3. Der Aufbau der ATOME Buch Seite 15 - 16.

Präsentation zum Thema: "3. Der Aufbau der ATOME Buch Seite 15 - 16."—  Präsentation transkript:

1 3. Der Aufbau der ATOME Buch Seite

2 Atomtheorien Geschichtlicher Überblick
460 v.Chr: Demokrit: - kleinste, unteilbare Materieteilchen atomos

3 Atomtheorien Geschichtlicher Überblick
460 v.Chr: Demokrit: - kleinste, unteilbare Materieteilchen atomos 1808 John Dalton ( ) : 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 Atomtheorien Geschichtlicher Überblick
460 v.Chr: Demokrit - kleinste, unteilbare Materieteilchen 1808 John Dalton ( ) : Atome sind unteilbar! 1817/29 W. Döbereiner: Elementgruppen (Triaden)

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

6 Atomtheorien Geschichtlicher Überblick
460 v.Chr: Demokrit - kleinste, unteilbare Materieteilchen 1808 John Dalton ( ) : 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 Radioaktivität 1895 Röntgen – Röntgenstrahlen
1896 Henry Becquerel – Radioaktivität Marie und Pierre Curie – Pechblende (UO2) → Polonium, Radium (10-5%)

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

9 Natürliche Radioaktivität: α,β,γ

10 Radioaktivität: α-Zerfall
Abstrahlung von He-Kernen: 42He2+ 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: 23892U → Th + 42He2+ (Halbwertzeit 1,2·107 s) 21084Po → 20682Pb + 42He2+ (stabil)

11 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! 23490Th → Pa + e- (Halbwertzeit 2,1·106 s) 146C → 147N + e- (Halbwertzeit 1,8·1011s) Zerfallsreaktion zur C-14 - Altersbestimmung

12 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 Isotope - Radioaktivität
OZ Symb. Element MZ Masse [u] Häufigkeit t50 α/β/γ 1 1H+ 1H 2H 3T Proton Wasserstoff Deuterium Tritium 1, , , ,014949 - 99,985 0,015 - ,26 a - - - e- 2 4He2+ 3He 4He 5He 6He 7He a-Teilchen Helium 4, , , , , - 0, , ·10-21 s 0,81 s - a - - n, a e- e- 3 5Li 6Li 7Li 8Li 9Li Lithium 5, , , , ,027300 - 7,42 92,58 - - ca.10-21s - - 0,85 s 0,17 s p, a - - e- e-

14 Isotope - Radioaktivität
OZ Symb. Element MZ Masse [u] Häufigkeit t50 α/β/γ 4 6Be 7Be 8Be 9Be 10Be 11Be Beryllium 6, , , , , ,021660 4·10-21s 53 d 3·10-16s - 2,7·106 a 13,6 s g a - e- e-, g 5 8B 9B 10B 11B 12B 13B  Bor 8, , , , , ,017779 - - 19,6 80,4 - - 0,78 s ,020 s 0,035 s e+ p, a - - e-, g e-

15 Isotope - Radioaktivität
OZ Symb. Element MZ Masse [u] Häufigkeit t50 α/β/γ 6 10C 11C  12C 13C  14C 15C 16C Kohlenstoff 10, , , , , , ,014702 - - 98,89 1, 19 s 20,5 min a 2,25 s 0,74 s e+, g e+ - - e- e-, g e- 7 12N 13N 14N 15N 16N 17N Stickstoff 12, , , , , ,008449 - - 99,63 0,37 - - 0,011 s 10,0 min - - 7,35 s 4,14 s e+ e+ - - e-, g e-

16 Radioaktivität: Halbwertszeit
Nuklid Halbwertszeit Uran-238 4,5*109 Jahre Kalium-40 1,3* 109 Jahre Kohlenstoff-14 5.730 Jahre Radium-226 1.600 Jahre Strontium-90 28 Jahre Tritium 12,3 Jahre Cobalt-60 5,3 Jahre Polonium-210 138 Tage lod-131 8 Tage Polonium-214 1,6 *10-7 Sekunden Zerfallsreihe: N (t) = N0 · e-k·t Halbwertszeit: N = 1/2 N0 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)

17 Radioaktive Elemente OZ Name 43 Technetium 91 Protactinium 101
Mendelevium 61 Promethium 92 Uran 102 Nobelium 84 Polonium 93 Neptunium 103 Lawrencium 85 Astat 94 Plutonium 104 Rutherfordium 86 Radon 95 Americium 105 Dubnium 87 Francium 96 Curium 106 Seaborgium 88 Radium 97 Berkelium 107 Bohrium 89 Actinium 98 Californium 108 Hassium 90 Thorium 99 Einsteinium 109 Meiternium 100 Fermium 110 Darmstadtium 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 Radioaktivität Nuklide mit Ordnungszahlen >83 geben
α-, β-Strahlung ab → stabile Nuklide! 3 natürliche Zerfallreihen: 238U → → → 206Pb 235U → → → 207Pb 232Th → → → 208Pb

19 Kernenergie - Atomkraft
Wärmeenergie aus Masseverlusten in Atomen! Kernspaltung von Uran-235 in Kraftwerken: 23592U + 10n → 8936Kr Ba n + Δ W Restrisiko für Unfälle: Moderation durch H2O, D2O, C Wiederaufbereitung der Brennstäbe Endlagerung strahlender Abfälle: lange Halbwertszeit vieler Nuklide Kernkettenreaktionen in Atombomben: Kernreaktoren liefert Material für Atomwaffen Spontane Spaltungen: 23892U → 13752Te Zr + 310n

20 Kernspaltung

21 Kernspaltung

22

23 Kernfusion Verschmelzung leichter Atomkerne
Sonne wird durch Kernfusion geheizt: 4 11H → 42He + 2 e+ + Δ W (26,1 MeV) Positronen (e+): positiv geladene Elementarteilchen Kernfusion in Wasserstoffbombe 1991 kontrollierte Kernfusion: D + T 21H + 31H → 42He + 10n + Δ E (17,6 MeV) Plasma durch ein Magnetfeld eingeschlossen. 2 Sekunden, Temperatur ca. 170 Millionen°C mehr Energie aufgewendet, als gewonnen

24 Radioaktive Isotope als Marker
Quelle: The New York Times

25 3. Der Aufbau der ATOME Das Kern-Hülle-Modell des Atoms
Buch Seite

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

27 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, 10-15m 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: m, mal größer als Kern!

28 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 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 · n2 geringste Energie in K-Schale Grundzustand: Elektron auf innerster, freier Bahn (geringste Energie) Energiezufuhr: Elektron wechselt auf eine weiter außen liegende Bahn „Anregung eines Elektrons“ Rückkehr in Grundzustand: definierter Energiebetrag als Lichtenergie freigesetzt: Lichtquant

30 3. Der Aufbau der ATOME Linienspektren und Spektralanalyse
Buch Seite 19

31 Elektronenhülle Geschwindigkeit elektromagnetischer Wellen ist Lichtgeschwindigkeit:  c = 2,9979·108 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 Spektralfarben

33 Regenbogen

34 Wasserstoffatom „angeregte Elektronenzustände“

35 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) das sichtbare Licht hat mittlere Energieinhalte und Wellenlän­gen zwischen 400 und 700 nm, infrarotes Licht (IR) ist energie­arm und langwellig. Da bei jedem Element nur ganz bestimmte Energiedifferenzen O W zwischen den Elektronenschalen vor­kommen, emittiert jedes Element Licht ganz bestimmter Farbe. Metallsalze verleihen daher einer Bunsenbrennerflamme cha­rakteristische Flammenfärbungen (Gelb für Natrium, Rot für Lithium, Blau für Cäsium und Grün für Barium), die auch in Feu­erwerkskörpern verwendet werden. Emissionsspektren entstehen, wenn angeregte Atome in den Grundzustand zurückkehren und dabei Lichtquanten einer bestimmten Energie abgeben. Absorptionsspektren entstehen, wenn Atome aus dem ein-gestrahlten Licht Quanten aufnehmen, um in den angeregten Zustand überzugehen. Es wird dabei die Farbe geschwächt, deren Energie zur Anregung geeignet ist. Emission und Absorp­tion eines Elementes entsprechen einander, sie haben dieselbe Wellenlänge. Spektren dienen zur Analyse von Stoffen und zur Untersu­chung des Feinbaus der Atome. Aus den Spektren kann man die Lage der Energieniveaus, also den Schalenaufbau der Elektronenhülle in einem Atom entneh­men.

36 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. das sichtbare Licht hat mittlere Energieinhalte und Wellenlän­gen zwischen 400 und 700 nm, infrarotes Licht (IR) ist energie­arm und langwellig. Da bei jedem Element nur ganz bestimmte Energiedifferenzen O W zwischen den Elektronenschalen vor­kommen, emittiert jedes Element Licht ganz bestimmter Farbe. Metallsalze verleihen daher einer Bunsenbrennerflamme cha­rakteristische Flammenfärbungen (Gelb für Natrium, Rot für Lithium, Blau für Cäsium und Grün für Barium), die auch in Feu­erwerkskörpern verwendet werden. Emissionsspektren entstehen, wenn angeregte Atome in den Grundzustand zurückkehren und dabei Lichtquanten einer bestimmten Energie abgeben. Absorptionsspektren entstehen, wenn Atome aus dem ein-gestrahlten Licht Quanten aufnehmen, um in den angeregten Zustand überzugehen. Es wird dabei die Farbe geschwächt, deren Energie zur Anregung geeignet ist. Emission und Absorp­tion eines Elementes entsprechen einander, sie haben dieselbe Wellenlänge. Spektren dienen zur Analyse von Stoffen und zur Untersu­chung des Feinbaus der Atome. Aus den Spektren kann man die Lage der Energieniveaus, also den Schalenaufbau der Elektronenhülle in einem Atom entneh­men.

37 Spektrallinien einiger Atome
Ag 328,1 338,3 UV Ba 553,6 744 873 B 452,0 548 345 Ca 422,7 554 622 Co 346,6 353,0 387,4 Cr 360,5 427,5 425,5 Cs 455,5 852,1 894,3 Cu 324,8 327,4 520 Fe 373,7 386,0 385,6 K 404,7 766,5 344,6 Li 670,8 460,3 323,3 Mg 285,2 371 383 Mn 403,3 543,3 279,5 Na 330,3 589,3 818,3 Ni 341,5 352,5 385,8 Pb 368,4 405,8 261,4 Rb 420,2 780,0 794,8 Sr 460,7 821 407,8 TI 377,6 535,0 276,8 Spektrallinien einiger Atome

38 Atomemissionen Element
Wellenlänge λ [nm] ultraviolett / sichtbar / infrarot Ba 553,6 744 (Oxid) 873 (Oxid) Ca 422,7 554 (Oxid) 622 (Oxid) Co 346,6 (Gruppe) 353,0 387,4 Cr 360,5 427,5 (Gruppe) 425,5 Cs 455,5 852,1 894,3 Cu 324,8 327,4 520 (Oxid) Fe 373,7 (Gruppe) 386,0 (Gruppe) 385,6 (Gruppe) K 404,7 (D) 766,5 (D) 344,6 (D) Li 670,8 460,3 323,3 Na 330,3 (D) 589,3 (D) 818,3 (D) Rb 420,2 (D) 780,0 794,8 Sr 460,7 821 (B) 407,8 Ti 377,6 535,0 276,8