Chemische und mikrobiologische Grundlagen der Wassertechnologie 1-3 Aufbau der Atome

Chemische und mikrobiologische Grundlagen der Wassertechnologie 1-3 Aufbau der Atome Versuch von Rutherford 1911: Eine dünne Goldfolie (etwa 500 nm dick, enthält etwa 2000 Atomlagen hintereinander) wurde mit α-Strahlen durchstrahlt. (α-Strahlen: positiv geladene, relativ schwere Teilchen (ihre Masse beträgt ungefähr die vierfache Messe eines H-Atoms) Chemische und mikrobiologische Grundlagen der Wassertechnologie 1-3

Chemische und mikrobiologische Grundlagen der Wassertechnologie 1-3 Aufbau der Atome Beobachtung: nur wenige mit α-Strahlen wurden abgelenkt. Chemische und mikrobiologische Grundlagen der Wassertechnologie 1-3

Chemische und mikrobiologische Grundlagen der Wassertechnologie 1-3 Aufbau der Atome Wenn man annimmt, daß die Atome kompakte Massenteilchen darstellen, müsste jeder α-Strahl auf Atome stoßen und stark abgelenkt werden; nur wenige Strahlen würden das Metall durchdringen. In Wirklichkeit durchdrangen die meisten Teilchen das Metall unter schwacher Ablenkung. Ganz wenige α-Strahlen wurden sehr kräftig abgelenkt. Rutherford erklärte dieses Ereignis mit der Annahme, daß die Atome im Prinzip „leer“ seien und daß die starke Ablenkung einzelner Strahlen durch positive „Zentren“ innerhalb der Atome bewirkt werde. Die „Zentren“ müssen offenbar relativ weit auseinander liegen, weil nur ein kleiner Bruchteil der Strahlen von ihnen stark beeinflusst wird. Die weitere Auswertung solcher Versuche führte zum Kernmodell des Atoms. Chemische und mikrobiologische Grundlagen der Wassertechnologie 1-3

Chemische und mikrobiologische Grundlagen der Wassertechnologie 1-3 Aufbau der Atome In jedem Atom ist die Anzahl der negativ geladenen Elektronen in der Hülle gleich der Anzahl der positiven Ladungen im Atomkern. Quelle: sps-Lehrgang.de Chemische und mikrobiologische Grundlagen der Wassertechnologie 1-3

Chemische und mikrobiologische Grundlagen der Wassertechnologie 1-3 Aufbau der Atome Die Masse eines Atoms ist fast vollständig im Kern konzentriert. Die Atomkerne aller Elemente bestehen aus den gleichen Kernbausteinen. Die positive Ladung eines Protons ist der negativen Ladung eines Elektrons dem absoluten Betrage nach gleich (Elementarladung). Chemische und mikrobiologische Grundlagen der Wassertechnologie 1-3

Chemische und mikrobiologische Grundlagen der Wassertechnologie 1-3 Aufbau der Atome Alle Atome eines Elements besitzen die gleiche Kernladungszahl (Protonenzahl, Elektronenzahl). Ordnungszahl = Kernladungszahl = Anzahl der Protonen = Anzahl der Elektronen Gerundete Atommasse – Kernladungszahl = Anzahl der Neutronen Chemische und mikrobiologische Grundlagen der Wassertechnologie 1-3

Chemische und mikrobiologische Grundlagen der Wassertechnologie 1-3 Aufbau der Atome Ein Nuklid ist eine Atomart (Kernart) mit bestimmter Protonen- und Neutronenzahl. Isotope sind Nuklide, die die gleiche Kernladungszahl (Protonenzahl) besitzen und daher zum gleichen Element gehören) Alle Isotope eines Elements haben die gleichen chemischen Eigenschaften. Summe der Protonen und Neutronen = Zahl der Nukleonen = Massenzahl ≈ Atommasse Für Nuklide gibt es eine besondere Symbolik 35 Cl oben die Massenzahl (35) unten die Kernladungszahl 17 17 Massenzahl = Zahl der Nukleonen Kernladungszahl = Zahl der Protonen Massenzahl-Kernladungszahl = Zahl der Neutronen Chemische und mikrobiologische Grundlagen der Wassertechnologie 1-3

Chemische und mikrobiologische Grundlagen der Wassertechnologie 1-3 Aufbau der Atome Energiestufen der Elektronen: Seit Ende des 19. Jahrhunderts war bekannt, daß Metalldämpfe oder Edelgase Licht ganz bestimmter Wellenlängen aussenden, wenn man Ihnen durch Erhitzen oder durch elektrische Funken genügend Energie zuführt. Wenn man bei der spektralen Zerlegung des Lichtes mittels eines Prismas oder eines Gitters zusammen mit der Lichtquelle auch einen Spalt optisch abbildet, treten die einzelnen Wellenlängen (Farben) in Form Einzelner Spektrallinien in Erscheinung. Chemische und mikrobiologische Grundlagen der Wassertechnologie 1-3

Chemische und mikrobiologische Grundlagen der Wassertechnologie 1-3 Aufbau der Atome Die Erklärung dieser Erscheinung gelang den Physiker Nils Bohr mit Hilfe der Quantentheorie. Die wichtigste Aussage dieser grundlegenden Theorie ist, daß die Energie eines Systems nicht in beliebigen Beträgen, sondern nur als ganzzahliges Vielfaches von Energiequanten (Energiepaketen) auftreten kann. Die Größe dieser Energiequanten (d.h. ihr Energiegehalt) hängt zusammen mit der Frequenz der die Energie „transportierenden“ Strahlung und wird durch folgende Formel von Planck beschrieben: E = h ∙ ν E = Energie, h = Plancksche Konstante, v = Frequenz = Anzahl der Schwingungen pro sec. Frequenz und Wellenlänge sind einander umgekehrt proportional: je länger der Abstand von „Wellenberg“ zu „Wellenberg“, um so weniger „Wellenberge pro sec.). Die Anwendung der Quantentheorie auf das Atom führt Bohr zur grundsätzlichen Erkenntnis, daß die Elektronen im Atom nur bestimmte ausgewählte Energiezustände einnehmen können. Chemische und mikrobiologische Grundlagen der Wassertechnologie 1-3

Chemische und mikrobiologische Grundlagen der Wassertechnologie 1-3 Aufbau der Atome Die Elektronen eines Atoms befinden sich normalerweise im energieärmsten Zustand, dem „Grundzustand“. Durch Aufnahme von Energiequanten (z.B. Erhitzen) können Elektronen in Zustände höherer Energie („angeregte Zustände“) übergehen, weil die Energieaufnahme aber quantenhaft geschieht, sind nur ganz bestimmte, nicht beliebige angeregte Zustände möglich. Die angeregten Zustände der Elektronen sind aber nicht stabil; die Elektronen „fallen“ sofort wieder auf tiefere Energiezustände zurück, wobei eine der Differenz zwischen den beiden Energiezuständen entsprechende Energie frei wird. Diese wird als Strahlung ausgesandt und hat nach Planck eine bestimmte Frequenz (und daher eine bestimmte Wellenlänge, d.h. im sichtbaren Gebiet eine bestimmte Farbe). Chemische und mikrobiologische Grundlagen der Wassertechnologie 1-3

Chemische und mikrobiologische Grundlagen der Wassertechnologie 1-3 Aufbau der Atome E = E2 – E1 = h ∙ν v = E2 = Energie des Höheren Zustandes E1 = Energie des tieferen Zustandes Eine Spektrallinie (eine bestimmte Farbe des Atomspektrums) entspricht also der Differenz zwischen zwei Energiezuständen eines Elektrons. E2-E1 h Chemische und mikrobiologische Grundlagen der Wassertechnologie 1-3

Chemische und mikrobiologische Grundlagen der Wassertechnologie 1-3 Aufbau der Atome Im folgenden Bild sind die Energieniveaus (Energiestufen) dargestellt, auf denen sich die Elektronen innerhalb eines Atoms befinden können. P O N M L K 6 5 4 3 2 1 Quelle: ahoefler.de Chemische und mikrobiologische Grundlagen der Wassertechnologie 1-3

Chemische und mikrobiologische Grundlagen der Wassertechnologie 1-3 Aufbau der Atome Die Anzahl der Elektronen, mit der die einzelnen Energieniveaus maximal besetzt sein können beträgt: 2 ∙ n2 Wobei n die Nummer des Energieniveaus ist. Die Energieniveaus werden, mit der niedrigsten beginnend, nummeriert (aber auch mit den Buchstaben K bis Q) bezeichnet. Die maximale Besetzung der ersten vier Energieniveaus beträgt: 2 ∙ 12 = 2 Elektronen 2 ∙ 22 = 8 Elektronen 2 ∙ 32 = 18 Elektronen 2 ∙ 42 = 32 Elektronen Chemische und mikrobiologische Grundlagen der Wassertechnologie 1-3

Chemische und mikrobiologische Grundlagen der Wassertechnologie 1-3 Aufbau der Atome Literaturquellen: Es wurde als Quellen verwendet: Übernommen aus: Nachschlagebücher für Grundlagenfächer Chemie, Schröter, Lautenschläger, VEB Fachbuchverlag Leipzig Chemie, Hans Rudolf Christen, Verlag Sauerländer Kurzes Lehrbuch der anorganischen und allgemeinen Chemie, J. Fenner und H Siegers, Springer Verlag Chemische und mikrobiologische Grundlagen der Wassertechnologie 1-3