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Struktur der Materie

Aufbau der Natur aus „Ur-Elementen“: Wasser, Luft, Feuer, Erde

Leukipp und Demokrit (500-400 v. Chr.):

Aufbau aus wenigen „kleinsten, unteilbaren Urteilchen“

(α-θομοs, vgl. „Tomographie“)

Durch das ganze Mittelalter hindurch: Bronze (Legierung aus Kupfer und Zink) Eisen aus Erz und Kohle Quecksilber aus Zinnober (HgS) Gold aus … ?

Lomonossov (1756), Lavoisier (1774):

„Gesetz von der Erhaltung der Masse bei chemischer Reaktion“

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Struktur der Materie

Lavoisier (1774):

Zerlegung von Quecksilberoxid (HgO)

in seine Bestandteile bei 400 °C.

Rückreaktion bei 300 °C.

(„Traite elementaire de Chimie“:

33 Elemente, von denen aber nur 23 wirkliche Elemente im heutigen Sinn waren)

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Struktur der Materie

Dalton (1808):

Element ist der kleinste, aus Atomen, chemisch darstellbare Baustein

eines Stoffs (erstes „Periodensystem“ sortiert nach Atommassen)

Periodensystem der Elemente (1869 Mendelejew / Mayer):

Einteilung in acht Gruppen (senkrechte Spalten nebeneinander, waagerechte Perioden untereinander)

Verbindungen von Elementen:- kovalente Bindung (Heitler 1927):

gemeinsame Elektronenpaare (Wasserstoffmolekül H2 )- metallische Bindung (Bloch 1928)- Ionenbindung (polare Bindung, Pauling 1932)

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Struktur der Atome

Goldstein (1876):Leuchterscheinungen in Glasgefäßen (Gasentladungen)

„Kathodenstrahlen“ : Ablenkung durch magnetisches Feld Ablenkung durch elektrisches Feld Unabhängig vom Kathodenmaterial Leuchterscheinung weiter ausgedehnt als

mittlere freie Weglänge der Gasteilchen

Lennard (1894):Kathodenstrahlen auch außerhalb des Glasgefäßes (Nobelpreis 1905)

Röntgen (1895):abgebremste Kathodenstr. erzeugen X-Strahlen (erster Nobelpreis 1901)

Thomson und Lennard (1899):Kathodenstrahlen bestehen aus Elektronen(ca. 2000mal leichter als Wasserstoff)

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Struktur der Atome

Becquerel (1896):„Uranstrahlen“ schwärzen eine Photoplattedurch Papier (wie Röntgenstrahlen, 1895)

Ehepaar Curie (1898):

aus UranpechblendePolonium und Radium isoliert

Wird Radium in einem geschlossenenGefäß aufbewahrt, so kann man vorhernicht vorhandenes Helium nachweisen.

Rutherford (1897):„Uranstrahlen“ zeigen - und -Strahlen

Villard (1900):Radium zeigt - und -Strahlung

Beobachtungen:- es wird unter allen Winkeln gestreut- die meisten Teilchen fliegen unabgelenkt durch die Goldfolie- rückgestreute Teilchen haben fast den gleichen Impuls wie beim Einfall

Ernest Rutherford (1871-1938)

„... es war beinahe so unglaublich, als wenn man mit einer 15-Zoll-Granate auf ein Stück Seidenpapier schießt und die Granate zurückkommt und einen selber trifft.“ (E. Rutherford nach seinem Goldfolienexperiment)

Struktur der Atome

Rutherford (1903-1913):Beschuß von Metallfolienmit -Strahlung

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- fast die gesamte Masse der Atome ist in einem Atomkern konzentriert.- Atomkernradius ca. 10-15 m entspricht 1 / 50.000 des Atomradius („Kirschkern im Eifelturm“)- die Kernladung ist ein ganzzahliges Vielfaches einer positiven Elementarladung- Anzahl der im Kern enthaltenen Elementarladungen ist die Kernladungszahl ( = Elektronenzahl, Ordnungszahl im Periodensystem)

Struktur der Atome

Atommodell nach Rutherford

„Planetensystem“: Elektronen umkreisen den Atomkern

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Schwachstelle des Planetenbahnenmodells: - kreisende Elektronen müssten fortlaufend Energie abstrahlen, somit langsamer werden und binnen kurzer Zeit in den Kern stürzen und dort mit einem Proton verschmelzen- kontinuierliche Energieänderung widerspricht diskreten Linienspektren

Struktur der Atome

Atommodell nach Bohr (1913)

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Überwindung der Schwachstellen durch Forderungen („Postulaten“):

1. Elektronen bewegen sich ohne Strahlungsverlust auf ihren Bahnen

2. Wechsel von Bahnen geht mit portioniertem Energie- übertrag einher (gequantelt)

Struktur der Atome

Erfolg des Bohr‘schen Atommodells

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Die Abfolge der Linien im optischen Spektrum von Wasserstoff war qualitativ und quantitativ erklärt !

E = - Ry / n2 (Ry Rydbergkonstante, n Hauptquantenzahl)

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Struktur der Atome

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Einstein (1905): Licht, bisher als Welle, kann auch als Teilchen („Photon“) gesehen werden (einfache Erklärung des photoelektrischen Effekts von Hallwachs 1888).

Davisson und Germer (1923-1927):

Beugung von Kathodenstrahlen an Kupfer-Einkristall.

de Broglie (1924):

Elektronen lassen sich sowohl als Teilchen als auch als Wellen beschreiben („Materiewellen“)

Heisenberg (1925) und Schrödinger (1926):

Quantenmechanik begründet Welle-Teilchen-Dualismus von Materie

Quantenmechanik:Elektronen werden als Welle und Teilchen beschrieben werden

Struktur der Atome

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Dirac (1928):

Aus der Kombination von Quantenmechanik und Relativitätstheorie

folgt die Existenz von „Antimaterie“

Anderson (1932):

Entdeckung des Positrons (Elektron

mit positiver Elementarladung)

Die Bahnen von Elektron und

Positron laufen in einer Nebelkammer

auseinander:

gleiche Radien gleiche Massen

entgegengesetzte entgegengesetzteKrümmungen Ladungen

Bleifolie

- Strahlung

Magnetfeld