Big Bang 7, Schulbuch

Das moderne Atommodell 34 RG 7.2 G 7.2 Kompetenzbereich Atomphysik 75 Was wäre, wenn es das Pauli-Verbot nicht gäbe? Dann würden sich alle Elektronen immer auf der untersten Schale befinden, also im niedrigsten Energiezustand. Uran zum Beispiel, das schwerste natürliche Element, hätte dann alle seine 92 Elektronen auf einer Schale. Die Elemente würden ihre typischen chemischen Eigenschaften (Kap. 34.5) verlieren. Alle Atome könnten sich dann mit allen Atomen verbinden, und die Atomanzahl in den Molekülen wäre nach oben hin nicht begrenzt. Info: Fermionen und Bosonen Außerdem würden ohne Pauli-Verbot die Elemente mit zu- nehmender Ordnungszahl immer kleiner werden. Warum? Wenn es nur eine Schale gäbe, dann würde mit der Erhö- hung der Protonen im Kern auch die elektrische Anzie- hungskraft wachsen und somit würde die Orbitale näher an den Kern herangezogen. Das ist tatsächlich auch der Fall, aber nur so lange, bis ein neues s-Orbital eröffnet werden muss (Abb. 34.24; F13 ). Das Pauli-Verbot verleiht also, gemeinsam mit der Unschärferelation, der Materie ihr Volumen! Zusammenfassung Jedem Quant kann man eine Eigenschaft zuordnen, die man als Spin bezeichnet. Für Quanten mit halbzahligem Spin ( s = ± 1/2), wie die Elektronen, gilt das Pauli-Verbot. Zwei Elektronen im selben Orbital können nicht den gleichen Spin haben. Diese Tatsache ist für das Verständnis des Perio- densystems unbedingt notwendig. 34.5 Jenseits von Lithium Das Periodensystem Die chemischen Elemente sind im Periodensystem geordnet dargestellt. Diese Regelmäßigkeit kommt durch die mögli- chen Energiezustände der Elektronen zustande. Man kann das Periodensystem daher nur quantenmechanisch ver- stehen. Noch einmal kurz zur Wiederholung: Ein eingesperrtes Elek- tron kann man mit Hilfe einer stehenden Wahrscheinlich- keitswelle beschreiben. Aus dieser kann man auf den Aufenthaltsort des Elektrons schließen, das Orbital . Im eindimensionalen Fall sieht die Wellenfunktion wie eine schwingende Saite aus (Abb. 34.11, S. 70). In diesem simplen Fall kann nur die Wellenlänge variieren. Deshalb kann man Z Wodurch unterscheiden sich die Elemente dieses Universums ganz einfach gesagt? Was versteht man unter Valenzelektronen? Wie viele Valenzelektronen kann ein Element maximal haben? F16 E1 F17 W1 den eindimensionalen Fall mit nur einer Quantenzahl voll- ständig beschreiben. Info: Quantisierte Energie -> S. 72 Auch ein Elektron in der Atomhülle ist durch die elektrische Anziehung durch den Kern quasi „eingesperrt“ und kann ebenfalls durch eine stehende Wahrscheinlichkeitswelle beschrieben werden. In diesem realen, dreidimensionalen Fall gibt es wesentlich mehr Variationsmöglichkeiten, und die Orbitale sehen teilweise ziemlich kurios aus. Zur Be- Tab. 34.2: Übersicht über die Orbitalformen der ersten 4 Schalen (K, L, M und N) bei Wasserstoff: Die Quantenzahlen n und l wurden variiert, m ist in allen Fällen 0. Im Gegensatz zu Abb. 34.19 (S. 72) ist die Darstellung hier dreidimensional. Die Farben geben die Schwingungsphase an. Vergleiche dazu das 2p-Orbital in der dritten Zeile in der zweiten Spalte mit der schwingenden Seifenlamelle in Abb. 34.12 d, S. 70. Abb. 34.26: a) Die Hauptquantenzahl n und die Drehimpulszahl l legen die Energie des Elektrons fest. b) „Ineinandergeschobene“ Ener- gieniveaus: Bei höheren Hauptquantenzahlen werden die Abstän- de kleiner, und es kommt zu „Unregelmäßigkeiten“ in der Reihen- folge. So hat zum Beispiel ein Elektron im 4s-Orbital weniger Energie als im 3d-Orbital. Wasserstoff bildet mit nur einem Elekt- ron eine Ausnahme. Bei ihm hängen die Energieniveaus nur von n , aber nicht von l ab. Nur zu Prüfzwecken n – Eige tum des Verlags öbv