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WIW - HTL – St. Pölten 3. Der Aufbau der ATOME Buch Seite 15 - 16.

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Präsentation zum Thema: "WIW - HTL – St. Pölten 3. Der Aufbau der ATOME Buch Seite 15 - 16."—  Präsentation transkript:

1 WIW - HTL – St. Pölten 3. Der Aufbau der ATOME Buch Seite 15 - 16

2 WIW - HTL – St. Pölten Atomtheorien Geschichtlicher Überblick 460 v.Chr: Demokrit: - kleinste, unteilbare Materieteilchen atomos

3 WIW - HTL – St. Pölten Atomtheorien Geschichtlicher Überblick 460 v.Chr: Demokrit: - kleinste, unteilbare Materieteilchen atomos 1808 John Dalton (1766 - 1844) : Atome sind unteilbar! –Chemische Elemente bestehen aus extrem kleinen Teilchen: Atome –bei chemischen Reaktionen werden Atome verbunden oder getrennt –Verbindung (mind. 2 Atomsorten in einem festen Mengenverhältnis)

4 WIW - HTL – St. Pölten Atomtheorien Geschichtlicher Überblick 460 v.Chr: Demokrit - kleinste, unteilbare Materieteilchen 1808 John Dalton (1766 - 1844) : Atome sind unteilbar! 1817/29 W. Döbereiner: Elementgruppen (Triaden)

5 WIW - HTL – St. Pölten Atomtheorien Geschichtlicher Überblick 460 v.Chr: Demokrit - kleinste, unteilbare Materieteilchen 1808 John Dalton (1766 - 1844) : Atome sind unteilbar! 1817/29 W. Döbereiner: Elementgruppen (Triaden) 1869 L. Meyer und D. Mendelejew: Periodensystem

6 WIW - HTL – St. Pölten Atomtheorien Geschichtlicher Überblick 460 v.Chr: Demokrit - kleinste, unteilbare Materieteilchen 1808 John Dalton (1766 - 1844) : Atome sind unteilbar! 1817/29 W. Döbereiner: Elementgruppen (Triaden) 1869 L. Meyer und D. Mendelejew: Periodensystem 1896 Becquerell : Uran – Stahlung 1898 Marie und Pierre Curie: Polonium, Radium 1903 Rutherford: Radioaktiver Zerfall!

7 WIW - HTL – St. Pölten Radioaktivität 1895 Röntgen – Röntgenstrahlen 1896 Henry Becquerel – Radioaktivität Marie und Pierre Curie – Pechblende (UO 2 ) Polonium, Radium (10 -5 %)

8 WIW - HTL – St. Pölten Wirkung radioaktiver Strahlung Symbol Art der Strahlung Elektrische Ladung Licht- geschwindig- keit Reichweite in Luft Strahlung abgeschirmt durch α-Strahlung: Heliumkerne + 2ca. 10 %einige cmPapier ß-Strahlung: Elektronen - 1ca. 90%Einige mGlasplatte γ-Strahlung: Elektro- magnetische Wellen 0100 %einige 100 mBlei Strahlenschäden durch hohe empfangene Strahlenmengen: physikalische Prozessen: Ionisation und Anregung chemische Reaktionen stören Lebensvorgänge Gefährliche Stahlung: γ von außen, α von innen!

9 WIW - HTL – St. Pölten Natürliche Radioaktivität: α,β,γ

10 WIW - HTL – St. Pölten Radioaktivität: α-Zerfall Abstrahlung von He-Kernen: 4 2 He 2+ Abgabe von 2 Protonen und 2 Neutronen des strahlenden Nuklids –Abnahme der Neutronenzahl um 2 –Abnahme der Protonenzahl um 2 –Massenzahl minus 4, Kernladung minus 2! Beispiele: 238 92 U 234 90 Th + 4 2 He 2+ (Halbwertzeit 1,2·10 7 s) 210 84 Po 206 82 Pb + 4 2 He 2+ (stabil)

11 WIW - HTL – St. Pölten Radioaktivität: β-Zerfall β - –Emission: Elektronenabgabe aus Kern!!! Umwandlung eines Neutrons in ein Proton und ein Elektron –Abnahme der Neutronenzahl um 1 –Zunahme der Protonenzahl um 1 –Massenzahl bleibt unverändert, Kernladung um 1 erhöht! 234 90 Th 234 91 Pa + e - (Halbwertzeit 2,1·10 6 s) 14 6 C 14 7 N + e - (Halbwertzeit 1,8·10 11 s) Zerfallsreaktion zur C-14 - Altersbestimmung

12 WIW - HTL – St. Pölten Radioaktivität: γ-Zerfall γ-Strahlen: –Röntgen 1895: neue Strahlenart entdeckt –Eigenschaften: unsichtbar! keine Beeinflussung durch elektrische und magnetische Felder! –Erzeugung von Fluoreszenstrahlung –Schwärzung von Photoplatten –Ionisation von Gasen –hohe Durchdringungsfähigkeit –energiereiche, hochfrequente (sehr kurzer Wellenlängen) elektromagnetische Wellen aus der Elektronenhülle durch Energieänderung der Elektronen Neutronenstrahlen: sind energiereiche Neutronen

13 WIW - HTL – St. Pölten Isotope - Radioaktivität OZSymb.ElementMZMasse [u]Häufigkeitt 50 α/β/γα/β/γ 1 1H+1H2H3T1H+1H2H3T Proton Wasserstoff Deuterium Tritium 11231123 1,007276 1,007825 2,014102 3,014949 - 99,985 0,015 - - - - 12,26 a ---e----e- 2 4 He 2+ 3 He 4 He 5 He 6 He 7 He -Teilchen Helium 434567434567 4,001507 3,016030 4,002604 5,012296 6,018900 - - 0,00013 99,9998 - - - - - - 2·10 -21 s 0,81 s - - - n, e - e - 3 5 Li 6 Li 7 Li 8 Li 9 Li Lithium5678956789 5,012541 6,015126 7,016005 8,022488 9,027300 - 7,42 92,58 - - ca.10 -21 s - - 0,85 s 0,17 s p, - - e - e -

14 WIW - HTL – St. Pölten Isotope - Radioaktivität OZSymb.ElementMZMasse [u]Häufigkeitt 50 α/β/γα/β/γ 4 6 Be 7 Be 8 Be 9 Be 10 Be 11 Be Beryllium6 7 8 9 10 11 6,019780 7,016931 8,005308 9,012186 10,013535 11,021660 - - - 100 - - 4·10 -21 s 53 d 3·10 -16 s - 2,7·10 6 a 13,6 s - e - e -, 5 8 B 9 B 10 B 11 B 12 B 13 B Bor8 9 10 11 12 13 8,024612 9,013335 10,012939 11,009305 12,014353 13,017779 - - 19,6 80,4 - - 0,78 s - - - 0,020 s 0,035 s e + p, - - e -, e -

15 WIW - HTL – St. Pölten Isotope - Radioaktivität OZSymb.ElementMZMasse [u]Häufigkeitt 50 α/β/γα/β/γ 6 10 C 11 C 12 C 13 C 14 C 15 C 16 C Kohlenstoff10 11 12 13 14 15 16 10,016830 11,011433 12,000000 13,003354 14,003242 15,010600 16,014702 - - 98,89 1,11 - - - 19 s 20,5 min - - 5760 a 2,25 s 0,74 s e +, e + - - e - e -, e - 7 12 N 13 N 14 N 15 N 16 N 17 N Stickstoff12 13 14 15 16 17 12,018709 13,005739 14,003074 15,000108 16,006089 17,008449 - - 99,63 0,37 - - 0,011 s 10,0 min - - 7,35 s 4,14 s e + e + - - e -, e -

16 WIW - HTL – St. Pölten Radioaktivität: Halbwertszeit Zerfallsreihe: N (t) = N 0 · e -k·t Halbwertszeit: N = 1/2 N 0 daher: nach 10 Halbwertszeiten ca. 1 Promille! Je kürzer die Halbwertszeit, desto mehr Strahlung wird abgegeben: Aktivität = Zerfallsakte pro Sekunde (Einheit: 1 Bq - Becquerel = 1/s) NuklidHalbwertszeit Uran-2384,5*10 9 Jahre Kalium-401,3* 10 9 Jahre Kohlenstoff-145.730 Jahre Radium-2261.600 Jahre Strontium-9028 Jahre Tritium12,3 Jahre Cobalt-605,3 Jahre Polonium-210138 Tage lod-1318 Tage Polonium-2141,6 *10 -7 Sekunden

17 WIW - HTL – St. Pölten Radioaktive Elemente OZNameOZNameOZName 43Technetium91Protactinium101Mendelevium 61Promethium92Uran102Nobelium 84Polonium93Neptunium103Lawrencium 85Astat94Plutonium104Rutherfordium 86Radon95Americium105Dubnium 87Francium96Curium106Seaborgium 88Radium97Berkelium107Bohrium 89Actinium98Californium108Hassium 90Thorium99Einsteinium109Meiternium 100Fermium110Darmstadtium Elementnamen nach IUPAC 1997: bis 109 festgelegt! Blaue Elemente – ab Americium nur künstlich herzustellen! Rote Elemente – ab Polonium radioaktive Elemente: schwere Kerne enthalten mehr Protonen, die sich gegenseitig abstoßen!

18 WIW - HTL – St. Pölten Radioaktivität Nuklide mit Ordnungszahlen >83 geben α-, β-Strahlung ab stabile Nuklide! 3 natürliche Zerfallreihen: 238 U 206 Pb 235 U 207 Pb 232 Th 208 Pb

19 WIW - HTL – St. Pölten Kernenergie - Atomkraft Wärmeenergie aus Masseverlusten in Atomen! Kernspaltung von Uran-235 in Kraftwerken: 235 92 U + 1 0 n 89 36 Kr + 144 56 Ba + 3 1 0 n + Δ W Restrisiko für Unfälle: Moderation durch H 2 O, D 2 O, C Wiederaufbereitung der Brennstäbe Endlagerung strahlender Abfälle: lange Halbwertszeit vieler Nuklide Kernkettenreaktionen in Atombomben: Kernreaktoren liefert Material für Atomwaffen Spontane Spaltungen: 238 92 U 137 52 Te + 98 40 Zr + 3 1 0 n

20 WIW - HTL – St. Pölten Kernspaltung

21 WIW - HTL – St. Pölten Kernspaltung

22 WIW - HTL – St. Pölten

23 Kernfusion Verschmelzung leichter Atomkerne Sonne wird durch Kernfusion geheizt: 4 1 1 H 4 2 He + 2 e + + Δ W (26,1 MeV) Positronen (e + ): positiv geladene Elementarteilchen Kernfusion in Wasserstoffbombe 1991 kontrollierte Kernfusion: D + T 2 1 H + 3 1 H 4 2 He + 1 0 n + Δ E (17,6 MeV) Plasma durch ein Magnetfeld eingeschlossen. 2 Sekunden, Temperatur ca. 170 Millionen°C mehr Energie aufgewendet, als gewonnen

24 WIW - HTL – St. Pölten Radioaktive Isotope als Marker Quelle: The New York Times

25 WIW - HTL – St. Pölten 3. Der Aufbau der ATOME Das Kern-Hülle-Modell des Atoms Buch Seite 16 - 17

26 WIW - HTL – St. Pölten Atomtheorien Geschichtlicher Überblick 460 v.Chr: Demokrit - kleinste, unteilbare Materieteilchen atomos 1808 John Dalton (1766 - 1844) : Atome sind unteilbar! 1911 Atommodell von E. Rutherford

27 WIW - HTL – St. Pölten Atommodell nach Rutherford 1911 Strahl aus α-Teilchen fast geradlinig durch 0,004 mm Gold-Folie Atomkern im Mittelpunkt des Atoms: –fast die gesamte Atommasse –die ganze positive Ladung –Atomkern ist sehr klein, 10 -15 m Elektronen –nehmen fast das ganze Volumen des Atoms ein –außerhalb des Atomkerns und umkreisen ihn in schneller Bewegung –Großteil des Volumens eines Atoms ist leerer Raum: α-Teilchen ungehindert durch Metallfolie!!! Atomdurchmesser: 10 -10 m, 100.000-mal größer als Kern!

28 WIW - HTL – St. Pölten Bohrsches Atommodell 1913 Atommodell in Analogie zum Planetensystem Elektronen bewegen sich ohne Energieverlust auf konzentrischen Kreisbahnen um den Atomkern (Planeten- oder Schalenmodell) Jede Schale hat konstanten Energieinhalt (= Elektronenhüllen) Differenz des Energieinhaltes wird aufgenommen oder abgegeben, wenn ein Elektron von einer auf die andere Schale springt ("Quantelung" der Energie) Elektronenschalen mit K, L, M, N,... bezeichnet oder durch Hauptquantenzahl n mit n = 1, 2, 3,... –n = 1 entspricht der K - Schale –n = 2 entspricht der L - Schale –n = 3 entspricht der M - Schale usw.

29 WIW - HTL – St. Pölten Bohrsches Atommodell 1913 Elektronenschalen mit steigender Hauptquantenzahl n entsprechend der Kernladungszahl Z mit Elektronen besetzt: –K-Schale (n = 1) maximal 2 Elektronen –L-Schale (n = 2) maximal 8 Elektronen –M-Schale (n = 3) maximal 18 Elektronen –N-Schale (n = 4) maximal 32 Elektronen Maximale Elektronenzahl pro Schale = 2 · n 2 geringste Energie in K-Schale –Grundzustand: Elektron auf innerster, freier Bahn (geringste Energie) –Energiezufuhr: Elektron wechselt auf eine weiter außen liegende BahnAnregung eines Elektrons –Rückkehr in Grundzustand: definierter Energiebetrag als Lichtenergie freigesetzt: Lichtquant

30 WIW - HTL – St. Pölten 3. Der Aufbau der ATOME Linienspektren und Spektralanalyse Buch Seite 19

31 WIW - HTL – St. Pölten Elektronenhülle Geschwindigkeit elektromagnetischer Wellen ist Lichtgeschwindigkeit: c = 2,9979·10 8 m/s = λ·ν λ = Wellenlänge in m ν = Frequenz in s -1 (Hz) Max Planck: –h = 6,6262·10 -34 J.s (Plancksches Wirkungsquantum). –E = h × ν (Licht als Energie - Lichtquant)

32 WIW - HTL – St. Pölten Spektralfarben

33 WIW - HTL – St. Pölten Regenbogen

34 WIW - HTL – St. Pölten Wasserstoffatom angeregte Elektronenzustände

35 WIW - HTL – St. Pölten Atomhülle / Lichtquanten nach N. Bohr Elektron kann zwischen erlaubten Bahnen (Orbitalen) springen, Energiedifferenz zwischen den Bahnen wird in Form von Licht abgegeben (oder aufgenommen) 1859 Bunsen und Kirchhoff Linienspektren –Grundzustand: e - auf tiefstmöglicher Energiebahn –angeregter Zustand: durch Energiezufuhr werden e - auf höhere Energieniveaus gehoben –nur kurze Zeit beständig, e - fällt in Grundzustand: –bei der Anregung aufgenommene (absorbierte) Energie wird als Lichtquant abgegeben (emittiert) –E = h * ν (Licht bestimmter Wellenlänge oder Farbe)

36 WIW - HTL – St. Pölten Atomhülle / Lichtquanten nach N. Bohr Emissionsspektren entstehen, wenn angeregte Atome in den Grundzustand zurückkehren und dabei Lichtquanten einer bestimmten Energie abgeben Absorptionsspektren entstehen, wenn Atome aus dem eingestrahlten Licht Quanten aufnehmen, um in den angeregten Zustand überzugehen. Licht bestimmter Farbe geschwächt, deren Energie zur Anregung geeignet ist.

37 WIW - HTL – St. Pölten Spektrallinien einiger Atome Ag 328,1 338,3UV Ba553,6744873 B452,0548345 Ca422,7554622 Co346,6353,0387,4UV Cr360,5427,5425,5 Cs455,5852,1894,3 Cu324,8327,4520 Fe373,7386,0385,6UV K404,7766,5344,6 Li670,8460,3323,3 Mg285,2371383UV Mn403,3543,3279,5 Na330,3589,3818,3 Ni341,5352,5385,8 Pb368,4405,8261,4 Rb420,2780,0794,8 Sr460,7821407,8 TI 377,6 535,0276,8

38 WIW - HTL – St. Pölten Atomemissionen Element Wellenlänge λ [nm] ultraviolett / sichtbar / infrarot Ba553,6744 (Oxid)873 (Oxid) Ca422,7554 (Oxid)622 (Oxid) Co346,6 (Gruppe)353,0387,4 Cr360,5427,5 (Gruppe)425,5 Cs455,5852,1894,3 Cu324,8327,4520 (Oxid) Fe373,7 (Gruppe)386,0 (Gruppe)385,6 (Gruppe) K404,7 (D)766,5 (D)344,6 (D) Li670,8460,3323,3 Na330,3 (D)589,3 (D)818,3 (D) Rb420,2 (D)780,0794,8 Sr460,7821 (B)407,8 Ti377,6535,0276,8


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