Physik compact, Basiswissen 7, Schulbuch

6 Das Atom 12 Die Bohr´sche Atomtheorie wurde in den folgenden Jahren von verschiedenen Physikern weiter entwi- ckelt. Es stellte sich heraus, dass neben der sogenann- ten Hauptquantenzahl n noch die Nebenquanten- zahl l , die magnetische Quantenzahl m l und eine Quantenzahl für den Eigendrehimpuls des Elektrons (Spin) s eingeführt werden mussten, um die Zustän- de der Elektronen in der Hülle zu unterscheiden. Den verschiedenen Hauptquantenzahlen sind die soge- nannten Schalen der Elektronenhülle zugeordnet. Die Schale, die die Elektronen mit der niedrigsten Energie enthält, ist die sogenannte K-Schale. Sie ist von allen Schalen jene mit der geringsten Entfernung zum Atomkern. Die weiteren Schalen heißen L-, M-, N- Schale usw.  A1 Verschaffe dir Informationen über die Lebensda- ten und wissenschaftlichen Leistungen von J.J. Thom- son, Max Planck, Albert Einstein, Ernest Rutherford und Niels Bohr. A2 Ermittle, für welche Leistungen J.J. Thomson, Max Planck, Albert Einstein, Ernest Rutherford und Niels Bohr den Nobelpreis erhielten. A3 Lies nochmals im Text die Stellen, die die Energie von Photonen behandeln. Stelle selbst eine Formel auf für die Energie von Photonen nach Einstein und eine Formel für die Frequenz von emittiertem Licht nach Bohr. A4 Wiederhole den Begriff stehende Welle. 1924 veröffentliche Louis-Victor de Broglie die Idee, dass nicht nur Licht eine Doppelnatur mit Wellen- und Teilchencharakter hat, sondern auch materielle Teil- chen wie zBElektronen ebenfalls Teilchen- und Wel- lennatur haben sollten. De Broglie postulierte, dass es neben der Dualität von Licht auch eine Dualität der Materie gibt. Nach der Auffassung von de Broglie bilden sich um den Atomkern stehende Elektronen- wellen aus. Da es sich bei ihnen um räumlich statische Gebilde handelt, konnte man mit ihrer Hilfe erklären, warum die Elektronen einer Elektronenhülle nicht dauernd Energie durch Abstrahlung verlieren. Damit war die Stabilität der Atome verständlich. Ein großes Problem liegt allerdings in der Interpretation der Elek- tronenwellen und ganz allgemein der Materiewellen. 1925 erkannte der österreichische Physiker Wolfgang Pauli, dass sich Elektronen in mindestens einer Quan- tenzahl unterscheiden müssen, wenn sie sich im glei- chen Raumbereich aufhalten sollen (Pauli-Prinzip) . Es erklärt, warum bei schwereren Elementen als Wasser- stoff nicht alle Elektronen im tiefsten Energiezustand sein können. A5 Was versteht man unter demmathematischen Be- griff Wahrscheinlichkeit? 1926 kam es zu zwei Entwicklungen in der Quanten- mechanik, die unser heutiges Bild vom Atom immer noch prägen: 1. Max Born interpretierte Materiewellen im Zu- sammenhang mit dem Begriff der Wahrscheinlichkeit. Vereinfacht gesagt, entspricht nach der Born´schen Deutung der Materiewellen das Quadrat ihrer Amp- litude der Wahrscheinlichkeit, mit der ein Teilchen in einem bestimmten Raumbereich zu finden ist. 2. Der österreichische Physik Erwin Schrödinger gelangte im gleichen Jahr zu einer Gleichung, mit de- ren Hilfe er die Form der Elektronenwellen in einem Wasserstoffatom berechnen konnte. Die nach ihm benannte Schrödingergleichung ist die Grundlage für alle Berechnungen, mit denen man jene Funktionen bestimmen kann, die die Elektronenwellen imWasser- Abb. 6.1 links Niels Bohr 1885–1962 Rechts: Bohr´sches Atommodell. Das Atommit der Kernla- dungszahl Z enthält Z positive Ladungen. Die Bahnradien mit den Quantenzahlen 1, 2 und 3 verhalten sich wie die Zahlen 1, 4 und 9. Beim Übergang von einer höheren Energie zu einer niedri- geren Energie wird ein Photon emittiert, dessen Energie so groß ist wie die Differenz der Energiewerte. n = 2 n = 3 n = 1 + Ze ∆ E hf = Abb. 6.2 links Louis-Victor de Broglie 1892–1987 Rechts: Wolfgang Pauli 1900–1958 Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv