7. Struktur der Materie Elementare Bausteine Gase: Ensemble von vielen unabhängigen Bausteinen Temperatur  Brownsche Molekularbewegung Kondensierte Materie (Flüssigkeiten und Festkörper) Kristalle: Ensemble von vielen regelmäßig angeordneten Bausteinen Bruchkanten regelmäßige Interferenzmuster 370µm PbS-Kristalle kubisch Zirkon Oberfläche Quarz hexagonal

7.1 Atome und Moleküle Studium unabhängiger Atome oder Moleküle  verdünnte Gase Anregung durch Energiezufuhr Gasentladung  Leuchterscheinung  Spektrallinien mit l und Frequenz n = c/l Glühlampe Sonne Spektrum Fingerabdruck des Elements Energieumwandlung zwischen diskreten Zuständen verschiedener Energie Planckansatz: E2 -E1 = h·n12 Wirkungsquantum Termschema: Anordnung der Zustände nach der Energie jedes Atom strahlt unabhängig  Strahlung inkohärent

Prismenspektrograph Spalt wird auf den Schirm abgebildet Schirm Spalt Kondensor Spektralzerlegung

Funktion eines Lasers stimulierte Emission  Kohärenz der Strahlung Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation Energiezufuhr Reflexion 100% Reflexion 95% Strahl mit kleiner Divergenz hohe Monochromasie hohe Intensität Anwendungen E1 E3 E2 Zerfall Emission Absorption Zufuhr Energiezufuhr  Atom/Molekül bevorzugt in Zustand E3 mehr Emission als Absorption zwischen E3 und E2 Inversion 1. Spiegel koppeln das erzeugte Licht in die Emissionsregion zurück weitere Emission bevorzugt im gleichen Rhythmus wie rückgekoppletes Licht 2. Kohärent Oszillation, wenn Verluste kleiner als Erzeugungsrate  Laser 3.

Spektrallinien Quantenzustände des Atoms im Termschema  Eigenfrequenzen  Umlauffrequenzen wie im Planetensystem? Nein: 1. Jedes Atom wäre individuell, wie gerade die „Planeten vom Kern“ eingefangen wurden. 2. Warum gibt es nur wenige Umlaufbahnen? 3. Atom wäre nicht stabil, da umlaufende Ladung Energie abstrahlt. Atom ist beliebig häufig ununterscheidbar zu einem anderen der gleichen Sorte herstellbar Gleichheit der Spektren „Fingerabdruck des Atoms“ Grundidee zur Auswahl von diskreten Energieniveaus  Wellenmechanik, Quantenmechanik akustische stehende Welle in einem Rohr oder Lichtwelle zwischen zwei Spiegeln l nur wenige möglich! Quantenzahlen als Name z.B. s-Zustand p-Zustand Elektronen bilden stehende Wellen um den positiv geladenen Atomkern herum. Quantenzustände des Atoms im Termschema

Elektronenbewegung im Atom wie Welle  nicht „einsperrbar“ in beliebig kleiner Box Unschärfe in der Ortsbestimmung Unschärferelation von Heisenberg 1927 Atomarem Baustein kann kein individueller Name zugeordnet werden! Feld der Materiewelle? Aber Elektron ist nicht teilbar! Amplitude einer Elektronenwelle im Atom? Oder Zahl der Elektronen in einem Zustand? Pauli-Prinzip: höchstens ein Elektron in jedem Zustand! Zustände im Atom gruppieren sich in engen Energiebereichen Energieschalen Zahl der Elektronen in dieser Energieschale Perioden System der Elemente Eigenschaften wiederholen sich in jeder Schale

Periodensystem der Elemente

Bindung zwischen Atomen  Moleküle polare (oder heteropolare) Bindung ® Atome werden zu Ionen z.B. Na+Cl- Kochsalz kovalente (oder homöopolare) Bindung ® Elektronenwellen überlappen sich z.B. O-O Sauerstoff metallische Bindung ® Überlapp der Elektronenwellen ist so groß, daß eine Zuordnung der Elektronen zu einem Atom verloren gegangen ist. ® Elektronenleitung Bedeutung des Spins  Paarung  besondere Stabilität