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3. Der Aufbau der ATOME
Buch Seite 15 - 16
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AtomtheorienGeschichtlicher Überblick
• 460 v.Chr: Demokrit:- kleinste, unteilbare Materieteilchenatomos
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AtomtheorienGeschichtlicher Überblick
• 460 v.Chr: Demokrit:- kleinste, unteilbare Materieteilchenatomos
• 1808 John Dalton (1766 - 1844) :Atome sind unteilbar!– Chemische Elemente bestehen aus extrem kleinen Teilchen: Atome– bei chemischen Reaktionen werden Atome verbunden oder getrennt– Verbindung (mind. 2 Atomsorten in einem festen Mengenverhältnis)
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AtomtheorienGeschichtlicher Überblick
• 460 v.Chr: Demokrit - kleinste, unteilbare Materieteilchen• 1808 John Dalton (1766 - 1844) : Atome sind unteilbar!
• 1817/29 W. Döbereiner:Elementgruppen (Triaden)
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AtomtheorienGeschichtlicher Überblick
• 460 v.Chr: Demokrit - kleinste, unteilbare Materieteilchen• 1808 John Dalton (1766 - 1844) : Atome sind unteilbar!• 1817/29 W. Döbereiner: Elementgruppen (Triaden)
• 1869 L. Meyer und D. Mendelejew: Periodensystem
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AtomtheorienGeschichtlicher Überblick
• 460 v.Chr: Demokrit - kleinste, unteilbare Materieteilchen• 1808 John Dalton (1766 - 1844) : Atome sind unteilbar!• 1817/29 W. Döbereiner: Elementgruppen (Triaden)• 1869 L. Meyer und D. Mendelejew: Periodensystem
• 1896 Becquerell: Uran – Stahlung• 1898 Marie und Pierre Curie: Polonium, Radium• 1903 Rutherford: Radioaktiver Zerfall!
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Radioaktivität
• 1895 Röntgen – Röntgenstrahlen• 1896 Henry Becquerel – Radioaktivität• Marie und Pierre Curie – Pechblende (UO2) → Polonium, Radium (10-5%)
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Wirkung radioaktiver Strahlung
SymbolArt der Strahlung
ElektrischeLadung
Licht-geschwindig-keit
Reichweite in Luft
Strahlung abgeschirmt durch
α-Strahlung: Heliumkerne
+ 2 ca. 10 % einige cm Papier
ß-Strahlung:Elektronen
- 1 ca. 90% Einige m Glasplatte
γ-Strahlung:Elektro-magnetische Wellen
0 100 % einige 100 m Blei
Strahlenschäden durch hohe empfangene Strahlenmengen:• physikalische Prozessen: Ionisation und Anregung• chemische Reaktionen stören Lebensvorgänge• Gefährliche Stahlung: γ von außen, α von innen!
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Natürliche Radioaktivität: α,β,γ
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Radioaktivität: α-Zerfall
• Abstrahlung von He-Kernen: 42He2+
• Abgabe von 2 Protonen und 2 Neutronen des strahlenden Nuklids– Abnahme der Neutronenzahl um 2– Abnahme der Protonenzahl um 2– Massenzahl minus 4, Kernladung minus 2!
• Beispiele:238
92U → 23490Th + 4
2He2+ (Halbwertzeit 1,2·107 s)
21084Po → 206
82Pb + 42He2+ (stabil)
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Radioaktivität: β-Zerfall
• β- –Emission: Elektronenabgabe aus Kern!!!• Umwandlung eines Neutrons in ein Proton und
ein Elektron– Abnahme der Neutronenzahl um 1– Zunahme der Protonenzahl um 1– Massenzahl bleibt unverändert, Kernladung um 1
erhöht!234
90Th → 23491Pa + e- (Halbwertzeit 2,1·106 s)
146C → 14
7N + e- (Halbwertzeit 1,8·1011s)
Zerfallsreaktion zur C-14 - Altersbestimmung
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Radioaktivität: γ-Zerfall• γ-Strahlen:
– Röntgen 1895: neue Strahlenart entdeckt– Eigenschaften: unsichtbar!
keine Beeinflussung durch elektrische und magnetische Felder! – Erzeugung von Fluoreszenstrahlung– Schwärzung von Photoplatten– Ionisation von Gasen– hohe Durchdringungsfähigkeit– energiereiche, hochfrequente (sehr kurzer Wellenlängen)
elektromagnetische Wellen aus der Elektronenhülledurch Energieänderung der Elektronen
• Neutronenstrahlen:sind energiereiche Neutronen
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Isotope - Radioaktivität
OZ Symb. Element MZ Masse [u] Häufigkeit t50 α/β/γ
1 1H+
1H2H3T
ProtonWasserstoffDeuteriumTritium
1123
1,0072761,0078252,0141023,014949
-99,9850,015-
---12,26 a
---e-
2 4He2+
3He4He5He6He7He
a-TeilchenHelium
434567
4,0015073,0160304,0026045,0122966,018900-
-0,0001399,9998---
---2·10-21 s0,81 s-
a--n, ae-
e-
3 5Li6Li7Li8Li9Li
Lithium 56789
5,0125416,0151267,0160058,0224889,027300
-7,4292,58--
ca.10-21s--0,85 s0,17 s
p, a --e-
e-
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Isotope - Radioaktivität
OZ Symb. Element MZ Masse [u] Häufigkeit t50 α/β/γ
4 6Be7Be8Be9Be10Be11Be
Beryllium 6789
1011
6,0197807,0169318,0053089,01218610,01353511,021660
---100--
4·10-21s53 d3·10-16s-2,7·106 a 13,6 s
ga-e-
e-, g
5 8B9B10B 11B12B13B
Bor 89
10111213
8,0246129,01333510,01293911,00930512,01435313,017779
--19,680,4--
0,78 s---0,020 s0,035 s
e+
p, a--e-, ge-
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Isotope - Radioaktivität
OZ Symb. Element MZ Masse [u] Häufigkeit t50 α/β/γ
6 10C11C 12C13C 14C15C16C
Kohlenstoff 10111213141516
10,01683011,01143312,00000013,00335414,00324215,01060016,014702
--98,891,11---
19 s20,5 min--5760 a2,25 s0,74 s
e+, ge+
--e-
e-, ge-
7 12N13N14N15N16N17N
Stickstoff 121314151617
12,01870913,00573914,00307415,00010816,00608917,008449
--99,630,37--
0,011 s10,0 min--7,35 s4,14 s
e+
e+
--e-, g e-
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Radioaktivität: Halbwertszeit
• Zerfallsreihe: N (t) = N0 · e-k·t
• Halbwertszeit:N = 1/2 N0 daher: nach 10 Halbwertszeiten ca. 1 Promille!
• Je kürzer die Halbwertszeit, desto mehr Strahlung wird abgegeben:Aktivität = Zerfallsakte pro Sekunde (Einheit: 1 Bq - Becquerel = 1/s)
Nuklid Halbwertszeit
Uran-238 4,5*109 Jahre
Kalium-40 1,3* 109 Jahre
Kohlenstoff-14 5.730 Jahre
Radium-226 1.600 Jahre
Strontium-90 28 Jahre
Tritium 12,3 Jahre
Cobalt-60 5,3 Jahre
Polonium-210 138 Tage
lod-131 8 Tage
Polonium-214 1,6 *10-7 Sekunden
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Radioaktive ElementeOZ Name OZ Name OZ Name
43 Technetium 91 Protactinium 101 Mendelevium
61 Promethium 92 Uran 102 Nobelium
84 Polonium 93 Neptunium 103 Lawrencium
85 Astat 94 Plutonium 104 Rutherfordium
86 Radon 95 Americium 105 Dubnium
87 Francium 96 Curium 106 Seaborgium
88 Radium 97 Berkelium 107 Bohrium
89 Actinium 98 Californium 108 Hassium
90 Thorium 99 Einsteinium 109 Meiternium
100 Fermium 110 Darmstadtium
Elementnamen nach IUPAC 1997: bis 109 festgelegt!Blaue Elemente – ab Americium nur künstlich herzustellen!Rote Elemente – ab Polonium radioaktive Elemente: „schwere“ Kerne enthalten mehr Protonen, die sich gegenseitig abstoßen!
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RadioaktivitätNuklide mit Ordnungszahlen >83 geben
α-, β-Strahlung ab → stabile Nuklide!
3 natürliche Zerfallreihen:238U → → → 206Pb235U → → → 207Pb232Th → → → 208Pb
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Kernenergie - Atomkraft
Wärmeenergie aus Masseverlusten in Atomen!
Kernspaltung von Uran-235 in Kraftwerken:235
92U + 10n → 89
36Kr + 14456Ba + 3 1
0n + Δ W
• Restrisiko für Unfälle: Moderation durch H2O, D2O, C
• Wiederaufbereitung der Brennstäbe• Endlagerung strahlender Abfälle:
lange Halbwertszeit vieler Nuklide• Kernkettenreaktionen in Atombomben:
Kernreaktoren liefert Material für Atomwaffen• Spontane Spaltungen: 238
92U → 13752Te + 98
40Zr + 310n
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Kernspaltung
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Kernspaltung
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Kernfusion
Verschmelzung leichter Atomkerne• Sonne wird durch Kernfusion geheizt:
4 11H → 4
2He + 2 e+ + Δ W (26,1 MeV)
• Positronen (e+):positiv geladene Elementarteilchen
• Kernfusion in Wasserstoffbombe• 1991 kontrollierte Kernfusion: D + T
21H + 3
1H → 42He + 1
0n + Δ E (17,6 MeV)
Plasma durch ein Magnetfeld eingeschlossen. 2 Sekunden, Temperatur ca. 170 Millionen°C
• mehr Energie aufgewendet, als gewonnen
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Radioaktive Isotope als Marker
Quelle: The New York Times
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3. Der Aufbau der ATOME
Das Kern-Hülle-Modell des Atoms
Buch Seite 16 - 17
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AtomtheorienGeschichtlicher Überblick
• 460 v.Chr: Demokrit - kleinste, unteilbare Materieteilchen atomos• 1808 John Dalton (1766 - 1844) : Atome sind unteilbar!• 1911 Atommodell von E. Rutherford
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Atommodell nach Rutherford
• 1911 Strahl aus α-Teilchen fastgeradlinig durch 0,004 mm Gold-Folie
• Atomkern im Mittelpunkt des Atoms:– fast die gesamte Atommasse– die ganze positive Ladung– Atomkern ist sehr klein, 10-15m
• Elektronen– nehmen fast das ganze Volumen des Atoms ein– außerhalb des Atomkerns und umkreisen ihn in schneller Bewegung– Großteil des Volumens eines Atoms ist leerer Raum:
α-Teilchen ungehindert durch Metallfolie!!!• Atomdurchmesser: 10-10 m, 100.000-mal größer als Kern!
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Bohrsches Atommodell 1913• Atommodell in Analogie zum Planetensystem • Elektronen bewegen sich ohne Energieverlust auf konzentrischen
Kreisbahnen um den Atomkern (Planeten- oder Schalenmodell) • Jede Schale hat konstanten Energieinhalt (= Elektronenhüllen)• Differenz des Energieinhaltes wird aufgenommen oder abgegeben,
wenn ein Elektron von einer auf die andere Schale springt("Quantelung" der Energie)
• Elektronenschalen mit K, L, M, N, ... bezeichnet oder durch Hauptquantenzahl n mit n = 1, 2, 3, ... – n = 1 entspricht der K - Schale – n = 2 entspricht der L - Schale – n = 3 entspricht der M - Schale usw.
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Bohrsches Atommodell 1913• Elektronenschalen mit steigender Hauptquantenzahl n entsprechend der
Kernladungszahl Z mit Elektronen besetzt:– K-Schale (n = 1) maximal 2 Elektronen– L-Schale (n = 2) maximal 8 Elektronen– M-Schale (n = 3) maximal 18 Elektronen– N-Schale (n = 4) maximal 32 Elektronen
• Maximale Elektronenzahl pro Schale = 2 · n2
• geringste Energie in K-Schale– Grundzustand: Elektron auf innerster, freier Bahn (geringste Energie)– Energiezufuhr: Elektron wechselt auf eine weiter außen liegende Bahn
„Anregung eines Elektrons“– Rückkehr in Grundzustand:
definierter Energiebetrag als Lichtenergie freigesetzt: Lichtquant
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3. Der Aufbau der ATOME
Linienspektren und Spektralanalyse
Buch Seite 19
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Elektronenhülle• Geschwindigkeit elektromagnetischer Wellen ist
Lichtgeschwindigkeit: c = 2,9979·108 m/s = λ·νλ = Wellenlänge in mν = Frequenz in s-1(Hz)
• Max Planck:– h = 6,6262·10-34 J.s (Plancksches Wirkungsquantum).– E = h × ν (Licht als Energie - Lichtquant)
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Spektralfarben
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Regenbogen
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Wasserstoffatom„angeregte Elektronenzustände“
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Atomhülle / Lichtquanten nach N. Bohr
• Elektron kann zwischen erlaubten Bahnen (Orbitalen) springen, Energiedifferenz zwischen den Bahnen wird in Form von Licht abgegeben (oder aufgenommen)
• 1859 Bunsen und Kirchhoff ↔ Linienspektren– Grundzustand: e- auf tiefstmöglicher Energiebahn– angeregter Zustand: durch Energiezufuhr werden
e- auf höhere Energieniveaus gehoben– nur kurze Zeit beständig, e- fällt in Grundzustand:– bei der Anregung aufgenommene (absorbierte)
Energie wird als Lichtquant abgegeben (emittiert)– E = h * ν (Licht bestimmter Wellenlänge oder Farbe)
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Atomhülle / Lichtquanten nach N. Bohr
• Emissionsspektren entstehen, wenn angeregte Atome in den Grundzustand zurückkehren und dabei Lichtquanten einer bestimmten Energie abgeben
• Absorptionsspektren entstehen, wenn Atome aus dem eingestrahlten Licht Quanten aufnehmen, um in den angeregten Zustand überzugehen.Licht bestimmter Farbe geschwächt, deren Energie zur Anregung geeignet ist.
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Spektrallinien einigerAtome
Ag 328,1 338,3 UV
Ba 553,6 744 873
B 452,0 548 345
Ca 422,7 554 622
Co 346,6 353,0 387,4 UV
Cr 360,5 427,5 425,5
Cs 455,5 852,1 894,3
Cu 324,8 327,4 520
Fe 373,7 386,0 385,6 UV
K 404,7 766,5 344,6
Li 670,8 460,3 323,3
Mg 285,2 371 383 UV
Mn 403,3 543,3 279,5
Na 330,3 589,3 818,3
Ni 341,5 352,5 385,8
Pb 368,4 405,8 261,4
Rb 420,2 780,0 794,8
Sr 460,7 821 407,8
TI 377,6 535,0 276,8
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Atomemissionen Element
Wellenlänge λ [nm]ultraviolett / sichtbar / infrarot
Ba 553,6 744 (Oxid) 873 (Oxid)
Ca 422,7 554 (Oxid) 622 (Oxid)
Co 346,6 (Gruppe) 353,0 387,4
Cr 360,5 427,5 (Gruppe) 425,5
Cs 455,5 852,1 894,3
Cu 324,8 327,4 520 (Oxid)
Fe 373,7 (Gruppe) 386,0 (Gruppe) 385,6 (Gruppe)
K 404,7 (D) 766,5 (D) 344,6 (D)
Li 670,8 460,3 323,3
Na 330,3 (D) 589,3 (D) 818,3 (D)
Rb 420,2 (D) 780,0 794,8
Sr 460,7 821 (B) 407,8
Ti 377,6 535,0 276,8