik II für Studierende der Naturwissenschaften und Zahnheilkunde Sommersemester 2007 VL #46 am Vladimir Dyakonov Atome und Strahlung 1

2 Atomvorstellungen J.J. Thomson Joseph John Thomson beobachtete Kathodenstrahlen im elektrischen und magnetischen Feld und stellte fest, dass sie sich wie negativ geladene Teilchen verhalten. Er bestimmte e/m für das Elektron und erkannte es als Teilchen. Er gilt, auch wenn er nicht der einzige war, der auf diesem Gebiet erfolgreich forschte, als der Entdecker des Elektrons. Er stellte sich das Atom wie einen Rosinenkuchen oder eine Wassermelone vor, bei dem der Teig bzw. das Fruchtfleisch die homogen verteilte und mit der Masse verbundene positive Ladung ist, die Rosinen oder Kerne sind die Elektronen. Stimmt das J.J. Thompson- Modell? Streuversuch von Ernest Rutherford (1911): Messung der Streuung von α -Teilchen an extrem dünnen Metallfolien Ergebnis: Einige α-teilchen ( 1 von 10 8 ) werden stark abgelenkt bzw. reflektiert Atom besteht aus einem sehr kleinen und sehr schweren Kern Atomkerne besitzen Abmessungen von ~ bis ~ m 2

3 Kritik am Rutherford schen Modell: Anordnung stellt einen oszillierenden Dipol dar Nach den Gesetzen der klassischen Elektrodynamik wird Energie in Form von elektromagnetischer Strahlung abgegeben Das Elektron verliert kinetische Energie und stürzt in den Kern Strahlungskatastrophe des Rutherford schen Atommodells Niels Bohr Bohr entwickelte das Rutherforsche Atommodell weiter, indem er nur noch bestimmte Kreisbahnen zuließ ( deren Umfang ein Vielfaches der de Boglie Wellenlänge beträgt ). Damit konnte er die Energiesprünge erklären, die beim Absorbieren und Emittieren von Licht (im erweiterten Sinn), die von Balmer, Lyman und andere gefunden wurden. 3

4 Bohr Atom Bohr radius : r = A 1 r n = 2 n h ε πm e e E 3 E 2 E 1 Binding (ionisation) energy : E E n 1 4 mee = 2 2 8ε h n 0 = 13.6 ev 2 Bohr sches Atommodell (1913) Die Bohr schen Postulate: 1. Das atomare System hat stationäre (nicht strahlende) Zustände mit bestimmten diskreten Energiewerten 2. Ein atomares System kann seine Energie nur ändern, indem es von einem stationären Zustand in einen anderen stationären Zustand übergeht. 3. Der Bahndrehimpuls beträgt auf diesen Bahnen ein Vielfaches von h /2π (h = Js): L=mvr=nh/2π 4

5 Spektroskopie Wasserstoff Absorptionsspektrum Spektroskopie: Experimenteller Zugang zur Anordnung der Elektronen in der Atomhülle Wasserstoffzelle Absorption Makroskopisch 5

6 Absorption von Licht Photon kann nur absorbiert werden, wenn hν = E 2 -E 1 Sodium Na 1s 2 2s 2 2p 6 3s 1 1 Elektron wie bei Neon Gelbe Linie in Na Flamme: 3p 3s 6

7 Resonanzabsorption in Natrium Wie groß sind Atome? Atome kann man nicht sehen: λ >> Atome Atom 7

8 Auflösung eines Mikroskops und Materiewellen Gutes Objektiv: A = 1.40 (normalerweise darunter) λ = 550nm --> d = 0.2µm Auflösung durch Wellenlänge bestimmt Erhöhung der Auflösung Wellenlänge bestimmt Auflösung Wellenlänge kleiner, Auflösung höher Elektronen sind Materiewellen Wellenlänge von Elektronen λ = h/m v Elektronen mit 60kV beschleunigt λ = 0.005nm 8

9 Licht- Elektronenmikroskop Elektronenlinsen sind keine Linsen Elektronen durch elektrische und magnetische Felder manipuliert Elektronen stoßen einander ab Elektronenlinsen sind nicht perfekt Erzielbare Auflösung 9

10 Röntgenstrahlung W. C. Röntgen Röntgen und Würzburg Physikalisches Institut Röntgenring 8 Ordinarius für Physik Uni Würzburg Nobelpreis

11 Elektromagnetisches Spektrum Transversale EM Wellen Wellenlänge Vakuum Ultraviolett Extrem Ultraviolett Weiche Röntgenstrahlung Harte Röntgenstrahlung Photon Energie Eigenschaften von Röntgenstrahlung unsichtbar und nicht wahrnehmbar durchdringen Materie können gebeugt werden ionisieren Gase verändern Fotoemulsionen regen verschiedene Stoffe zu Lichtemission an verursachen Veränderungen im lebenden Gewebe 11

12 Erzeugung von Röntgenstrahlung Röntgenröhre Wenn beschleunigte Elektronen auf ein Target treffen, werden sie abgebremst. Dabei entstehen Röntgenstrahlen. Röntgenspektren λ Intensität λ Unterschiedliche Materialien λ Spannung verändert Es gibt: Linien charakteristisch für Material Kontinuum Intensität und Spektrum spannungsabhängig 12

13 Arten von Röntgenstrahlung 1. Bremsstrahlung: die Elektronen werden im Coulombfeld der Kerne abgelenkt und verlieren kontinuierlich Strahlungsenergie; 2. Charakteristische Strahlung: Elektronen regen durch Stoßionisation K-Elektronen auf inneren Schalen der Targetatome an. Dabei entsteht ein für das Target (Cu) charakteristisches Emissionsspektrum. Bremsstrahlung 13

14 Bremsstrahlungsspektrum Charakteristische Röntgenstrahlung 14

15 Linienbezeichnung Wechselwirkung Röntgenstrahlung mit Materie Widerstand R Material Röntgenstrahlung Strom in Plattenkondensator Maß für Röntgenintensität 15

16 Experimenteller Befund Aluminium 0.5mm Aluminium 4mm Kupfer 0.5mm Blei 0.5mm Knochen Wasser Holzblock dick Keine Abschwächung ein bisschen nicht viel kein Signal mehr wenig geht durch fast alles geht durch merkbare Abschwächung Energie der Röntgenstrahlung ~ 30keV Abschwächungsmechanismen 16

17 Zusammenfassung Röntgenstrahlung Wenn beschleunigte Elektronen auf ein Target treffen, werden sie abgebremst. Dabei entstehen Röntgenstrahlen. Bremsstrahlung: die Elektronen werden im Coulombfeld der Kerne abgelenkt und verlieren kontinuierlich Strahlungsenergie; Charakteristische Strahlung: Elektronen regen durch Stoßionisation K Elektronen auf inneren Schalen der Targetatome an. Dabei entsteht ein für das Target charakteristisches Emissionsspektrum. Bein Durchgang durch Materie wird Röntgenstrahlung nach exponentiellen Gesetz abgeschwächt. Abschwächkoeffizient prop. zu Z 3 und λ 3 (harte RS kurzwellig, weiche langwellig) Abschwächmechanismen: Klassische Streuung, Photoionisation- Absorption, Comptonstreuung und Paarbildung Strukturaufklärung mit Röntgenbeugung: Bragg (monochromatichs Strahlung Drehkristall) zur Strukturbestimmung, Laue (polychrom. Str,) Orientierung, Debeye-Scherrer (monochrom, Pulver) Struktur polykristall. Substanzen 17

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