Grundlagen der Atomphysik

Vorinformation – bitte lesen Der Bau der Materie Die Menschen haben sich schon vor langer Zeit Gedanken über den Aufbau unserer Welt gemacht: 450 v. Chr.: Demokrit denkt sich das Unteilbare, das Atom 1780: Dalton entwirft ein Atommodell 1911: Rutherford formuliert das Kern-Hüllenmodell 1913: Bohr spricht von Elektronenschalen 1926: Schrödinger und Heisenberg entdecken Orbitale 1964: Protonen und Neutronen bestehen aus Quarks … … … Auch wenn die Modelle immer besser werden, wissen wir immer noch nicht, wie ein Atom wirklich aussieht. Noch nie hat ein Mensch ein Atom gesehen.

Vorinformation – bitte lesen Gedankenexperimente... Der griechische Philosoph Demokrit überlegte sich: „Wenn ich einen Gegenstand halbiere und dann wieder halbiere und wieder halbiere und so fort, so gelange ich zu einem kleinsten, nicht mehr teilbaren Teilchen.“ Dieses kleinste Teilchen nannte er Atom. (Atom = nicht mehr teilbares Teilchen) ... und das vor fast 2400 Jahren!

John Dalton‘s Entdeckung... Vorinformation – bitte lesen 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. Jeder Stoff besteht aus ganz bestimmten Kugeln, die verschiedenen Elemente:

Rutherford denkt weiter… 1908 Jetzt geht’s los: Aufgabe 1. a) Rutherford denkt weiter… E. Rutherford, Ernest, (1871-1937), britischer Physiker, der für seine Arbeit in der Kernphysik den Nobelpreis erhielt. Anhand von Experimenten stellte Rutherford eine Theorie auf, nach der ein Atom folgendermaßen aufgebaut ist: Im Zentrum des Atoms befindet sich ein positiv geladener Atomkern Um den Kern kreisen negativ geladene Elektronen Der Atomkern ist im Vergleich zum gesamten Atom winzig klein: Der Atomkern-Durchmesser beträgt nur 1/10000 des ganzen Atoms!

Der Streuversuch von Rutherford Aufgabe 1. b) Der Streuversuch von Rutherford Wie kam Rutherford zu seinem Atommodell?  Er führte folgenden Versuch durch: Eine Goldfolie wird mit kleinen Teilchen (Alpha-Strahlen) beschossen. Um die Goldfolie ist ein Leuchtschirm, der rot aufleuchtet, wenn ein Teilchen auftrifft. Ergebnisse: Die meisten Teilchen gingen ohne Ablenkung einfach durch die Folie hindurch! Nur wenige Teilchen wurden von der Goldfolie stark abgelenkt oder sogar zurückgeworfen

Der Streuversuch von Rutherford Zu Aufgabe 1. b) Der Streuversuch von Rutherford Deshalb kam er zu folgendem Ergebnis: Der Atomkern (rot) muss im Verhältnis zur Atomhülle sehr klein sein Der Rest zwischen den Elektronen (blau) und dem Atomkern ist leerer Raum Deshalb fliegen die Teilchen entweder durch oder werden vom Kern abgelenkt, wenn sie auf ihn prallen

Der Streuversuch von Rutherford Zu Aufgabe 1. b) Der Streuversuch von Rutherford Die Teilchen fliegen durch die Goldfolie durch… … und werden vom Atomkern nur leicht abgelenkt oder prallen ab, wenn sie ihn treffen

Der Streuversuch von Rutherford Zu Aufgabe 1. b) Der Streuversuch von Rutherford Die Teilchen fliegen durch die Goldfolie durch… Wiederholen … und werden vom Atomkern nur leicht abgelenkt oder prallen ab, wenn sie ihn treffen

Das Atommodell von Bohr Aufgabe 1. c) Das Atommodell von Bohr Nils Bohr (1885-1962), dänischer Physiker und Nobelpreisträger, entwickelte das Atommodell von Rutherford weiter… Er stellte folgendes fest: Die Elektronen fliegen nicht wahllos um den Kern herum, sondern auf bestimmten Schalen. Der Atomkern selber besteht aus Protonen und Neutronen. Die Anzahl von Protonen im Kern und Elektronen in der Hülle ist gleich.

Bohr‘sches Atommodell... Zu Aufgabe 1. c) Bohr‘sches Atommodell... Neutronen elektrisch neutral Protonen positiv geladen Atomhülle (darin befinden sich die Elektronen auf Schalen) Atomkern (besteht aus Protonen und Neutronen)

Bohr‘sches Atommodell... Zu Aufgabe 1. c) Bohr‘sches Atommodell... Neutronen Elektronen elektrisch neutral negativ geladen Protonen positiv geladen Atomhülle mit Schalen (darin befinden sich die Elektronen) Atomkern (besteht aus Protonen und Neutronen)

Beispiel Helium Atomkern: 2 Protonen 2 Neutronen Atomhülle: Zu Aufgabe 1. c) Beispiel Helium Atomkern: 2 Protonen 2 Neutronen Atomhülle: Der Kern wird von 2 Elektronen umkreist.

Übersicht Name Lage Symbol Größe / Masse Ladung Proton Kern Aufgabe 2. a) Übersicht Name Lage Symbol Größe / Masse Ladung Proton Kern Wie Neutron positiv Neutron Wie Proton neutral Elektron Hülle Ca. 1/2000 eines Protons negativ

Aufbau der Materie Ordnungszahl: Massenzahl: Aufgabe 2. b) Aufbau der Materie Ordnungszahl: Die Ordnungszahl gibt die Anzahl der Protonen im Kern an Massenzahl: Die Massezahl gibt die gesamte Anzahl der Teilchen im Kern an (also Protonen+Neutronen) Zieht man die Ordnungszahl von der Massezahl ab, so erhält man die Anzahl der Neutronen!

Beispiel Kohlenstoff Beispiel Kohlenstoff: Ordnungszahl = 6 Zu Aufgabe 2. b) Beispiel Kohlenstoff Beispiel Kohlenstoff: Ordnungszahl = 6 6 Protonen im Kern Massezahl = 12 Massenzahl – Ordnungszahl = Neutronenzahl 12 – 6 = 6 Neutronen

Die Schreibweise im PSE Aufgabe 3. a) Die Schreibweise im PSE Am Beispiel Aluminium: Massenzahl 27 ( + ) - Chem. Symbol für Aluminium 13 = 14 Ordnungszahl Protonen Neutronen

Wir bauen das Modell für Aluminium: Aufgabe 3. a) Wir bauen das Modell für Aluminium: ..enthält 27 Protonen + Neutronen - ..davon sind 13 Protonen 14 Teilchen im Kern sind also Neutronen 13 14 13 Protonen im Kern 14 Neutronen im Kern 13 Elektronen in der Hülle

Beispiele: Protonen Neutronen Elektronen Name Kohlen-stoff 22 Argon Aufgabe 3. b) Beispiele: Protonen Neutronen Elektronen Name 12 C 6 Kohlen-stoff 40 Ar 18 22 Argon 16 O 8 Sauer-stoff 235 U 92 143 Uran

Aufgabe 4. a) Vom Atom zum Molekül... Ein Molekül ist eine Verbindung aus mehreren Atomen Beispiel: Zwei Sauerstoffatome binden sich chemisch zu einem Molekül Sauerstoff. Beide Atome können so zeitweise 8 Elektronen benützen.

Beispiel: Ein CO2 Molekül: Zu Aufgabe 4. a) Beispiel: Ein CO2 Molekül: 1 Atom Kohlenstoff und 2 Atome Sauerstoff bilden zusammen 1 Molekül Kohlendioxid Sauerstoff Sauerstoff Kohlenstoff

Aufgabe 4. b) Was ist ein Ion? Eigentlich ist die Anzahl von Protonen und Elektronen gleich, damit das Atom neutral ist. Wenn die Anzahl der Protonen und Elektronen nicht mehr übereinstimmt… …ist das Atom nicht mehr neutral und wird Ion genannt - Ion: negatives Ion, Elektronenüberschuss + Ion: positives Ion, Elektronenmangel Atom: neutral, gleiche Anzahl Protonen und Elektronen

Was ist ein Ion? Zu Aufgabe 4. b) - Ion 2 3 negativ + Ion 2 1 positiv Atom 2 neutral

Aufgabe 5. a) Was sind Isotope? Isotope sind Elemente mit gleicher Ordnungszahl, aber unterschiedlicher Massenzahl. Isotope eines Elements bezeichnen also Atome, die eine gleiche Anzahl von Protonen aber eine unterschiedliche Anzahl von Neutronen im Atomkern haben.

Beispiel: Wasserstoff-Isotope Aufgabe 5. b) Beispiel: Wasserstoff-Isotope Jedes Wasserstoff-Isotop besitzt 1 Proton Deuterium besitzt zusätzlich 1 Neutron Tritium besitzt zusätzlich 2 Neutronen Alle drei Stoffe sind jedoch Wasserstoff, da sie nur 1 Proton besitzen

Beispiel: Uran-Isotope Zusatzinformationen zu Aufgabe 5 Beispiel: Uran-Isotope Protonen Neutronen Vorkommen in der Natur Sonstiges 92 92 92 142 143 146 0,005% 0,72% 99,2% nicht spaltbar nicht spaltbar spaltbar