Elektronen

Dem Atom auf der Spur Die Welt des ganz Kleinen Atom – Was ist das?

Demokrit (* 460 v. Chr. † 371 v. Chr.) Beruf: Philosoph

Gedankenexperimente... • Der griechische Philosoph Demokrit überlegte sich: Wenn ich eine Stoffprobe halbiere und dann wieder halbiere und wieder halbiere und so fort, so gelange ich zu einem kleinsten, nicht mehr teilbaren Teilchen. Alle Stoffe müssen aus solchen unteilbaren Atomen bestehen... und das vor fast 2400 Jahren!

Es gibt kleinste unteilbare Teilchen = Atome

griechisch:

atomos

John Dalton (1766-1844)

John Dalton‘s Entdeckung... • Dalton, John (1766-1844), britischer Chemiker und Physiker, entwickelte die Atomtheorie, auf der die moderne physikalische Wissenschaft beruht. Dalton wurde 1766 in Eaglesfield als Sohn eines Webers geboren. Unterricht erhielt er von seinem Vater.

• Dalton stellte sich die Atome als kleinste Kugeln verschiedener Grösse vor. Je nach Atomgewicht gehören diese Kugeln verschiedenen Elementen an. Elemente sind die Grundbaustoffe, aus denen alle Materie besteht:

John Dalton`s Atommodell – 4 Kernaussagen: 1. Jedes Element besteht aus kleinsten, nicht weiter teilbaren Teilchen, den Atomen. 2. Alle Atome eines Elements haben die gleiche Grösse und die gleiche Masse. Die Atome unterschiedlicher Elemente unterscheiden sich in ihrer Masse. 3. Atome sind unzerstörbar. Sie können durch chemische Vorgänge weder vernichtet noch erzeugt werden. 4. Bei chemischen Reaktionen werden die Atome der Ausgangsstoffe neu angeordnet und in bestimmten Anzahlverhältnissen miteinander verknüpft.

Atome sindsind Atome kleinste unteilbare kleinste unteilbare Teilchen Teilchen

Versuch mit Papier- und Folienstreifen

Papier

Folie

Papier

Folie

Papier

Papier

Folie

Papier

Folie

Papier besteht aus positiv und negativ geladenen Atombausteinen.

Atome sind kleinste unteilbare Teilchen?

Papier besteht aus positiv und negativ geladenen Atombausteinen.

Atome bestehen aus geladenen Bausteinen

Atome bestehen aus geladenen Bausteinen

Atome bestehen aus geladenen Bausteinen Thomsonsches Atommodell: Ein Atom besteht aus gleichmässig verteilter Masse und positiver Ladung, in denen sich die negativ geladenen Elektronen bewegen.

Diese Model wurde 1903 von Joseph John Thomson entwickelt und wird auch als Plumpudding- oder Rosinenkuchenmodell aufgrund der Anordnung der Elektronen in der Masse, vergleichbar mit Rosinen in einem Kuchen, bezeichnet.

Rutherford dringt ins Innere ein...

• Rutherford, Ernest, Lord of Nelson and Cambridge (1871-1937), britischer Physiker, der für seine bahnbrechende Arbeit in der Kernphysik und für seine Theorie zur Atomstruktur den Nobelpreis erhielt. • Anhand von Strahlungsuntersuchungen stellte Rutherford seine Theorie der Atomstruktur auf, in der das Atom erstmalig als dichter Kern mit ihn umkreisenden Elektronen beschrieben wurde.

Der Streuversuch Der Streuversuch wurde in Manchester von den Physikern Rutherford, Geiger und Marsden durchgeführt. Sie begannen 1906 mit dem Versuch und benötigten sieben Jahre um das Geheimnis des Aufbaus der Atome vorerst zu lösen. Klick dich in den Streuversuch ein. Los geht‘s! • Vorüberlegungen

• Versuchsaufbau • animierte Versuchsaufbau • Durchführung • Beobachtung • Schlussfolgerung

Rutherford, Ernest Rutherford wurde am 30.8.1871 in Neuseeland geboren. Sein Studium schloss er in Cambridge (England) ab. Von da ging er an die Universität Montreal in Kanada. 1907 kehrte er nach England zurück und erhielt 1908 für sein Kern-Hülle-Modell den Nobelpreis. Das Radium für seine Forschungsarbeit bekam er von der Wiener Akademie der Wissenschaften. Nach dem 1. Weltkrieg wollte die englische Regierung das Radium als Eigentum des Feindes beschlagnahmen. Rutherford liess es sich gut bezahlen und unterstützte mit diesem Geld die Wiener Akademie. In sein Familienwappen liess er die Zerfallsund Wachstumskurve radioaktiver Substanzen einarbeiten. Zum Streuversuch von Rutherford Rutherford starb am 19.10.1937.

Streuversuch - Vorüberlegungen Rutherford ging mit seinen Überlegungen vom Rosinenkuchen-Modell aus. Danach sei das Atom eine Kugel, in der sich positive Ladungen diffus aufhalten, wobei dann die Elektronen wie Rosinen in einem Kuchen eingelagert sind. Dieses Atom wäre ausserdem undurchlässig für Teilchen aller Art, egal welche Bewegungsenergie sie auch besitzen würden. Nachdem Philipp Lenard eine Aluminiumfolie mit Elektronen beschoss, kam er zu dem Ergebnis, dass das Atom für Elektronen durchlässig ist. Ausserdem erkannte er, dass bei steigender Bewegungsenergie der negativen Ladungsträger mehr Elektronen die Folie durchdringen. Rutherford wiederholte dieses Experiment auf ähnliche Weise; er beschoss eine Goldfolie mit Alpha-Strahlung, und stellte die Vermutung auf, dass diese Heliumkerne durch die gleichmässig verteilten positiven Ladungen nur wenig in ihrer Flugrichtung beeinflusst und nur in einem Winkel von null bis maximal einem Grad abgelenkt werden. Zum Versuchsaufbau

Streuversuch - Aufbau Zinksulfidschirm

Goldfolie

Mit jeden Klick auf die n-Taste kannst du dir den Aufbau des Streuversuchs von Rutherford animieren lassen! Bleiblock

Du kannst dir aber auch den kompletten Versuch hier ansehen!

Lochblende radioaktives Radium

Zur Versuchsdurchführung

Streuversuch - Aufbau Goldfolie Zinksulfidschirm abgelenktes a-Teilchen a-Teilchen Bleiblock

Lochblende radioaktives Radium Zur Versuchsdurchführung

Streuversuch - Durchführung Von einem Präparat geht Alpha-Strahlung, so genannte AlphaTeilchen aus. Der Bleiblock blendet ein schmales Teilchenbündel aus. Die Alpha-Teilchen treffen auf eine extrem dünne Goldfolie (etwa 100 Atomschichten stark). Hinter der Folie befindet sich ein Leuchtschirm als Nachweisgerät, der um die Folie herum bewegt werden kann. Trifft ein Alpha-Teilchen auf diesen Schirm, erzeugt es einen kleinen Lichtblitz, der durch ein Mikroskop beobachtet und gezählt wird. Der Versuch findet im Vakuum ab.

Zur Versuchs-Animation

Streuversuch - Animation Goldfolie

Bleiblock mit Radium

Animation-Start

Zinksulfidschirm

Streuversuch - Animation Goldfolie

abgelenktes a-Teilchen

Bleiblock mit Radium

a-Teilchen

Animation-Start Zur Beobachtung

Zinksulfidschirm

Streuversuch - Beobachtung Fast alle Alpha-Teilchen durchdringen ungestreut die Folie. Kleine Ablenkwinkel kommen häufiger, grosse ausserordentlich selten vor. Messungen ergaben, dass bei einem Beschuss der Goldfolie mit 132.500 Heliumkernen 132.000 einen Streuwinkel von weniger als 15°, 477 zwischen 15° und 60° und lediglich 33 Alpha-Teilchen zwischen 60° und 150° hatten. Verwendet man Folien unterschiedlichen Materials, so zeigt der Versuch der Messreihen, dass die Wahrscheinlichkeit für die Ablenkung eines Alpha-Teilchens um einen bestimmten Winkel proportional zum Quadrat der Ordnungszahl der Atome des Streumaterials ist. Zur Schlussfolgerung

Streuversuch - Folgerung Da Rutherford in seinem Streuversuch auch Ablenkungen um 180° beobachtete, schlussfolgerte er, dass die Alpha-Teilchen mit Teilchen zusammengestossen sein müssen, deren Massen grösser als die des Alpha-Teilchens sind. Bei kleinerer Masse würde das Alpha-Teilchen keine Richtungsumkehr erfahren, bei gleicher würde es zum Stillstand kommen. Deswegen, so erkannte Rutherford, scheiden Elektronen als Streuzentren aus. Für die Ablenkung der Alpha-Teilchen machte Rutherford die Coulombkraft des Kerns verantwortlich; und da diese umgekehrt proportional zum Quadrat der Entfernung r ist, wird ein Grossteil der Alpha-Strahlung nur gering abgelenkt und abgebremst.

Rutherford schlussfolgerte daher, dass der Raum zwischen dem Kern und der Atomhülle leer sein muss. Des Weiteren überlegte er sich, dass bei einem Auftreffen eines Alpha-Teilchens auf den positiv geladenen Kern (Streuzentrum), die kinetische Energie, in dem Moment, in dem das Alpha-Teilchen die grösstmögliche Annäherung an das Streuzentrum erlangt hat, vollständig in potentielle Energie umgewandelt wird. Demnach kann man für diesen Moment die Energien gleichsetzen. Daraus kann man dann die maximale Grösse eines Atomkerns bestimmen.

Zur Rutherfordschen Atomhypothese

Rutherfordsche Atommodell Aus dem Rutherfordschen Streuversuch leitet sich das Rutherfordsche Atommodell ab:

1. Atome haben einen Durchmesser von ca. 10 -10 m. (=1/1010 m) 2. Nahezu 99,9% der gesamten Masse ist jedoch im Atomkern konzentriert. 3. Die gesamte positive Ladung befindet sich in Form von Protonen im Kern. 4.

Die negativen Ladungen befinden sich in Form von Elektronen im Raum um den Atomkern.

5. Dieser Raum wird als Atomhülle bezeichnet. 6. Die Elektronen umkreisen den Kern auf beliebigen Bahnen. 7. Diese Bahnen bestimmen die Grösse des Atoms. 8. Zwischen den Elektronen ist leerer Raum. 9. Die Kraft zwischen den Elektronen und dem Kern ist die elektrostatische Anziehungskraft. Man bezeichnet das Rutherforsche Atommodell auch als Kern-Hülle-Modell

Das Kern-Hülle-Modell Das Kern-Hülle-Modell von Rutherford beinhaltet, dass die Atome aus noch kleineren Teilchen aufgebaut sind. Nach diesem Modell sind Atome aus einem Kern und einer Hülle aufgebaut. Der Atomkern (Nuklid) enthält eine bestimmte Anzahl positiver Ladungen, die man Protonen nennt. Die Gesamtheit aller Protonen im Kern ergibt die Kernladungszahl (Z), die der Ordnungszahl entspricht. Neben Protonen enthält der Kern elektrisch neutrale Neutronen . Protonen und Neutronen werden als Nukleonen bezeichnet. Die Anzahl der Nukleonen ergeben die Massenzahl (A) des Atoms. Die Atomhülle besteht aus negativ geladenen Elektronen . Die Anzahl der Elektronen in der Hülle entspricht der Anzahl der Protonen im Kern. Dadurch ist das Atom nach aussen elektrisch neutral.

Radioaktive Strahlungsarten Instabile Kerne, welche zerfallen, tun dies nicht willkürlich, sondern sie befolgen bestimmte Gesetzmässigkeiten: Es sind die drei klassischen Arten der radioaktiven Strahlung: alpha-Strahlung: Aussendung eines 42 He-Kerns (alpha-Teilchen) aus dem instabilen Kern. Es wird ein ganzes Paket 2 Protonen und 2 Neutronen gleichzeitig aus dem Kern gesandt. Bsp: 21084 Po  20682 Pb + 42He

beta-Strahlung: Umwandlung eines Neutrons in ein Proton und ein Elektron. Das Elektron entsteht direkt im Kern und wird sogleich emittiert (ausgesandt). Es entsteht zusätzlich ein Neutrino. Bsp: 146 C  147 N + e-

gamma-Strahlung: Aussendung hochenergetischer Strahlung (gamma-Quanten Röntgenstrahlung) aus dem instabilen Kern. Die gamma-Strahlung ist meist Begleitstrahlung und verändert weder die Massenzahl noch die Ordnungszahl.

Atome bestehen aus geladenen Bausteinen Name

Ladung

Elektron

-1

Proton

+1

Atome bestehen aus geladenen Bausteinen Name

Ladung

Elektron -1 Proton

+1

Masse

Atome bestehen aus geladenen Bausteinen Name

Ladung

Masse

Elektron -1 Proton

+1

1u

1 u = 1,66 · 10−24 g 1 u = 0,000 000 000 000 000 000 000 001 660 g

Atome bestehen aus geladenen Bausteinen Name

Ladung

Masse

Elektron -1

0,0005 u

Proton

1u

+1

1 u = 1,66 · 10−24 g 1 u = 0,000 000 000 000 000 000 000 001 660 g

Atome bestehen aus geladenen Bausteinen Name

Ladung Masse

Jahreszahl der Entdeckung

Elektron-1

0,0005 u 1891

Proton +1

1u

1898

1 u = 1,66 · 10−24 g 1 u = 0,000 000 000 000 000 000 000 001 660 g

Name

Ladung Masse

Jahreszahl der Entdeckung

Elektron-1

0,0005 u 1891

Proton +1

1u

Neutron

1898 1930

Atome bestehen aus Elementarbausteinen Name

Ladung

Masse

Jahreszahl der Entdeckung

Elektron -1

0,0005 u

1891

Proton

1u

1898

1u

1930

+1

Neutron 0

Vor allem für Physiker interessant … es geht noch kleiner … Die Elektronen sind nach heutigem Wissen unteilbar. Protonen und Neutronen aber bestehen aus „Quarks“. In Neutronen und Protonen befinden sich je zwei Arten von Quarks, die up-Quarks und die down-Quarks.

Zwischenhalt: Vorstellungen über den Bau der Materie • Demokrit denkt sich das Unteilbare, das Atom • Dalton entwirft ein Atommodell • Rutherford formuliert das Kern-Hüllenmodell Bohr spricht von Elektronenschalen Kimball postuliert Elektronenwolken Schrödinger und Heisenberg entdecken Orbitale ...

• Jedes Modell erklärt auf seine Weise Naturerscheinungen, aber noch niemand hat je ein Atom sehen können!

Bohr gliedert die Hülle in Schalen... • Niels Bohr (1885-1962), dänischer Physiker und Nobelpreisträger, lieferte wichtige und grundlegende Beiträge zur Kernphysik sowie zum Verständnis des atomaren Aufbaus.

• Nach Bohr umlaufen die Elektronen den Kern in verschieden grossen Bahnen. • Diese nennt er Elektronenschalen und gibt ihnen den Namen K-Schale, L-Schale, M-Schale, N-Schale usw.

Bohr‘sches Atommodell... Neutronen elektrisch neutral

Protonen positiv geladen

Atomkern

Atomhülle

Bohr‘sches Atommodell... K-Schale Neutronen elektrisch neutral

Protonen positiv geladen

Atomkern

Elektronen negativ geladen

L-Schale M-Schale

Atomhülle

Bohr‘sches Atommodell... Merke dir folgende Begriffe rund um das Atommodell:

Atomhülle

Proton

Neutron

Symbol

Nukleonen

Atomkern

Name

Ladung

positiv

neutral

Name d. Schale Anordnung

Machen fast das gesamte Gewicht des Atoms aus!

Elektron

negativ K-Schale

max. 2

Elektron

negativ L-Schale

max. 8

Elektron

negativ M-Schale

max.18

Bohr‘sches Atommodell... • Jede Schale kann nur eine ganz bestimmte, höchste Anzahl Elektronen aufnehmen. • Diese Elektronenzahl lässt sich sehr einfach berechnen:

Maximale E-Zahl = 2 * (Schalennummer) 2 Schale Schalennummer K 1. Schale L 2. Schale M 3. Schale N 4. Schale O 5. Schale P 6. Schale Q 7. Schale

Formel = 2 * 12 = 2 * 22 = 2 * 32 = 2 * 42 = 2 * 52 = 2 * 62 = 2 * 72

max. Elektronenzahl = 2 Elektronen = 8 Elektronen = 18 Elektronen = 32 Elektronen = 50 Elektronen = 72 Elektronen = 98 Elektronen