Big Bang 7, Schulbuch

Das moderne Atommodell 34 RG 7.2 G 7.2 Kompetenzbereich Atomphysik 73 34.4 Ein Elektron sieht nicht aus! Elektronenspin und Pauli-Verbot Bevor wir uns das gesamte Periodensystem ansehen, wer- fen wir noch einen Blick auf die ersten paar Elemente und lernen dabei ein ganz wichtiges Prinzip kennen, für das der österreichische Physiker W OLFGANG P AULI den Physiknobelpreis einstreifte. W OLFGANG P AULI (Abb. 34.20), österreichischer Physiknobel- preisträger, soll einmal auf die Frage: „Wie sieht ein Elekt- ron aus?“ geantwortet haben: „Ein Elektron sieht nicht aus!“ Quantenobjekte wie Elektronen entziehen sich einfach unse- rer bildlichen Vorstellungskraft. Es gibt eine weitere Eigenschaft von Quanten, die Pauli 1925 bei Elektronen entdeckte und die man sich nicht bildlich vorstellen kann: den Spin! Leider lässt sich der Begriff schwer in einem Satz erklären. Etwas allgemein, aber nicht sehr befriedigend kann man so sagen: Der Spin ist eine grundlegende Eigenschaft jedes Quants, ähnlich wie seine Masse oder seine Ladung. Alle drei Eigenschaften können wir messen und belegen. Aber es kann niemand sagen, was Ladung, Masse oder Spin „wirklich“ sind. Wie „sieht“ zum Beispiel eine Ladung aus? Wolfgang Pauli würde wohl ant- worten: „Eine Ladung sieht nicht aus!“ Info: Zeeman-Effekt Meistens wird der Teilchenspin mit einer Analogie aus der Mechanik erklärt. Jedes rotierende Objekt besitzt einen Nur Wasserstoff und Helium haben eine Elektronen- schale. Lithium, als drittes Element, hat bereits zwei Schalen. Was spricht dagegen, dass sich ein drittes Elektron auf der innersten Schale befindet? Versuche die Elemente Wasserstoff, Helium und Lithium nach ihrem Atomradius zu ordnen! Was versteht man unter dem Drehimpuls? Lies nach in Kap. 17.4 „Big Bang 6“! Was versteht man unter Vektor und Skalar? Lies nach in Kap. 3.1, „Big Bang 5“! Dass die Sonne ein Magnetfeld haben muss, wusste man schon vor 1900. Aber woher konnte man das wissen? F12 E1 F13 W1 F14 W1 F15 E1 Abb. 34.20: Die beiden Quantenmechanik-Giganten W OLFGANG P AULI (links) und W ERNER H EISENBERG bei der Solvay-Konferrenz 1927 Eigendrehimpuls, also einen Spin ( F14 ; Abb. 34.22). Das Wort Spin kommt aus dem Englischen und bedeutet Drall . Man könnte sich nun also vorstellen, dass auch der Spin eines Quants durch dessen Eigendrehung hervorge- rufen wird, dass also Quanten kleine rotierende Bälle sind. Abb. 34.22: Bei makroskopischen Objekten kann man die Richtung des Spinvektors mit der rechten Hand bestimmen. Wenn die Finger in Drehrichtung zeigen, dann zeigt der Daumen in Richtung des Drehimpulsvektors. Auch Quanten kann man einen Spin zuordnen. Aber Achtung: Quanten sind keine rotierenden Kugeln. Quanten „sehen nicht aus“. Du musst dir aber im Klaren darüber sein, dass die Sache mit dem rotierenden Elektron eine bildliche Hilfskonstruk- tion ist. Der Ort eines Quants ist generell „unscharf“, und sie können daher auch keine kleinen rotierenden Bälle sein. Kurz: Man kann Quanten zwar einen Drehimpuls zuordnen, aber niemand weiß, wie man sich den bildlich vorstellen soll. Zeeman-Effekt Welche Licht-Frequenzen ein Atom aussendet, hängt von der Differenz der Energieniveaus bei den Quantensprüngen ab (siehe Abb. 35.2, S. 78). Bereits 1896 beobachtete der Hol- länder P IETER Z EEMAN , dass sich die Linien eines Spektrums noch weiter aufspalten lassen, wenn sich die Atome in einem Magnetfeld befinden (siehe Abb. 34.21). Deshalb wus- ste man auch schon vor 1900, dass die Sonne ein Magnet- feld haben muss, weil die Spektrallinien des Sonnenlichtes aufgespalten sind ( F15 )! Manche dieser Aufspaltungen konnte man lange Zeit nicht erklären. Erst W OLFGANG P AULI zeigt 1925 auf theoretischem Weg, dass man alle Fälle von Aufspaltungen erklären kann, wenn man annimmt, dass Elektronen eine Eigendrehung, also einen Spin besitzen. Dadurch werden sie salopp gesagt zu kleinen Stabmagneten, die vom äußeren Magnetfeld be- einflusst werden. i Abb. 34.21: Schematische Darstellung der Aufspaltung einer einzelnen Linie durch das Anlegen eines äußeren Magnetfeldes (rechts) Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv