Das Atom

Demokrit:

Demokrit war ein griechischer Philosoph der um 460 v. Chr. geboren wurde und 370 v.Chr. starb. Er erklärte die Welt als Zusammensetzung kleinster, unvergänglicher Teilchen, die sich im leeren Raum bewegen, und wurde damit Begründer der Atomistik.

Dalton (John):

John Dalton, 1766 - 1844, war ein englischer Chemiker und Physiker, der die moderne Atomtheorie begründete. Er formulierte grundlegende chemische und physikalische Gesetze (Gewichtsverhältnisse von Verbindungen, Druck von Gasgemischen). Außerdem entdeckte er die Rotgrünblindheit (Daltonismus).

Rutherford (Ernest):

Ernest Rutherford, Baron Rutherford of Nelson and Cambridge (seit 1931), 1871 - 1937. Er war britischer Chemiker und Physiker und gilt als Begründer der modernen Kernphysik. Außerdem erklärte er den radioaktiven Zerfall der Elemente und erzielte dann 1919 die erste künstliche Atomreaktion.

Bohr (Niels Henrik David):

Nils Henrik David Bohr, 1885 - l962, dänischer Physiker. Er entwickelte 1912 das erste Atommodell. In diesem Bohrschen Atommodell vereinigte er die Plancksche Quantntheorie mit Rutherfords Atommodell. Er gewann den Nobelpreis 1922.

Sommerfeld (Arnold):

Arnold Sommerfeld wurde 1868 geboren und verstarb 1951. Er war ein deutscher Physiker und stellte u.a. eine Theorie des Kreisels auf, baute die Quanten- und Atomtheorie weiter aus und entwickelte außerdem noch eine eigene Theorie der Struktur des Wasserstoffspektrums.

Schrödinger (Erwin):

Erwin Schrödinger, 1887 - 1961, war ein österreichischer Physiker. Er schuf die Grundlage zur Wellemneschanik und stellte die Schrödinger-Gleichung, eine Grundgleichung der Quantentheorie auf. Nobelpreis 1933.

Broglie (Louis-Victor Duc de):

Louis-Victor Duc de Broglie, 1892 - 1987, war ein französischer Physiker. Er begründete die Wellentheorie der Materie und erhielt 1929 den Nobelpreis.

Dirac (Paul):

Paul Dirac, der 1902 geborene und 1984 verstorbene englische Physiker stellte eine Gleichung auf, die 1928 die Voraussage der Existenz positiv geladener Elektronen, der Positronen, erlaubte (1932 nachgewiesen). Er entwickelte eine Quantentheorie der Wechselwirkungen zwischen Licht und Materie. Zusammen mit E. Schrödinger bekam er 1933 den Nobelpreis.

Chadwick (Sir James):

Sir James Chadwick, 1891 - 1974, englischer Physiker. Er entdeckte das Neutron und erhielt den Nobelpreis 1935.

Planck (Max):

Max Planck, 1858 - 1947, war ein deutscher Physiker und gab als Begründer der Quantentheorie der modernen Physik eine entscheidende Prägung. Ausgehend von Untersuchungen zur Thermodynamik entdeckte er eine neue Naturkonstante, das sogenannte Plancksche Wirkungsquantum sowie das Planksche Strahlungsgesetz, das die Abhängigkeit elektromagnetischer Energie eines schwarzen Körpers von seiner Temperatur und der Frequenz der Strahlung beschreibt. -Nobelpreis 1918. Planck zu Ehren wurde die Kaiser-Wilhelm-Gesellschaft zur Förderung der Wissenschaft in Max-Planck-Gesellschaft umbenannt.

Einstein (Albert):

Albert Einstein wurde 1879 geboren und starb 1955. Er war ein deutsch- amerikanischer Physiker; 1909-1913 war er Professor in Zürich und Prag 1914-1933 Leiter des Kaiser-Wilhelm-Instituts für Physik in Berlin seit 1933 war er Professor in Princton, New York (USA) Er stellte 1905 die spezielle, 1915 die allgemeine Relativitätstheorie auf, mit der er die Massenanziehung (Gravitation) erklärte. Außerdem erkannte er die Äquivalenz von Masse und Energie und vermutete schon 1905, daß alle in Atomen auftretenden Energieumsetzungen quantenhaften Charakter haben. Er entwickelte die Theorie der Brownschen Molekularbewegung und veröffentlichte eine "vereinheitlichte Feldtheorie". Für die quantenmäßige Deutung des lichtelektrischen Effekts bekam er 1921 den Nobelpreis.


Quantentheorie:

Die Quantentheorie ist eine physikalische Theorie, die die Atome und Moleküle sowie ihre Wechselwirkung mit Elementarteilchen beschreibt. Den Ausgangspunkt bildete (1900) die Entdeckung von Max Planck, daß man die Energiedichte der Lichtstrahlen eines schwarzen Körpers nur dann richtig berechnen kann, wenn man annimmt, daß alle Lichtenergie nur in ganzzahligen Vielfachen von h$ f abgegeben (emittiert) werden kann. Dabei ist f die Frequenz des Lichts und h eine universelle Konstante, nämlich das Plancksche Wirkungsquantum (h= 6,626$ 10-34 J$ s). Während Planck dieses Gesetz unter der Annahme von harmonischen Oszillatoren ableitete, zeigte Albert Einstein durch seine Erklärung der Lichtabsorption beim Photoeffekt die Gültigkeit auch für Atome. Damit war die Möglichkeit gegeben, die diskontinuierliche (quantenhafte) Lichtemission und -absorption von Atomen zu verstehen (Lichtquanten). Nils Henrik David Bohr und Arnold Sommerfeld gaben eine Theorie der Spektrallinien, die allerdings noch einige Widersprüche aufzeigte; das dabei von Bohr benutzte Korrespondenzprinzip führte W. Heisenberg zu seiner Matrizendarstellung der Quantenmechanik, einer abstrakten mathematischen Theorie, mit der alle Experimente widerspruchsfrei erklärt werden konnten. Ein anderer Zugang zum Bau der Atome war die Vermutung von Louis-Victor Duc de Broglie, daß nicht nur das Licht sondern auch alle Materie Wellencharakter habe. Dies wurde durch Experimente bestätigt und von Erwin Schrödinger in seiner Wellenmechanik mathematisch verarbeitet.

Quantentheorie liefert zwei sehr wichtige Ergebnisse:

  1. Alle atomaren Gesetze haben nur statistische Bedeutung, d.h. man kann nicht für einzelne Elementarteilchen aussagen, was mit ihnen im Lauf der Zeit geschieht. Es ist vielmehr nur möglich, für viele Teilchen eine Aussage zu machen. Die Physik ist also im atomaren Bereich nicht mehr determiniert (vorausbestimmbar), wohl aber noch kausal. Für sehr viele Atome gehen die statistischen Gesetze in die bekannten Gesetze der klassischen Physik über.
  2. Die Elementarteilchen treten in den beiden Erscheinungsformen "Korpuskel" (Teilchen) und "Welle" auf. Eine mathematische Formulierung dieses Dualismus zwischen Welle und Korpuskel gibt die Heisenbergsche Unschärferelation, nach der man entweder den Impuls oder den Ort eines Teilchens, niemals aber beide zugleich genau messen kann. Mit Hilfe der Quantentheorie konnten zum Beispiel das Periodensystem der Elemente, der Aufbau der Atomhülle und die Gesetzmäßigkeiten der Spektren erklärt werden. Dabei zeigt sich, daß jedes Elementarteilchen einen eingeprägten Drehimpuls, den Spin, hat. Paul Dirac konnte diese Eigenschaft aus einer die Relativitätstheorie einzubeziehenden Gleichung ableiten. Die Quantentheorie der Wellenfelder (Quantenfeldtheorie) beschreibt die Elementarteilchen mit ihren Wechselwirkungen und Reaktionen (auch Erzeugung und Vernichtung von Teilchen): Feldgleichungen der klassischen Physik (am bekanntesten sind die Maxwellschen Gleichungen der Elektrodynamik) werden durch Einführung von Quantenbedingungen so umgedeutet, daß den Feldern Quanten (Teilchen) zugeordnet sind, zum Beispiel dem elektromagnetischen Feld die Lichtquanten, dem Kernkraftfeld die Mesonen.

Die Entwicklung dieser Quantentheorie der Wellenfelder ist noch nicht abgeschlossen.


Kernenergie:

Die Kernenergie ist die Atomenergie d.h. die Energie eines Atomkerns (kinetische Energie und Bindungsenergie). Bei Kernumwandlungen wird ein Teil der Bindungsenergie frei und technisch nutzbar.

Zwei Prozesse sind bedeutend:

  1. Kernspaltung: Bei der Kernspaltung werden schwere Atomkerne (z.B. das Uran-Isotop 235) in leichtere Kerne gespalten; dabei wird Bindungsenergie frei.
  2. Kernfusion: Bei der Kernfusion werden leichte Atomkerne (z.B. Wasser-stoff) zu schwereren Kernen (z.B. Helium) verschmolzen auch dabei wird Energie frei. Voraussetzung für Fusionen sind Temperaturen von vielen Mio. Grad, weshalb dieser Prozeß bisher noch nicht technisch genutzt werden kann. An der Lö-sung dieses Problems wird noch gearbeitet.

 

Quant:

Ein Quant ist die kleinstmögliche Menge einer physikalischen Größe bei Naturvorgängen, zum Beispiel die Elementarladung e = 1,602$ 10-19 C als kleinste übertragbare Ladungsmenge. Allgemeine Bezeichnung für Elementarteilchen, wenn ihr korpuskulares und nicht ihr wellenartiges Verhalten im Vordergrund steht.

 

Mesonen:

Mesonen sind Elementarteilchen, deren Masse zwar der des Elektrons und der des Protons liegt. Sie sind nicht stabil, sondern zerfallen in leichtere Elementarteilchen.

 

Positron:

Ein Positron ist ein positiv geladenes Elementarteilchen mit demselben Gewicht wie das Elektron und nur von sehr kurzer Lebensdauer (Antielektron).

 

Spin:

Ein Spin ist der innere Freiheitsgrad eines Elementarteilchens oder Atomkerns, der anschaulich als Drehimpuls ("Drall") einer inneren Drehbewegung des Teilchens angesehen werden kann.

 

Atomwärme:

Die Atomwärme ist die atomare Wärmekapazität d.h. die Wärmemenge, die notwendig ist, um 1 Mol eines Elements um 1°C zu erwärmen.

 

Brownsche Molekularbewegung:

Die Brownsche Molekularbewegung ist die von dem englischen Botaniker R. Brown 1827 entdeckte Zitterbewegung, die mikroskopisch kleine Teilchen (z.B. Staub) in Gasen oder Flüssigkeiten ausführen. Sie beruht auf den unregelmäßigen Stößen der Moleküle des umgebenden Mediums.

 

Atommasse:

Die Atommasse ist die atomare Masseneinheit d.h. sie ist das Verhältnis der Masse eines Atoms oder Atomkerns zur Masse des Kohlenstoff-Isotops 12. Bei dem leichtesten Element, dem Wasserstoff, ist die Atommasse 1,0078 und bei dem schwersten natürlich vorkommenden Uran ist die Atommasse 238,2 .

 

Ordnungszahl:

Die Ordnungszahl ist die Kernladungszahl bzw. die Atomnummer. Sie ist die Zahl, die die Anzahl der positiven Kernladungen eines Atoms und die Stellung des betreffenden Elements innerhalb des Periodensystems der Elemente angibt.

 

Proton:

Ein Proton ist ein positiv geladenes Elementarteilchen. Zusammen mit dem Neutron ist es Baustein des Atomkerns. Die Protonen bilden den wesentlichen Teil der kosmischen Strahlung.

 

Neutron:

Das Neutron ist ein 1932 von Sir James Chadwick entdecktes elektronisch neutrales Elementarteilchen, dessen Masse der des Proton nahezu gleich ist; zusammen mit dem Proton Baustein der Atomkerne.

 

Elementarladung:

Die Elementarladung ist das elektrische Elementarquantum, das Zeichen ist e und es ist die kleinste in der Natur vorkommende elektrische Ladung, die ein Teilchen haben kann. Die Elementarladung beträgt 1,602$ 10-19 Coulomb. Ein Elektron hat eine negative, Positron und Proton haben eine positive Elementarladung.

 

Elektron:

Ein Elektron ist das leichteste der elektrisch geladenen Elementarteilchen und fester Bestandteil jedes Atomverbands. Es hat die kleinste, unteilbare negative Ladung(1,602$ 10-19 Coulomb). Die Masse des ruhenden Elektrons beträgt m = 9,109$ 10-28 g, damit ist es rund 1836mal leichter als das Proton. Alle elektrischen Vorgänge beruhen auf Bewegungen von Elektronen. Werden einem Körper Elektronen zu- oder abgeführt, so lädt er sich negativ bzw. positiv auf. Schwingungen erzeugen elektromagnetische Wellen. Abtrennung von Elektronen aus Atomen bedeutet Ionisation.

Das Atom

Ein Atom ist das kleinste, mit chemischen Mitteln nicht weiter spaltbare Teilchen eines chemischen Elementes. Die Atome haben einen Durchmesser von etwa 10-8 cm und bestehen aus einem positiv geladenen elektrischen Atomkern aus Protonen und Neutronen und einer Atomhülle aus negativ geladenen elektrischen Elektronen. Der Kern ist etwa 10-12 cm groß und enthält nahezu die gesamte Masse des Atoms. Das Atom ist nach außen elektrisch neutral; die positive Kernladung ist ein ganzzahliges Vielfaches der Elementarladung und gleich der negativen Ladung der Elektronenhülle. Kern und Hülle werden durch die elektrischen Anziehungskräfte der ungleichnamigen Ladungen zusammengehalten. Innerhalb der Hülle sind die Elektronen in einzelnen Schalen angeordnet, die von innen nach außen 2, 8, 18, 32 usw. Elektronen nach der Formel 2n2 ( n=Nummer der Elektronenschalen) aufnehmen können. Nach dem anschaulichen Atommodell von Ernest Rutherford und Nils Henrik David Bohr (1912) kreisen die Elektronen auf Ellipsenbahnen um den Kern. Dieses Modell erklärt jedoch nicht alle experimentellen Tatsachen. Nach der Quantentheorie kann man sich die Elektronen als Ladungswolken um den Kern verteilt denken. Heutzutage sind 109 Atomarten (chemische Elemente) bekannt. Das einfachste und leichteste Atom ist das Wasserstoffatom (1 Proton als Kern, 1 Elektron als Hülle). Eine Atomspaltung (Kernspaltung) gelang erstmalig Hahn und Straßmann 1938, als sich beim Beschuß von Uran 235 der Kern spaltete und dabei die im Kern gespeicherte Energie zum Teil frei wurde. Freie Neutronen können wieder neue Kerne spalten, so daß die Reaktion lawinenartig fortschreitet. Die Steuerung dieser Kettenreaktion war Voraussetzung, Kernenergie technisch zu erzeugen und zu verwerten.

 

Faktor 103 Name Kilo Symbol k

Faktor 10-3 Name Milli Symbol m

Faktor 10-6 Name Mikro Symbol µ

Faktor 10-9 Name Nano Symbol n

Faktor 10-12 Name Pico Symbol p

Also Durchmesser eines Atoms ungefähr 100 pm

und Durchmesser eines Atomkerns ungefähr 0,01 pm.

Stellt man sich ein Atom als eine stark vergrößerte Kugel von einem Radius mit 10m vor, so hätte darin der Atomkern einen Radius von nur 1mm. Ein Größenunterschied von 1:10.000 also 104 Einheiten.

 

Rutherford (Ernest):

Ernest Rutherford, Baron Rutherford of Nelson and Cambridge (seit 1931), 1871 - 1937. Er war britischer Chemiker und Physiker und gilt als Begründer der modernen Kernphysik. Außerdem erklärte er den radioaktiven Zerfall der Elemente und erzielte dann 1919 die erste künstliche Atomreaktion.


Bohr (Niels Henrik David):

Nils Henrik David Bohr, 1885 - l962, dänischer Physiker. Er entwickelte 1912 das erste Atommodell. In diesem Bohrschen Atommodell vereinigte er die Plancksche Quantntheorie mit Rutherfords Atommodell. Er gewann den Nobelpreis 1922.

Modelle:


Isotope:

Kernenergie:

 Zusammengefasst von Vanessa Heldt

Die letzten Bilder entstammen aus Encarta 98

Optimale Informationen erhält man auf folgender Internetseite uniterra.de/rutherford

aus dem empfehlenswerten Programm  Rutherford - Lexikon der Elemente

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