4. Flüssiger Aggregatzustand Medizinische Biophysik a) Makroskopische Beschreibung b) Mikroskopische Beschreibung c) Oberflächenspannung Struktur der Materie Aggregatzustände: Gase, Flüssigkeiten, feste Körper d) Wasser und seine günstige 5. Fester Aggregatzustand - Kristalle a) Makroskopische Beschreibung b) Mikroskopische Beschreibung c) Kristalltypen d) Apatit e) Gitterfehler 2. Vorlesung 16. 09. 2015 f) Elektronenstruktur (Bändermodell) 6. Fester Aggregatzustand - amorphe Stoffe b) Mikroskopische Beschreibung: 4. Flüssiger Aggregatzustand Eigenvolumen aber keine Eigenform Isotrop Viskosität (s. später bei Transportprozessen) flüssig Keine Eigenform: Nach Deformieren bleibt so, es gibt keine rückstellende Scherkräfte. b) Mikroskopische Beschreibung: Dynamische Nahordnung Mittelstarke Bewegungen Wasser fest Eigenform: Nach Deformieren stellt sich zurück, da es rückstellende Scherkräfte gibt. 1 H-Brücken Isotropie 2 c) Oberflächenspannung Anziehende Wechselwirkungen zwischen den Molekülen Oberflächenspannung, oder spezifische Oberflächenenergie (): Stoff (J/m 2 )* E A Zur Flächenvergrößerung von A nötige Energie J 2 m N m Oberflächenvergrößerung Wasser Wasser 0,073 Blut 0,06 Speichel 0,05 Alkohol 0,023 Quecksilber 0,484 * In Bezug auf Luft, 20 C 3 4 1
Die hohe Oberflächenspannung des Wassers kann Probleme verursachen! Neonatales Atemnotsyndrom RDS=respiratory distress syndrome d) Wasser und seine günstige : hohe spezifische Wärmekapazität, Schmelzwärme und Verdampfungswärme (s. später) hohe Oberflächenspannung gutes Lösungsmittel für viele Stoffe Wassermolekül H-Brücke Weitere Erscheinungen, wobei die Oberflächenspannung eine Rolle spielt: - + Dipol Benetzung Kapillareffekt 5 6 feste Stoffe Kristalle (Festkörper) amorphe Stoffe Mikrokristalline Stoffe 5. Fester Aggregatzustand - Kristalle Eigenvolumen, Eigenform Einkristalle: oft anisotrop; Polykristalle: isotrop z. B. Tantal (Metall) ein Korn Unter dem Mikroskop mehrere Körner Nanokristalline Stoffe Einkristall z. B. Al 2 O 3 Polykristall Polykristall Einkristall (besteht aus mehreren Kristallen) 7 oft anisotrop oft isotrop 8 2
b) Mikroskopische Beschreibung: Fernordnung Periodizität Kristallgitter Schwache Bewegungen (Schwingungen) c) Kristalltypen: Atomkristall (kovalente Bindung) Ionenkristall (Ionenbindung) Diamant Salz Metallkristall (Metallbindung) Molekülkristall (sekundäre Bindung) Gold Eis Zum Beispiel: kubisch hexagonal Bindungsenergie (E 0 ), wie Schmelzpunkt, Schmelzwärme, Steifigkeit, Wärmeausdehnungskoeffizient, 9 10 d) Apatit Ca 10 (PO 4 ) 6 (X) 2 Ca 5 (PO 4 ) 3 X X = OH : Hydroxiapatit F : Fluorapatit ein hexagonales Ionenkristall anorganische Substanz der harten Gewebe (Knochen, Dentin, Zahnschmelz) etwa 2/3 des Knochengewebes e) Gitterfehler: Punktfehler Thermische Fehler Leerstelle (Vakanz, Schottky-Defekt) Interstitium (Zwischengitteratom) Frenkel-Defekt Fremdatome (chemische Fehler, Dotierung) Substitutionsatom Interstitielles Atom (Interstitium) Zahl der Schottky- Defekte (n S ): Aktivierungsenergie ( Bindungsenergie) n N e S S kt Zahl der besetzten Gitterstelle ( Zahl der Atome) Dentin, Knochen: 20-60 nm x 6 nm große Kristalle Zahnschmelz: 500-1000 nm x 30 nm große Kristalle 11 12 3
Thermische Fehler in biologischen Makromolekülen: Zahl der aufgespalteten H- Brücken n N e S S kt Zahl der intakten H- Brücken Gitterfehler!! z. B. optische Al 2 O 3 + Cr 3+ + V2+ Fe 2+ +Ti 4+ +Fe 2+ Versetzungen (Dislokationen) Rubin siehe Rubinlaser NaI NaI + Tl 13 (unter Röntgenbestrahlung) siehe Szintillationskristall in der Nuklearmedizin Praktikum Nukleare Grundmessung 14 z. B. mechanische f) Elektronenstruktur (Bändermodell): z. B. chemische Ca 10 (PO 4 ) 6 (OH) 2 Hydroxiapatit Ca 10 (PO 4 ) 6 F 2 Fluorapatit Kleinere Löslichkeit in Säuren Leitungsband: Von oben gesehen das unterste Energieband, das nicht vollbesetzt ist. Valenzband: Von unten gesehen das oberste Energieband, das noch Elektronen enthält. z. B. elektrische siehe reine und dotierte Halbleiter 15 16 4
Elektrische der Festkörper Bei T = 0 K : Elektrischer Strom = kollektive Wanderung von elektrischen Ladungsträgern (Elektronen, Ionen, ) Dazu sind freie (quasifreie) Ladungsträger nötig. Z. B. Bewegung von Elektronen in einem Metallgitter: zufällige thermische Bewegung + kollektive Wanderung elektrische Kraft + U elektrische Spannung + abwechselnd: Beschleunigung, Abbremsen ständige Energieaufnahme, -abgabe Elektrischer Strom, elektrische Leitung ist nur dann möglich, wenn die Elektronen Ihren Energiezustand um eine geringe Energiemenge ständig ändern können. Breite der Bandlücke (verbotenen Zone): z.b. Al 2 O 3 : = 6,5 ev NaI: = 5 ev z.b. Si: = 1,1 ev Ge: = 0,7 ev 17 siehe die optischen später 18 Eigenhalbleiter (intrinsic Halbleiter) Bei T = 0 K : keine elektrische Leitung Dotierte Halbleiter Grundkristall z.b. Si n-halbleiter 14Si: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 2 p-halbleiter z. B. + P z. B. + B 15P: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 3 5B: 1s 2 2s 2 2p 1 Licht Photoleitung Bei T = 273 K : Annähernd Boltzmann-Verteilung! Elektronen (negative Ladungsträger) Zahl der freien Ladungsträger Defektelektronen, Löcher (virtuelle positive Ladungsträger) σ~ N~e ε 2kT elektrische Leitfähigkeit 19 Elektronenleitung (n-leitung) Löcherleitung (p-leitung) 20 5
6. Fester Aggregatzustand - amorphe Stoffe Eigenvolumen aber keine Eigenform Isotrop sehr hohe Viskosität Z.B. Glas, Harz, Wachs, Bitumen,... Hausaufgaben: Aufgabensammlung 1.43, 44, 47, 49, 50, 52 b) Mikroskopische Beschreibung: Nahordnung Schwache Bewegungen = gefrorene unterkühlte Flüssigkeiten, Gläser! Quartz Glas 21 22 6