3. Weitere Eigenschaften von Atomen: Masse, Isotopie

Transkript

1 1. Einführung 2. Kann man Atome sehen? Größe des Atoms 3. Weitere Eigenschaften von Atomen: Masse, Isotopie 4. Atomkern und Hülle: das Rutherfordexperiment 5. Das Photon: Welle und Teilchen 6. Teilchen als Welle (de Broglie) 7. Heisenbergsche Unschärferelation 8. Das Bohrsche Atomodell 9. Grundlagen der Quantenmechanik 10.Quantenmechanik des Wasserstoffatoms 11.Spin und Bahnmagnetismus 12.Atome im Magnetfeld 13.Experimente zur Drehimpulsquantisierung 14.Mehrelektronenatome das Pauliprinzip 15.Aufbau des Periodensystems 16.Die Molekülbindung 17. Rückblick Größe Masse Innerer Aufbau

2 Periodensystem (1869 Mendelejew, Lothar Meyer) Sortiert nach periodisch wiederkehrenden chemischen&physikalischen Eigenschaften Hassium (von Hessen!) Bei GSI entdeckt 116 Seltene Erden Actinide

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4 Juli 2009: 112 Copernicum

5 Element 116 Yu. Ts. Oganessian, V. K. Utyonkov, Yu. V. Lobanov, F. Sh. Abdullin, A. N. Polyakov, I. V. Shirokovsky, Yu. S. Tsyganov, G. G. Gulbekian, B. S. L. Bogomolov, B. N. Gikal, A. N. Mezentsev, S. Iliev, V. G. Subbotin, C. A. M. Sukhov, O. V. Ivanov, G. V. Buklanov, K. Subotic, M. G. Itkis, D. K. J. Moody, J. F. Wild, N. J. Stoyer, M. A. Stoyer, R. W. Lougheed, E. C. A. Laue, Ye. A. Karelin, A. N. Tatarinov. F. Observation of the decay of , G. Phys. Rev. C 63, / /2 (2001).

6 Element 118 Ninov et al (LBNL) Phys. Rev. Lett. 83, (1999) Eine besonders schwerer Fall von wissenschaftlichem Betrug:

7 Element 118 Ninov et al (LBNL) Phys. Rev. Lett. 83, (1999) Eine besonders schwerer Fall von wissenschaftlichem Betrug:

8 Ordung des Periodensystems Edelgase: He, Ne, Ar, Kr, Xe

9 Quelle:

10 Quelle:

11 Nichtganzahlige Massen: Mittelwert der verschiedenen Isotope d.h. verschiedener Anzahl von Neutronen

12 Vortäge: kommende Woche: Paulfalle: siehe Demtroeder Kapitel ueber Quadrupol Massenspektrometer + Nobelvortrag Wolfgan Paul auf Nobel.se Übernächste Woche: Rutherfordstreuung + Konzept Differentieller Wirkungsquerschnitt

13 Prinzip der Massenspektroskopie (Massenmessung) Massenspektroskopie von ionisierten Atomen und Molekülen

14 Prinzip der Massenspektroskopie (Massenmessung)

15 Massenspektrometer: Geladene Teilchen (Ionen) in elektrischen, magnetischen Feldern Lorentzkraft: F = q * (v x B)!Geschwindigkeitsabhängig Elektrisch: F = q * E Kraft senkrecht auf Bewegungsrichtung -> Kreisbahn radius = m/q * v / B zu bestimmen

16 Massenspektrometer: Geladene Teilchen (Ionen) in elektrischen, magnetischen Feldern Lorentzkraft: F = q * (v x B)!Geschwindigkeitsabhängig Elektrisch: F = q * E Ionenquelle m/q Auflösung durch v begrenzt radius = m/q * v / B Aston 1919 Geschwindigkeitsfocussierung

17 Aston: gekreuzte E und B Felder Ziel: verschiedene Geschwindigkeiten auf gleichen Punkt geschickte Kombination von E und B Ablenkung im E Feld: tan(α) = q E L / mv 2 Ablenkung im B Feld tan(α) = q B L / mv L verschiedene Startwinkel

18 Richtungsfokussierung Sektorfeld

19 Massenspektrometrie: Massenzahl 20!

20

21 Massenspektrometrie immernoch aktuell: "for their development of soft desorption ionisation methods for mass spectrometric analyses of biological macromolecules" Ionisiere biologische Moleküle ohne sie zu zerbrechen!

22 Matrix-assisted Laser Desorption/Ionisation (MALDI)

23 Electrospray

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25 1. Einführung 1.1. Quantenmechanik versus klassische Theorien 1.2. Historischer Rückblick 2. Kann man Atome sehen? Größe des Atoms 3. Weitere Eigenschaften von Atomen: Masse, Isotopie 4. Atomkern und Hülle: das Rutherfordexperiment 5. Das Photon: Welle und Teilchen 6. Teilchen als Welle (de Broglie) 7. Heisenbergsche Unschärferelation 8. Das Bohrsche Atomodell 9. Grundlagen der Quantenmechanik 10.Quantenmechanik des Wasserstoffatoms 11.Spin und Bahnmagnetismus 12.Atome im Magnetfeld 13.Experimente zur Drehimpulsquantisierung 14.Mehrelektronenatome das Pauliprinzip 15.Aufbau des Periodensystems 16.Die Molekülbindung 17. Rückblick Atome Photonen QM erster Blick Atome klassisch Einteilchen QM Mehrteilchen QM

26 4. Atomkern und Hülle: das Rutherfordexperiment Wie ist Ladung und Masse im Atom verteilt? Positive Ladung und Masse delokalisiert oder lokalisiert? Rosinenkuchen-Modell Rutherford Atommodell: Positive Ladung und Masse in ein Punkt ( plumpudding model )

27 4. Atomkern und Hülle: das Rutherfordexperiment Betrachte die STREUUNG geladener Teilchen Streuwinkel ϑ Stoßparameter b Bekannt war: Elektronen haben wenig Masse, d.h. die Ablenkung an den Elektronen ist gering

28 4. Atomkern und Hülle: das Rutherfordexperiment Das Rutherford -Experiment E. Rutherford H. Geiger E. Marsden

29 4. Atomkern und Hülle: das Rutherfordexperiment Das Rutherford-Experiment: Aufbau

30 4. Atomkern und Hülle: das Rutherfordexperiment Das Rutherford -Experiment: Ergebnisse 1) Die meisten α-teilchen gehen durch die Goldfolie nahezu ungestreut hindurch. 2) Einige wenige α-teilchen werden geringfügig abgelenkt (typisch < 2 ). Wahrscheinlichste Ablenkung an der ganzen Goldfolie: ~ ) Ganz wenige Teilchen werden um einen Winkel von mehr als 90 abgelenkt (1 von bei der verwendeten Goldfolie). Rutherford: "It was quite the most incredible event that ever happened to me in my life. It was almost as incredible as if you fired a 15-inch shell at a piece of tissue paper and it came back and hit you"

31 4. Atomkern und Hülle: das Rutherfordexperiment die positive Ladung (und damit fast die gesamte Masse) sind auf einen Radius von weniger als m konzentriert

32 4. Atomkern und Hülle: das Rutherfordexperiment Um diesen Befund qualitativ zu Beschreiben benötigt man das Konzept des Differentiellen Wirkungsquerschnittes das Rutherford Experiment ist nur ein einfaches Beispiel hierfür, das Konzept ist wichtig weit darüber hinaus.

33 4. Atomkern und Hülle: das Rutherfordexperiment Streuwinkel ϑ Stoßparameter b b= Z 1 Z 2 e 2 cotan (ϑ/2) 4πε o µv 2 für Coulomb Abstoßung zwischen Punktteilchen (Winkel und Stoßenergie im CM-System definiert reduzierte Masse µ)

34 4. Atomkern und Hülle: das Rutherfordexperiment Streuwinkel ϑ Stoßparameter b Kann nicht Zielen d.h. kenne b nicht ϑ ist die einzige Messgrösse Schrotgewehr Messung liefert eine Wahrscheinlichkeitsverteilung von ϑ

35 4. Atomkern und Hülle: das Rutherfordexperiment Annahmen: 1) Fläche gleichmäßig bestrahlt 2) Coulomb Abstoßung zwischen Punktteilchen b= Z 1 Z 2 e 2 cotan (ϑ/2) 4πε o µv 2 Differentieller Wirkungsquerschnitt

36 4. Atomkern und Hülle: das Rutherfordexperiment Totaler Wirkungsquerschnitt: Für Reaktionen mit Ja/Nein Ausgang: z.b. Stoß, Absorption, Teilchenerzeugung N reaktion = N projektil F target σ Differentieller Wirkungsquerschnitt: Für Reaktionen mit kontinuierlichem Ausgang: z.b. Streuung in Streuwinkelbereich ϑ, oder Erzeugung eines Teilchens mit Energie im Intervall E Differentieller Wirkungsquerschnitt

37 4. Atomkern und Hülle: das Rutherfordexperiment ϑ

38 4. Atomkern und Hülle: das Rutherfordexperiment Wirkungsquerschnitt 3: allgemeiner differentieller Wirkunsquerschnitt: effektive Fläche, Fläche pro Messintervall für das Eintreten einer Reaktion: z.b. Photoabsorbtionsqueschnitt Anregungsquerschnitt für einen bestimmten Übergang Erzeugung eines Teilchens Emission von 10 Teilchen in 10 verschiedene Richtungen und mit verschiedenen Energien

39 4. Atomkern und Hülle: das Rutherfordexperiment 99eV hν + He He e - e 2 e1 E e1 =E e2 Polarization hier