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. 1: Einleitung: Atomphysik und Quantenmechanik haben a) weitreichende Implikationen für unser Weltbild b) Immense technische Bedeutung 2. Historischer.

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1 . 1: Einleitung: Atomphysik und Quantenmechanik haben a) weitreichende Implikationen für unser Weltbild b) Immense technische Bedeutung 2. Historischer Rückblick 2.1 Atomtheorie seit den Griechen 2.2. Die Avogadro Konstante (das MOL) Genaue Bestimmung von N A aus Kristallen Bragg Reflexion/ Braggsches Drehwinkel Verfahren Laue Verfahren Debye Scherer Verfahren Nachtrag:

2 Anthracen Elektronendichteverteilung in Anthracen (Röntgenbeugung) Details der Streuung hängen nicht nur von den Kernen sondern von der Elektronendichteverteilung ab!

3 3: Kann man Atome sehen???? 3.1: Wie gross sind Atome Bestimmung aus dem Kovolumen : Röntgenbeugung an Kristallen Über Gasstreuung: Wirkungsquerschnitt

4 Was ist ein Wirkungsquerschnitt (totaler Querschnitt) (1): Bsp: Wald Fläche auf der die Wirkung Eintritt (z.B. Stoß) Wirkungsquerschnitt: = (A+B) 2 Bei Teilchen kein Kontakt sondern Reichweite der Kraft und Wahrscheinlichkeit! (Bsp. TORWART: a) Reichweite, b)Wahrscheinlichkeit) Gesucht! N reaktion = N projektil F target Flächendichte (Teilchen/cm 2 ) des Targets N projekti l

5 N rest = N projektil (1 – e -F L ) N projekti l x N rest L Voraussetzung: Target so dünn, daß Teilchen nicht überlappen! Allgemein: Messe Wirkungsquerschnitt über Abschwächung des Strahls Od. Mittlere Freie Weglänge im Gas

6 Verschiedene Verfahren liefern unterschiedliches Ergebnis! -> Bild von Atom als Kugel der Radius man so bestimmt ist grobe Näherung Bsp: Atomradius aus Kovolumen Aus Gitterkonstante Neon A ( m) Argon A

7 3: Kann man Atome sehen???? 3.1: Wie gross sind Atome Bestimmung aus dem Kovolumen: Röntgenbeugung an Kristallen Über Gasstreuung: Wirkungsquerschnitt 3.2 Licht von (einzelnen) Atomen (Falle)

8 Kann man Atome sehen? Kann man mit einzelnen Atomen experimentieren??? 3.2. Licht von einzelnen Atomen

9 Das Ion Astrid Stimulierte Lichtemission von Ionen in Paulfalle (W. Paul Nobelpreis 1989)

10 (Arbeitgruppe Werth, Mainz) Cs + Ionen in Paulfalle Stimulierte Lichtemission von Ionen in Paulfalle (W. Paul Nobelpreis 1989) Paulfalle wird Montag behandelt

11 3.3 Spuren von Atomen/Ionen in Nebelkammern Teilchen (Heliumkerne) Mit Magnetfeld Stoß

12 3: Kann man Atome sehen???? 3.1: Wie gross sind Atome Bestimmung aus dem Kovolumen: Röntgenbeugung an Kristallen Über Gasstreuung: Wirkungsquerschnitt 3.2 Licht von (einzelnen) Atomen (Falle) 3.3 Spuren von Atomen (Nebelkammer) 3.4 Abtasten (Rastertunnelmikroskop)

13 Das Rastertunnelmikroskop : Heinrich Rohrer und Gerd Binnig, Nobelpreis Atome sehen durch Abtasten: Until the age of 31, I lived partly in Frankfurt and partly in Offenbach, a nearby city.... While studying physics, I started to wonder whether I had really made the right choice. Especially theoretical physics seemed so technical, so relatively unphilosophical and unimaginative.... My education in physics gained some significance when I began my diploma work in Prof. Dr. W. Martienssen's group, under Dr. E. Hoenig's guidance. I realized that actually doing physics is much more enjoyable than just learning it.... I have always been a great admirer of Prof. Martienssen, especially of his ability to grasp and state the essence of the scientific context of a problem.... aus Gerd Binnig Autobiographie

14 Siliziumoberfläche STM Aufnahme Fehlstelle Verschiebung mit Piezos 3 Dimensional Dämpfung!!! Messung des Tunnelstroms (wird konstant gehalten durch Höhenvariation)

15 Atome nicht nur sehen, sondern einzeln manipulieren: C60 Moleküle als Rechenschieber (1996) Einzelne Xenon Atome, bei –273K (IBM 1989)

16 3: Kann man Atome sehen???? 3.1: Wie gross sind Atome Bestimmung aus dem Kovolumen: Röntgenbeugung an Kristallen Über Gasstreuung: Wirkungsquerschnitt 3.2 Licht von (einzelnen) Atomen (Falle) 3.3 Spuren von Atomen (Nebelkammer) 3.4 Abtasten (Rastertunnelmikroskop) 4. Isotopie und Massenbestimmung

17 4: Isotopie und Massenbestimmung Periodensystem (1869 Mendelejew, Lothar Meyer) Sortiert nach periodisch wiederkehrenden chemischen&physikalischen Eigenschaften Seltene Erden Actinide Hassium (von Hessen!) Bei GSI entdeckt

18 Ordnungszahl Ionisationsenergie Edelgase: He, Ne, Ar, Kr, Xe

19 Quelle:

20

21 4: Isotopie und Massenbestimmung Nichtganzahlige Massen: mittelwert der verschiednen Isotope d.h. verschiedener Anzahl von Neutronen

22 Massenspektrometer: 1)Erzeuge geladene Teilchen: z.B. Elektronenstoßionisation (beschleunige Elektronen die Ionisieren, erzeugt Plasma, siehe Leuchtstoffröhre) Laserfeld: Feldionisation 2) Analysiere q/m durch elektrische Felder magnetische Felder Flugzeit zeitabhängige Felder Lorentzkraft: F = q * (v x B) !geschwindigkeitsabhängig Elektrisch: F = q * E

23 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

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

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

26 Richtungsfokussierung Sektorfeld

27 Massenspektrometrie: Massenzahl 20! –

28 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!

29 Quadrupol Massenspektrometer Wolfgang Paul Nobelpreis 1989 Wechselfelder Näheres: Montags Ergänzungen

30 3: Kann man Atome sehen???? 3.1: Wie gross sind Atome Bestimmung aus dem Kovolumen: Röntgenbeugung an Kristallen Über Gasstreuung: Wirkungsquerschnitt 3.2 Licht von (einzelnen) Atomen (Falle) 3.3 Spuren von Atomen (Nebelkammer) 3.4 Abtasten (Rastertunnelmikroskop) 4. Isotopie und Massenbestimmung 5. Kernstruktur des Atoms Rutherfordstreuung differentieller Wirkungsquerschnitt

31 5: Kernstruktur des Atoms Wie ist Ladung und Masse im Atom verteilt? Positive Ladung und Masse lokalisiert oder delokalisiert?

32 5: Kernstruktur des Atoms Betrachte die STREUUNG geladener Teilchen Stoßparameter b Streuwinkel

33 5: Kernstruktur des Atoms Stoßparameter b Streuwinkel Z 1 Z 2 e 2 b= 4 o 2mv 2 sin 2 ( /2) für Coulomb Abstoßung zwischen Punktteilchen

34 5: Kernstruktur des Atoms Stoßparameter b Streuwinkel Z 1 Z 2 e 2 b= 4 o 2mv 2 sin 2 ( /2) Kann nicht Zielen d.h. kenne b nicht ist die einzige Messgröße Schrotgewehr

35 Was ist ein Wirkungsquerschnitt (differentieller Querschnitt) (2): Bsp: Wald Fläche auf der die Wirkung Eintritt (z.B. Stoß) N reaktion = N projektil F target Flächendichte (Teilchen/cm 2 ) des Targets N projekti l Zufällige Verteilung aller Stoßparameter ist proportional zur Wahrscheinlichkeit daß eine Reaktion Eintritt, wenn man zufällig (alle Stoßparameter) bestahlt.

36 Was ist ein Wirkungsquerschnitt (differentieller Querschnitt) (2): N projekti l Zufällige Verteilung aller Stoßparameter Wahrscheinlichkeit in einen Winkel zu streuen

37 Z 1 Z 2 e 2 b= 4 o 2mv 2 sin 2 ( /2) d.h.für reine Coulombstreuung an Punktteilchen erwartet man eine Wahrscheinlichkeitsverteilung der Streuwinkel 1/sin( /2) 4

38 Rutherford/Geiger/Marsden Streuexperiment Radon Gas emittiert Teilchen Blendenkanal für gerichteten Strahl Dünne Gold Folie Evakuieren damit an Gold, nicht an Luft gestreut wird Mikroskop mit Szintillationsschirm (drehbar)

39 Rutherford/Geiger/Marsden Streuexperiment

40 Setzt reine Coulombstreuung voraus. d.h. wenn Kernberührung -> Abweichungen! Coulomb Schwelle (einige MeV/u) Energie fest, detektiere Streuwinkel

41 Setzt reine Coulombstreuung voraus. d.h. wenn Kernberührung -> Abweichungen! Winkel fest, variiere Energie

42 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


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