Übungsblätter Flashcards
Was sind die Grundkräfte?
1: Gravitationskraft: Wirkt auf jeden Körper mit Masse, nicht abschrimbar; unendliche Reichweite, nimmt ab mit zunehmender Entfernung
2: Elektromagnetische Kraft: wirkt anziehend oder abstoßend, ist abschirmbar; unendliche Reichweite, nimmt ab mit zunehmender Entfernung
3: schwache Wechselwirkung: wirkt im Atomkern, wichtig bei Kernreaktionen; 10^-16m
4: starke Wechselwirkungen: hält Proton & Neutron zusammen, wirkt im Atomkern; 10^-15m
Aggregatzustände: Gas->Flüssig Gas->Fest Flüssig->Gas Flüssig->Fest Fest->Gas Fest->Flüssig
kondensieren resublimieren verdampfen/verdunsten erstarren sublimieren schmelzen
Erklärung: Plasma
Plasma ensteht, indem man einem Gas soviel Energie hinzufügt, dass eine kritische Anzahl von Elektronen die Atomhülle verlassen. Teilchengemisch aus: Ionen, freie Elektronen, Gasmoleküle und angeregten gasmolekülen.
Absolute Temperaturskala: Smp. Wasser Sdp Wasser Sdp Stickstoff Sublimationspunkt CO2 Sdp Helium Absoluter Nullpunkt
°C K 0 273,15 100 373,15 -196 7 -78,5 194,65 -269 4 -273,15 0
Erklärung: Element
Besteht aus einer Art von Atomen (gleiche Kernladungszahl) und kann nicht weiter getrennt werden (reine Elemente: Atom od. Molekül)
Erklärung: Verbindung
besteht aus zwei oder mehreren Elementen, die chemisch miteinenader Verbunden sind
Erklärung: Gemisch
unterschiedliche Elemente und/od Verbindungen, die physikalisch trennbar sind
Erklärung: Molekül
bestehen aus mind. 2 Atomen (gleich od unterschiedlich)
Erklärung: Ordnungszahl (OZ)
auch Kernladungszahl: Anzahl der Protonen eines Elements im AK
Erklärung: Kernladungszahl
auch Ordungszahl (OZ): Anzahl der Protonen eines Elements im AK
Erklärung: Isotope
haben gleiche OZ, also gleiches Element unterscheiden sich an der Anzahl der Neutronen, Isotopeneffekt: haben unterschiedliche Eigenschaften
Erklärung: Massendefekt
Wenn sich freie Protonen und Neutronen zu einem kern verbinden, ist dieser Kern leichter als seine Einzelbausteine zusammen. Diese Fehlende Masse wurde als kernbildungsenergie frei.
Masse von
Neutron:
Proton:
Elektron:
1,674910^-24g
1,672610^-24g
1/2000 * 1,6726*10^-24g
Definition Atommasse-Einheit: (+Begründung existenz)
def.: 1/12 der Masse eines Atoms des Kohlenstoffisotops 12C
Begründung: die Masse von Kernbausteinen und Atomen ist extrem klein, daher wurde zum rechnen und vergleichen eine spezielle Atommasseeinheit eingeführt.
Bezeichnungen/Abkürzungen der Atommasseeinheit:
u (Unit), Da (Dalton), ame (Atommasseneinheit)
Definitions Stoffmenge:
Stoffmenge eines Systems, das aus ebenso vielen Einzelteilchen besteht, wie Atome in 12g des Nukliods 12C enthalten sind = ein Mol.
warum Avogadro-Zahl?
weil sie eine Naturkonstante ist und man durch diese Zahl die Masse der Atome ausrechnen kann. Na=6,02210^-23 1/mol
1molNa*12u=12g
Dalton`s Atomtheorie
WICHTIGSTEN AUSSAGEN:
- alle Atome eines Elements sind identisch
- unterschiedliche Elemente: unterschiedlichen Atomen mit unterschiedlichen Massen
- Verbindung: Atomen verschiedener Elemente
- bestimmte Verbindung: immer gleiche relative Anzahl derselben Atomsorte
- chemische Reaktionen: Atome werden nicht neu erschaffen, zerstört od in andere umgewandelt
Welche 3 wichtigen Gesetze können durch das Dalton’sche Modell erklärt werden?
- Gesetz der Erhaltung der Masse:
die Masse aller Stoffe nach der Reaktion ist Gleich der Masse aller Stoffe vor der Reaktion - Gesetz der konstanten Proportionen:
relative Anzahl und die Atomsorten sind in einer bestimmten Verbindung immer gleich - Gesetz der multiplen Proportionen
Wenn aus zwei Elementen A und B mehr als eine Verbindung werden kann, dann ist das Verhältnis der verschiedenen Massen B, die mit einer bestimmten Masse A reagieren, immer ein kleiner ganzzahliger Wert.
Thomson´s Rosinenkuchen Modell
- ganze Atom: positiv geladenen Grundmasse = relativ locker und leicht durchdringbar
- kleinen, leichten, negativ geladenen Elektronen (E) darin homogen eingelagert
- Dichte innerhalb Atomist = überall gleich
Experiment zur Erzeugung und Nachweis von Elektronen
- durch thermische Energie werden E in einem Material so schnell, dass sie die Kernanziehung überwinden
- zusätzlich elektrisches Feld angelegt: freien E werden in Richtung der + Seite (der Anode) geleitet
-entsteht ein Elektronenstrahl, der durch ein quer zur Strahlrichtung angelegtes zweites Feld (Magnetfeld) abgelenkt werden kann
Beispiele: Kathodenstrahlröhre.
Erklärung: Rutherford´schen Streuversuch und die wichtigste daraus gewonnene Erkenntnis.
- beschoss dünne Goldfolie (wenige Tausend Atomschichten) mit α-Teilchen (Helium-Kerne)
- Erwartung: Rosinenkuchen-Modells
-> alle α-Teilchen durchdringen die Goldfolie ohne nennenswerten Widerstand geradlinig
Aber: einige E wurden abgelenkt, einige flogen sogar direkt zurück
-sus Streuwinkeln & der Häufigkeit der Ablenkungen entwickelte Rutherford das Kern-Schale-Modell
Planetenmodell:
- Atome ähnlich aufgebaut wie unser Sonnensystem
- Mitte = Kern (positiv geladen, sehr klein und enthält fast die gesamte Masse)
- Hülle fliegen genauso viele E in Kreisbahnen um den Kern, wie der Kern P
- Umlaufbahnen sind groß= Atom fast leere Kugel
Erklärung: drei wichtigsten Bausteine eines Atoms am Beispiel von Wasserstoff und seinen Isotopen Deuterium und Tritium.
Atom hat drei wichtige Bausteine:
Protonen und Neutronen im Kern, Elektronen in der Hülle
Das Element wird ja von der OZ/KZ definiert, es können aber unterschiedliche Mengen an Neutronen vorhanden sein.
Beispiel: Die Isotope des Wasserstoffs:
Protium: ein Proton im Kern, ein Elektron in der Hülle
Deuterium: ein Proton und ein Neutron im Kern, ein Elektron in der Hülle (ca. doppelt so schwer wie Protium)
Tritium: ein Proton und zwei Neutronen im Kern, ein Elektron in der Hülle (ca. dreimal so schwer wie Protium)
Warum kann das Planetenmodell nicht stimmen? Warum passt es nicht zur klassischen Physik?
- beschleunigte elektrische Ladung erzeugt ein Magnetfeld -> verliert dadurch Energie
- Wenn ein E in einer Kreis- oder Ellipsenbahn um eine positive Ladung kreist -> muss Energie verlieren
- dies sollte dazu führen, dass Umlaufbahn des Eimmer kleiner wird -> E in einer Spiralbahn in den Kern stürzt Atome dürften also nicht stabil sein – Sind sie aber!
Erklärug: grundsätzlicher Unterschied zw dem Sonnenlicht und dem Licht,
das von Wasserstoff, Natrium oder einem anderen Element abgegeben werden kann.
- Sonne sendet breites Spektrum an elektromagnetischer Strahlung ins Weltall
-> kann vom menschlichen Auge detektiert werden
= sichtbare Bereich des el-magn. Spektrums - gesamte Wellenlängen-Mix erscheint uns weiß
-mit Prisma kann Mix getrennt werden: erhalten alle Farben des Regenbogens in kontinuierlichen Band. - wenn Elemente stark erhitzt, dann senden sie ebenfalls elektromagnetische Strahlung aus
->kein kontinuierliches Spektrum, sondern ein für jedes Element charakteristisches Linienspektrum - einige Linien: weit im kurzwelligen
Bereich, manche im sehr langwelligen Bereich, manche aber auch im sichtbaren Bereich
Schickt man das Licht eines Elements durch ein Prisma, -> erkennt ein ganz feines Linienspektrum
-Lage der Linien -> Aufschluss über Aufbau der
Atomhülle
Postulate, des Bohr’schen Atommodell
-bewegen sich E auf diskreten Bahnen, verlieren keine Energie! -> erzeugen also keine elektromagnetische Strahlung
-E kann von einer Bahn auf eine andere springen: Quantensprung.
- E von ursprünglichen, energiearmen Bahn auf nächst höhere Bahn -> braucht Energie, von außen zugeführt -> Form von Wärme od Strahlung
-E von höheren Bahn in ursprüngliche -> Energie wird frei in Form von Strahlung
-benötigte oder freiwerdende Energie= Energieunterschied der Bahnen
- abgegebene Strahlung: nach Plank ganz best. Frequenz und Wellenlänge, da ja die
Frequenz (und die Wellenlänge) einer Strahlung direkt mit der Energie zusammenhängt:
E=hν.
Erklärung des Wasserstoff-Emissionsspektrummit Hilfe des Bohr-Modells
Experiment (beim Erhitzen von Wasserstoff) nur bestimmte Linien mit einer bestimmten Energie auftauchen, dann können sich die E auch nur auf bestimmten Energieniveaus befinden
- Wechsel vom höheren zum tieferen Niveau
wird Licht einer ganz bestimmten Frequenz ausgesendet: Es entsteht eine diskrete Linie
im Spektrum.
-Bohr-Modell postuliert nun gerade solche bestimmte “diskrete” Energieniveaus und
erklärt somit die Beobachtung der Linienspektren.
vier Quantenzahlen des Bohr-Sommerfeld-Modells (Werte)
Hauptquantenzahl: n=1,2,3,…, unendlich (ganze Zahlen)
Nebenquantenzahl: l=0, 1,…n-1
Magnetquantenzahl: ml= -l, …, +l
Spinquantenzahl ms= +½,- ½
„Pauli-Verbot“ oder Pauli-Prinzip“
In einem System (Atom, Molekül) darf es keine zwei identischen Elektronen geben.
- E müssen sich in mindestens einer Quantenzahl unterscheiden
- E im gleichen Orbital befinden, stimmen schon drei Quantenzahlen überein (n, l,ml) -> müssen sich also unbedingt in der Spinquantenzahl unterscheiden, da es aber nur 2 Spinquantenzahlen gibt, können im gleichen Orbital auch nur maximal 2E sitzen.
Erklärung Welle-Teilchen-Dualismus
- Objekte der Quantenphysik müssen gleichermaßen die Eigenschaften von klassischen
Wellen wie die von klassischen Teilchen zugeschrieben werden - gilt z.B. für das E
gibt Experimente, die nur erklärbar sind, wenn sich das
Elektron als Teilchen verhält und es gibt Experimente, die nur mit der Wellennatur des E erklärbar sind.
Experiment, das die Teilchennatur des Elektrons „beweist”
Erzeugung von Elektronen in der Kathodenstrahlröhre und die Ablenkung des
Elektronenstrahls im Magnetfeld.
Experiment, das die Wellennatur des Elektrons „beweist“
Doppelspaltexperiment: Schießt man Elektronen durch einen Doppelspalt erhält man
dahinter ein Interferenzmuster, wie es nur von wellen erzeugt werden kann.
Berechnen Sie die Wellenlänge des Elektrons (m=9,10x10-28g) und die Wellenlänge einer Milchtüte (m=1kg)
Masse und Energie: zwei Formen, die sich ineinander umwandeln können.
Die Beziehung dazu ist die berühmte Einstein´sche Formel E=mc2.
Plank hat die Energie mit der Frequenz einer Welle in Beziehung gebracht: E=hν.
Setzen wir die beiden Ausdrücke gleich:
mc2=hν
und lösen nach der Frequenz auf: ν= 𝑚𝑚𝑚𝑚2ℎ
Wir können also jede Masse in eine Frequenz umrechnen, wenn wir die Werte für h (Plank´sches Wirkungsquantum – eine Naturkonstante) und für c (Lichtgeschwindigkeit im Vakuum) einsetzen.
Die Frequenz hängt mit der Wellenlänge wie folgt zusammen: λ= 𝑐ν
Rechnen dürfen sie selbst, aber man kann schon abschätzen: Wenn ich eine große Masse habe (z.B. 1kg) wird die berechnete Frequenz sehr sehr hoch und die Wellenlänge sehr klein. Das wesentlich leichtere Elektron wird eine niedrigere Frequenz haben und damit eine größere Wellenlänge.
Bohr-Modell: Elektron als Welle und nicht als Teilchen -> ergeben sich sofort diskrete Umlaufbahnen des Elektrons um den Kern – Warum?
Hier geht es um eine sog. “Stehende Welle”.
- existieren nur wenn der Abstand der Begrenzungswände zw der die Welle hin und her läuft ein ganzzahliges Vielfaches der Wellenlänge ist.
-Abstand minimal verkleinert oder vergrößert, gibt es keine stehende Welle, sondern es kommt zur (zumindest teilweisen) Auslöschung.
-soll im Kreis laufen (im Atom brauchen wir sogar dreidimensionale Wellen) muss auch der Radius genau ein Vielfaches der Wellenlänge sein.
- E auf größere Kreisbahn schicken, muss Kreisbahn um genau eine Wellenlänge, oder genau zwei Wellenlängen usw. vergrößert werden: Diskrete Umlaufbahnen (Energieniveaus)!
Würde die Kreisbahn z.B. nur um eine halbe Wellenlänge vergrößert, käme es zur Auslöschung: das Elektron als welle wäre weg, das Atom instabil…
Erklärung Heisenberg´sche Unschärferelation
Warum Wahrscheinlichkeiten statt Fakten
Zwei komplementäre Eigenschaften eines Teilchens können nicht gleichzeitig beliebig genau bestimmt werden
- bekannteste Beispiel: Ort und Impuls
- Unschärferelation ist nicht die Folge technisch behebbarer Unzulänglichkeiten eines entsprechenden Messinstrumentes, sondern prinzipieller Natur
-Um Ort eines T zu beobachten muss irgendetwas damit ww
- winziges Teilchen vermessen z.B. ein Elektron (E)
Der Lichtstrahl, der das E trifft, besteht aus Photonen, die eine ähnliche
Größenordnung haben wie das E selbst. Wird das E getroffen, erhält es
einen zufälligen Impuls und fliegt „irgendwo“ hin. Die reflektierte Welle im Detektor zeigt jetzt einen Ort
an wo das Teilchen war, aber nicht mehr ist!
Wir können über den Ort und Impuls subatomare Teilchen deshalb nur Näherungen
angeben: Wahrscheinlichkeitsräume statt genaue Orte.
wichtigste Kennzeichen: wellenmechanischen Modells (die wichtigsten Unterschiede zum Bohr-Sommerfeld-
Modell)
- E als Wellen und nicht als Teilchen betrachtet
- Alle E werden delokalisiert über das ganze Atom oder Molekül betrachtet
Erinnern sie sich: Das 2s-Elektron z.B., hat auch Elektronendichte nahe am Kern! - Das ganze Atom/Molekül wird als Einheit gesehen: gibt positives (mehr oder
weniger lokales) Feld aller AK mit jeweiligen Bindungsabständen und in dieses
Feld werden die E so verteilt, dass ein Energieminimum entsteht. Da wir Ort und
Impuls der Elektronen nicht genau bestimmen (Heisenberg) können die Rechnungen nur
Wahrscheinlichkeiten liefern, ein bestimmtes E an bestimmten Platz anzutreffen. - „erlaubte“ Energieniveaus werden errechnet und diese werde von unten nach oben in
der Energieskala mit E besetzt, bis alle E untergekommen sind.
„Erlaubt“ heißt bei Schrödinger &Bohr, dass es kein Kontinuum gibt, sondern nur
diskrete Energieniveaus: Ein E kann auf dem einen oder anderen Energieniveau
sitzen, aber nie dazwischen. Zum Übergang braucht man eine Mindestenergiemenge:
Quantelung/Portionierung der Energie!
Warum gibt es keinen exakten, eindeutigen Atomradius
-Elektronendichte in einem Atom nimmt mit zunehmendem Abstand zum Atomkern
kontinuierlich ab und läuft dabei asymptotisch gegen Null.
-> 100% Elektronendichte im Atom -> Radius unendlich groß
-damit kann man nicht arbeiten = wird irgendwo abgeschnitten (je nach
Problemstellung kann das bei 90 oder 99% oder ein andere Wert sein).
- Atomradien sind also nicht fix, hängen von der Messmethode ab
(Vorsicht beim Vergleichen von Atomradien: Alle Radien müssen nach der gleichen
Methode ermittelt worden sein!)
Erklärung: Van-der-Waals-Radius
Halber Abstand der Kerne zweier benachbarter, aber nicht verbundener Atome.
z.B. Edelgase im festen Zustand.
Erklärung Metallischer Radius:
Halber Abstand der Kerne zweier benachbarter Atome im festen Metall
Erklärung Kovalenzradius:
Halber Abstand der Kerne zweier Atome des selben Elements in einer kovalenten Bindung, also z.B. im Cl2-Molekül.
Entdeckung OZ
Anfang des 20. Jahrhunderts machte Henry Moseley Experimente mit den damals neu entdeckten Elektronen (Thomson, 1897) und der Röntgenstrahlung (Röntgen, 1895). Er beschoss reine Elemente mit einem hochenergetischen Elektronenstrahl und konnte nachweisen, dass die Elemente daraufhin Röntgenstrahlen emittierten. Jedes Element erzeugte dabei Röntgenstrahlen einer ganz bestimmten – für das Element charakteristischen – Frequenz. Er ordnete die Elemente nach zunehmender Frequenz und gab jedem Element eine Nummer: H=1, He=2, usw. Diese Nummer nannte er Ordnungszahl.
Er erkannte dann, dass diese OZ genau der Anzahl der positven Ladungen (der Protonen) im Kern entsprach: Die OZ ist also das gleiche wie die Kernladungszahl!.
Er erkannte weiterhin, dass man die „Anomalien“ im PSE einfach vermeiden kann, wenn man das PSE nicht nach der Masse, sondern nach der OZ/KZ ordnet.
Entdeckung OZ
Henry Moseley experimenierte mit E (Thomson, 1897) & Röntgenstrahlung (Röntgen, 1895)
- beschoss reine Elemente mit hochenergetischen Elektronenstrahl -> knachweisen, dass die Elemente daraufhin Röntgenstrahlen emittierten
- jedes Element erzeugte dabei Röntgenstrahlen einer ganz bestimmten – für das Element charakteristischen – Frequenz.
- ordnete die Elemente nach zunehmender Frequenz und gab jedem Element eine Nummer: H=1, He=2, usw. -> Nummer nannte er Ordnungszahl.
- erkannte, dass OZ genau Anzahl der positven Ladungen (der Protonen) im Kern entsprach
- „Anomalien“ im PSE einfach vermeiden, wenn PSE nicht nach der Masse, sondern nach der OZ/KZ geordnet wird
Ordnung der Elemente nach zunehmender Masse nicht unbedingt identisch zur Ordnung nach zunehmender Kernladungszahl?
liegt an Isotopen:
- Elemente können unterschiedlich viele Neutronen(N) haben (Isotope).
- Atome mit mehr N = schwerer
- Masse natürlich vorkommenden Elements = Durchschnitt aller Isotope
- Element mit niedrigerer OZ aber Isotopen mit vielen N schwerer sein, als nachfolgende Element mit höheren OZ
