5. Die Physik der Atomhülle

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1 Protokoll vom Lukas Heberger 5. Die Physik der Atomhülle 5.1 Die frühen Atommodelle Von Demokrit bis Dalton a) Demokrit (um v.chr.) - Es gibt unveränderliche kleinste Teilchen (= atomos [Atomos] = Atom) - Diese bestehen aus dem gleichen Grundmaterial - Sie unterscheiden sich in Größe, Form und Bewegung - Sie können sich zusammenlagern und trennen - Sie entsprechen den heutigen Elementarteilchen Demokrit glaubte, dass die Atome so klein seien, dass sie niemand sehen kann, weiter schrieb er den Atomen eine Vielfalt von Formen, Gestalten und Größen zu. Er stellte sich vor, dass die einen hakenartige Bogen sind, andere muldenartig eingebuchtet, oder nach außen gewölbt sind. Demokrit und auch sein Vorgänger Leukipp (5.Jhdt v.chr.) behaupteten, dass alle Körper aus Atomen aufgebaut sind, und sich alle Veränderungen, die wir in unserer Umwelt beobachten, durch die Bewegung der Atome erklären lassen. Demokrit b) Dalton (engl ) - Materie besteht aus unteilbaren Atomen - Zu jedem Element gibt es eine Atomart - Atome sind unwandelbar - chemische Verbindungen: sind Zusammenlagerungen von Atomen (verbunden durch Haken und Ösen à chemische Gesetze: Erhaltung der Masse Konstante Proportionen: z.b. (1Mol Na + 1Mol CL) Multiple Proportionen: z.b. (CuO, Cu O 3 ) Avogadro Konstante: Anzahl pro Mol

2 1808 formulierte Dalton sein Atommodell, welches scheinbar gegenüber den Überlegungen der griechischen Denker keine großen Erweiterungen bot: Atome sind unteilbar e, massive Teilchen. Dalton blieb aber im Gegensatz zu den Griechen nicht bei dieser Formulierung stehen, sondern präzisierte sie und zog daraus wissenschaftlich verwertbare Schlüsse: - Elemente bestehen aus Atomen der selben Art. - Atome verschiedener El emente unterscheiden sich durch Gestalt und Gewicht. - "Zusammengesetzte Atome" (= Moleküle) bestehen aus Atomen verschiedener Art. - Moleküle sind in bezug auf Zusammensetzung und Größe genau definierte Atomverbände, die Atome verbinden sich dabei i n einfachen ganzen Zahlenverhältnissen. Moleküle einer Verbindung sind untereinander identisch. - Bei chemischen Reaktionen finden Umordnungen in den Atomverbänden statt, ohne dass die Atome selbst verändert werden. c) Defizite - Ionisierung à (Ladung) - Elektrolyse - Gasentladung (à Licht) - Spektrallinien - Radioaktivität d) Thomson ( ) - Atome sind mit positiv geladener Masse gefüllt - negative Elektronen sind in diese Masse eingelagert - Nach der kinetischen Gastheorie verhalten sich die Atome wie elastische Kugeln

3 5.1.. Das Rutherford-Modell Joseph John Thomson schuf das erste Atommodell. Bei seinem Modell, das auch "Rosinenkuchen" genannt wird, sind die negativen Elektronen im positiven Atom eingebettet. Er glaubte, dass die Elektronen vom Mittelpunkt des Atoms sehr stark angezogen werden, dass sie sich aber gegenseitig abstoßen. Daraus schloss er nun, dass sich die Elektronen nur an ganz bestimmten Stellen des Atoms aufhalten können. Weiter vermutete er, dass ein Elektron, oder sog ar mehrere Elektronen am Rand des Atoms sitzen und somit leicht abgegeben oder aufgenommen werden können: aus dem Atom wird ein Ion. a) Der Versuch von Lenard - Schnelle Elektronen durchdringen auch Atomschichten - Die Masse der Atome ist nicht gleichmäßig verteilt Mit einem Linearbeschleuniger werden negative Elektronen von der Kathode zur Anode hin beschleunigt, durchfliegen ein kleines Loch in der Anode. Durch die hohe Spannung von 40kV und der daraus resultierenden hohen Geschwindigkeit durchdringen einige der beschleunigten Elektronen ein am Ende des Linearbeschleuniger befestigtes Aluminiumfenster von ca Atomschichten Dicke. Die austretenden Elektronen bringen einen Fluoreszenzschirm zum Leuchten. b) Der Versuch von Rutherford

4 Ein a-strahler, bestehend aus einem Bleikasten, der vorne ein Loch hat um die Strahlung des sich im Inneren befindlichen He++Elementes überall hin außer nach vorne abzuschirmen, sendet a-strahlen auf eine 100 Atomlagen dicke Goldfolie. Ein Schirm fängt die abgelenkte Strahlung auf. Im Schirm befinden sich Löcher, wo die Strahlung hindurch auf sogenannte Zählrohre fallen kann. - Fast alle a-teilchen durchdingen die Goldfolie - Einige werden abgelenkt z.t. mehr als 90 - Die Wahrscheinlichkeit für große Ablenkungen nimmt mit dem Quadrat der Ordnungszahl Z des Folienmaterials zu c) Das Rutherford-Modell - Die Atommasse ist auf den Kern konzentriert - Der Kern enthält die gesamte positive Ladung - Die Elektronen bilden die Hülle des Atoms - Die Atome halten die Hülle durch elektrostatische Anziehung der kreisenden Elektronen F el = F r 1 Z e e me v = 4pe r r 0 Exkurs: Coulombkraft: Q 1 Q F el Kernladung: Ze Elektron: e 1 Q1 F el = 4 pe 0 r Q

5 d) Deutung der Rutherfordstreuung a-teilchen - Die Atomhülle wird ohne Wechsel- Wirkung Durchdrungen - Die Ablenkung geschieht durch Abstoßung an den positiv geladenen Kernen (elektrostatische Kräfte) Kurz nachdem Thomson das Elektro n entdeckt hatte, stellte Thomsons Freund und Partner Ernest Rutherford, der ein sehr bedeutender Mann in der Physik war, in zahlreichen Forschungsarbeiten sehr wichtige Untersuchungen zur Radioaktivität an. Nachdem Rutherford seine zeitaufwendigen Versuch e beendet hatte, konnte er zwei verschiedene Strahlungsarten nachweisen, die von Uran emittiert werden, und er bezeichnete sie als Alpha - und Betastrahlen. Rutherford und auch andere Physiker, die sich mit diesem Gebiet der Physik beschäftigten, kamen zum einstimmigen Entschluss, dass die Betastrahlen Kathodenstrahlen, also Elektronen sind. Doch Rutherford konnten das "Geheimnis der Alphastrahlen" nicht lüften. Rutherford hatte die Vermutung, dass die Alpha -Strahlen Teilchen sind, elektrisch geladene Atome, die mit einer sehr hohen Geschwindigkeit ausgeschleudert werden, doch seine Vermutungen konnte er nicht beweisen. Bewiesen war nur, dass die Alphastrahlen ein Blatt Papier nicht durchdringen können, und dass sie von einem Magnetfeld leicht abgelenkt werde n. Lukas Heberger