Big Bang 7, Schulbuch

68 RG 7.2 G 7.2 Kompetenzbereich Atomphysik Atommodell Jahr stichwortartige Beschreibung D EMOKRIT –400 Atome sind unteilbare Kugeln. Thomson weist die Existenz von Elektronen nach. T HOMSON 1897 Elektronen befinden sich wie Rosinen im positiven Atomkuchenteig. Rutherford weist den positiv geladenen Atomkern nach. R UTHERFORD 1911 Um einen positiven Kern kreisen negative Elektronen auf beliebigen Bahnen. Gase haben Linienspektren. B OHR 1913 Wie Rutherford-Modell, aber Elektronen „dürfen“ nur auf bestimmten Bahnen kreisen.. Atome strahlen nicht und kollabieren nicht. H EISENBERG und S CHRÖDINGER um 1926 Elektronen haben keine Bahnen, sondern Aufenthaltswahrscheinlich- keiten (Orbitale). Tab. 34.1: Entwicklung des Atommodells sowie fett gedruckt experimentelle Erkenntnisse und Tatsachen, die zu dieser Entwicklung geführt haben (siehe auch Abb. 34.2, S. 66). B OHR konnte mit diesem Trick zwar das Wasserstoffspektrum erklären, hatte aber keine theoretische Grundlage, um den Elektronen bestimmte Bahnen zu „erlauben“ und den Rest einfach zu „verbieten“ (Abb. 34.4, S. 67). Wir wissen heute, dass Bohr die richtige Lösung zu dieser Zeit noch nicht fin- den konnte. Denn das Atom kann man nur mit Hilfe von Wahrscheinlichkeitswellen sinnvoll beschreiben, und die Theorien dazu wurden erst in den 1920ern entwickelt, wie du Spektrallinien Dass das Licht in irgendeiner Form von den Elektronen im Atom ausgesendet wird, wenn sich deren Energie verändert, vermutete man seit rund 1900. Da nach dem Rutherford- schen Atommodell die Elektronen auf beliebigen Bahnen kreisen können, können sie bei Änderung der Bahn auch jede beliebige Energie abstrahlen und somit auch jede be- liebige Farbe. Atome müssten also wie in Abb. 34.8 a ein kontinuierliches Spektrum aussenden. Tatsächlich enthält das Spektrum eines Gases aber nur ganz bestimmte Linien (Abb. 34.8 b bis d). Diese Spektrallinien sind gewissermaßen der „Fingerabdruck des Atoms“ (siehe auch Kap. 35.1, S. 78). i Abb. 34.8: a) Spektrum des weißen Lichts, das alle Farben beinhaltet; weiters Spektren von b) Wasserstoff, c) Helium und d) Neon in den folgenden Kapiteln hören wirst. Der große Verdienst B OHRS war es auf jeden Fall, das Atommodell als Erster über die Gleichung E = hf mit der Quantenmechanik verbunden zu haben. Zusammenfassung Zwischen 1897 und 1913 wurde das Atommodell immer wie- der verbessert. Aber die Zeit war einfach noch nicht reif, ein schlüssiges Modell zu finden. Denn dazu bedurfte es jener Erkenntnisse der Quantenmechanik, die die Physiker eben erst rund 10 Jahre später hatten. 34.2 Was stoppt den Atom-Kollaps? Das Wasserstoffatom Wir schauen uns in diesem Abschnitt die Grundidee des quantenmechanischen Atommodells am Beispiel von Wasserstoff an. Man braucht dazu eigentlich nur die Un- schärferelation. Aber Achtung: Jetzt wird’s abstrakt. Was passiert, wenn ein Elektron auf ein Proton trifft? Das ist eine Schlüsselfrage für das Verständnis des Atomaufbaus. Überlegen wir nochmals aus klassischer Sicht! Beide Teil- chen werden angezogen, und es gibt nichts, was sie bremst. Entweder treffen sie direkt aufeinander, oder das Proton fängt das Elektron ein – wie ein Planet einen Mond. Dabei würde das Elektron aber Energie abstrahlen und letztlich doch auf das Proton stürzen (siehe Abb. 34.3, S. 67). Du siehst also: Aus klassischer Sicht würden die Teilchen in jedem Fall aufeinander „kleben“ und nach außen hin neutral sein. Was passiert aber in der Realität, wenn ein Elektron auf ein Proton trifft ( F7 )? Es entsteht ein Wasserstoffatom! Du siehst also, warum es unmöglich war, Anfang des 20. Jahr- hunderts ein schlüssiges Atommodell zu finden. Aus klassi- scher Sicht dürfte es Atome nämlich gar nicht geben! Was verhindert aber den Kollaps des Atoms? Die Unschärfe- relation! Z Warum verliert der Bahnbegriff in der Quantenmecha- nik seine Bedeutung? Lies nach in Kap. 33.6, S. 64! Im leeren Raum trifft ein Elektron auf ein Proton. Weil sie gegengleich geladen sind, ziehen sie einander an. Das Proton hat eine Masse, die rund 2000-mal so groß ist wie die des Elektrons. Was passiert bei diesem Aufeinandertreffen? Was passiert mit der kinetischen Energie eines Quants, das man auf engem Raum einsperrt? Überlege mit Hilfe der Unschärferelation! Sehr knifflig! F6 W1 F7 E1 F8 E2 Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv