Die Bauklötze der Chemie
Von
Eric Coleman
Juni 2001
Inhalt
·
Die Wichtigkeit der
Chemie……………………………………………...…….…3
·
Nachweis von elementaren
Teilchen……………………………………………...4
-
Brownsche Bewegung
-
Diffusion
-
Druck
·
Entdeckung von fundamentalen
Teilchen.………………………………………...6
-
Das Elektron
-
Das Proton
-
Das Neutron
·
Atommodelle…………………………………………………………………….13
-
Das “Rosinenpudding” Modell
-
Das Rutherford Modelle
-
Das Bohr'sche Atommodell
·
Schlußfolgerung……………….…………………………………………………16
·
Glossar………………………………………………………...............................18
·
Bibliographie…………………………………………….................................…19
Die Wichtigkeit der Chemie
Den
Einfall, daß Materie aus Atomen bestehen könnnte, hatte Anfang des neunzehnten
Jahrhunderts John Daulton, aber Ende
des neunzehnten Jahrhundert gewann die These, daß es Teilchen geben müßte, die
kleiner als Atome sind, immer mehr an Bedeutung.
Nachweis von
elementaren Teilchen
Brownsche Bewegung
Das historische
Beispiel (Robert Brown[1],
1827) ist die Untersuchung von Pollen im Wasser. Links kann man ein Stück
Pollen (blau), das im Wasser auf einer Objektträger, die unter einem Mikroskop
liegt, sehen (Abb. 1.1). Das Pollenstück nimmt einen völlig wahllosen Weg,
jedoch gibt es keinen Grund dafür wenn es keine anderen Partikel gibt. Deshalb
dachte Brown, daß es Teilchen geben muß, die man nicht sehen kann und die die
Bewegung beeinflussen.
Abbildung 1.1
Anhand Abbildung
1.2 kann man den Gedankengang besser nachvollziehen. Das Pollensück (blau) verhält sich als ob es mit kleinen, im Wasser befindlichen Teilchen
zusammenprallen würde, die ständig
seine Richtung zu wechseln veranlassen. Jeder Stoß bewegt das Pollenstück in
eine neue Richtung, und daher ist das der Grund, warum wir ein scheinbar
wahlloses Verhalten sehen.
Abbildung 1.2
Diffusion
Wenn
man dunkelroten Farbstoff in eine Tasse Wasser gießt, wird das Wasser rosarot.
Warum bleibt nicht der dunkelrote Teil rot, und der Rest des Wassers klar?
Eine Röhre mit einer
Trennwand in der Mitte und zwei verschiedenen Gasen in beiden Enden, ist
ein gutes Beispiel für Diffusion. Wenn die Trennwand weggenommen wird,
vermischen sich die beiden Gasen spontan. Der Grund dafü, ist daß Atome, Ionen und Moleküle in ständiger Bewegung sind.
Sie stoßen dabei gegeneinander und werden
Abbildung 1.3
dadurch
Abbildung 1.3
aus ihrer Bahn geworfen. Wenn 
die Wand
weggenommen wird, stoßen
die Teilchen der zwei verschiedenen Gase aufeinander, und beginnen damit
sich zu vermischen (Abb. 1.3), bis die zwei verschiedenen Gase nach Kurzer Zeit
vollständig vemischt werden (Abb. 1.4).
Da die Moleküle in ständiger Bewegung sind, könnte es passieren, daß sie sich wieder in eine blaue und eine
rote Gruppe anordnen, aber die
Abbildung 1.3
Wahrscheinlichkeit dafür ist so klein, daß es praktisch
unmöglich ist.
Abbildung 1.4
Druck
Druck ist das dritte Beispiel davon, daß Atome und
Moleküle existieren müssen. Ohne
Teilchen in der Luft gäbe es keinen Druck, da Druck einfach das Gewicht dieser
Moleküle ist.
Es waren diese drei Gründe und andere, die zum
Existenznachweis von elementaren Teilchen geworden sind.
Entdeckung von fundamentalen Teilchen
Das Elektron
Abbildung 2.1
Leute, die im
neunzehnten Jahrhundert von Stadt zu Stadt reisten, entdeckten etwas, das
interessant aussah. Es war eine Röhre aus Glas mit Leitungen an beiden Enden
(Abb. 2.1). Wenn die meiste Luft aus der Röhre herauszog und Strom über die
zwei Leitungen fließen ließ, dann fing das Innere der Röhre an, hübsch zu
leuchten.
Im
Jahr 1859 entdeckte ein Deutscher Physiker eine bessere Pumpe, die mehr Luft
aus der Röhre herausziehen konnte (Abb. 2.2). Um die Kathode herum sah er ein
deutlich grünes Leuchten. Er glaubte, daβ die Ursache dafür nur irgendein
Strahl von der Kathode zur Anode sein konnte.
Abbildung 2.2
Abbildung 2.3
Man brauchte weitere
Experimente, diese Unklarheiten zu beseitigen. Als Physiker einen Magneten in
der Nähe von dieser Glasröhre bewegten, fanden sie heraus, daβ sie die
Strahlen bewegen konnten. Ein weiterer Physiker namens Heinrich Hertz[2]
(Abb. 2.3), bewegte die Strahlen durch
ein elektrisches Feld, das von zwei Metallplatten erzeugt wurde. Aber die
Strahlen verhielten sich nicht, wie man es von positiv geladenen Strahlen
erwarten würde. Vielleicht hatten die Strahlen keine elektrische Ladung?
Abbildung 2.4
Hertz und sein
Student namens Philipp Lenard[3]
(Abb. 2.4) legten eine dünne metallische Folie in den Weg der Strahlen, und sahen,
daß die Röhre nur noch dort grün leuchtete, wo die Strahlen die Folie
durchschritten hatten. War das der Beweis, daß die von der Kathode ausgehenden
Strahlen eine Art von Wellen waren?
Als
Physiker versuchten die Strahlen zu biegen, hatten sie keinen Erfolg. Ein
anderer Physiker namens J.J.Thomson[4]
(Abb. 2.5), hatte eine bessere Idee. Ein Teilchen mit einer elektrischen Ladung
wird normalerweise gebogen, wenn es durch ein elektrisches Feld zieht, wird
aber nicht gebogen, wenn es von einem Stromleiter, zum Beispiel Kupfer, umgeben
wird. J.J.Thomson vermutete, daß die
Restbestände von Gas in der Röhre eine elektrische Ladung von die
Kathodestrahlen bekommen könnten. Deshalb hat er mühsam einen Röhre total ohne
Luft gebaut. Er fand, daß er Recht hatte, und die Strahlen doch sich bogen.
Deshalb mußten sie eine elektrische Ladung haben.
Abbildung 2.5
Links
auf Abbildung 2.6 kann man die Apparate sehen, die J.J.Thomson benutzte.
Strahlen kamen von der Kathode links zuerst durch die Anode und dann durch den
zweiten metallenen Schlitz. Sie fuhren zwischen die zwei Metallplatten
(Etikettieren A und B) und kamen zum Halten bei S. Wenn es ein starkes
elektrisches Feld zwischen A und B gab, krümmte der Strahl sich und die Stärke seiner Krümmung konnte bei S
gemessen werden.
Abbildung
2.6
Mehr Experimente wurden
entwickelt, um Ladung und Masse zu ermitteln, und schlieβlich fand man
heraus, daβ die „Masse/Ladung Verhältnis“ tausendmal weniger als die für
ein Wasserstoffteilchen mit einer positiven Ladung war. Kurz und gut wurde damit
das Elektron entdeckt, und so mussten die Atome aus kleineren Bausteinen
zusammengesetzt sein.
Das Proton
Atome haben kein Ladung. Als
das Elektron entdeckt wurde, gab es darum die Frage was waren die Teile in
Atomen, die eine positive Ladung hatten, und somit die negative Ladung der
Elektronen aufheben konnten, so daβ die Ladung elektrisch neutral war?
Auch war die Masse der Elektronen zwei tausendmal weniger als des leichten Atom – Wasserstoffs. Aus was also bestand der Rest des Atoms?
Abbildung
3.1
Im Jahr 1898 experimentierte der deutscher Physiker Wilhelm Wien[5]
(Abb. 3.1) mit weiteren Röhren auf Glas und unterschiedlichen Gasen, und dabei
entdeckte er Strahlen mit positive Ladungen, die in der entgegengesetzten
Richtung zu den von der Kathode Strahlen führen. Je nach dem Gas im Röhre, gab es eine Auswahl von Massen, aber die
kleinste Masse hatten die gleiche Masse von einem Wasserstoffatom. Sie waren
die positive äquivalent zu Kathodestrahlen. Wein hatte die Strahlen als erste
identifiziert, und danach machte J.J.Thomson mehr Experimenten bis er 1906 die
Teilchen entdeckte, und nannte sie
Protonen.
Protonem
wurden 1914 von Ernest Rutherford[6]
(Abb. 3.2) direkt beobachtet. Er beschoss verschiedene Kerne mit verschiedenen
Alphateilchen und konnte die positive Ladung von Protons ausfindig machen.
Abbildung
3.2
Diese Methode, die Wien
benutzte, wurde zwanzig Jahre später sehr wichtig. Sie wird in
Massenspektrographie benutzt und damit kann man die genau richtige Masse von
Atome und ihren Isotopen feststellen und damit die Energie von Kernreaktionen
berechnen usw.
Das Neutron
Ernest Rutherford
postulierte, daβ ein Proton ein Elektron ausgleichen könnte, und es
deshalb keine Ladung gäben. Dieses
„Proton-Elektron“ Paar würde die gleiche Masse von einem Proton haben. Rutherford
postulierte das, weil es eine Ungleichheit zwischen den Ordnungszahlen des
Elements (Nummer der Protonen = Nummer der Elektronen) und das Atomgewicht
(Fast immer gröβer als das Gewicht des Protons). Dieses Postulat
veranlaßte daß, solche Teilchen entdeckt werden, aber da sie keine Ladung
hatten, bedeutet das, daβ sie schwerer zu finden waren, weil die meisten
Experimente Ladung benutzten.
Im
Jahr 1928 unternamen ein deutscher Physiker namens Walter Bothe[7]
(Abb. 4.1) und sein Student Herbert Becker die ersten Schritte diese Teilchen
zu finden. Sie bombardierten Beryllium mit Alphateilchen von Polonium (Abb.
4.2), und fanden heraus, daβ es durchdringend radioaktive Strahlen ohne
Ladung ausgestrahlten, von denen sie glaubten daβ es Hochenergie Gammaphotonen
waren.
Abbildung 4.1
Abbildung
4.2
James
Chadwick[8]
(Abb. 4.3) wiederholte sofort die Experimente am Cavendish Laboratorium im
Cambridge, England. Er bombardierte nicht nur die Wasserstoffatomen in Paraffin
mit Alphateilchen von Beryllium, sondern benutzte auch Helium, Stickstoff, und
anderer Elemente als Ziele. Er vergleicht die Energien von Teilchen die
zuruckprallten, und bewies, daβ die Emissionen von Beryllium ein Teil ohne
Ladung und ein gleichartig Masse wie
ein Proton hatten. In einer Zeitschrift, die am 17.Februar 1932 erschien,
nannte er den Teil ein Neutron. Er bekam den Nobelpreis für diese Arbeit.
Abbildung 4.3
Abbildung 4.4
Auf Abblildung 4.4 kann man
sehen, was Chadwick machte. In blau (n) sind die Neutronen, die von dem mit
Polonium-Alphateilchen beschossenen Beryllium ausgestrahlt werden. Wenn die
Neutronen auf das Paraffin schlagen, werden Protonen (hier in orange) von dem
Paraffin freigegeben, die im Geigerzähler festgestellt werden können.
Damit war die Suche beendet.
Chadwick hatte ein neues fundamentalen Teilchen gefunden, das das dritte
einfache Teilchen eines Atoms war. Es machte die Masse von Elementen
gröβer ohne mehr elektrisch Ladung hinzufügen. Zwei Protonen und zwei
Neutron machten einen Heliumkern, während 92 Protone und 146 (oder 143)
Neutrone machten Uran das schwerste Elemente. Diese Entdeckung hat nicht nur
unsere Ansicht über Atomkerne geändert, sondern auch eine relativ billige
Methode den Kern zu erforschen geliefert. Weil das Neutron relativ massiv ist,
und hat keine Ladung, wird es fast nicht durch die Elektronenwolke oder den
Kern beeinflußt. Deshalb kann es den Kern von irgendeinem Element
durchdringen.
Seit damals wurden viele
verschiedene und genauere Experiemente gemacht. Deren Ergebnisse in knappster
Form:
|
Teilchen |
Ladung |
Ungefähre Masse |
Exakte Masse |
||
|
Proton (Atomkern) |
1 pos. |
1 u |
1,007276 u |
||
|
Neutron (Atomkern) |
Neutral |
1 u |
1,008665 u |
||
|
|
1 neg. |
1/2000 u |
0,005486 u |
Die Frage ist jetze, wie
sich die Atome aus diesen Teilchen zusammensetzen?
Atommodelle
Das "Rosinenpudding"- Modell
Abbildung
5.1
Eines der verschiedenen Atommodelle dieser Zeit wurde von Thomson
vorgeschlagen (Abb.5.1). In seinem "Rosinenpudding"-Modell (also
genannt "Plumpudding") postulierte er, daß Elektronen (die
"Rosinen") in ein positives Medium (den "Pudding") so
eingestreut sind, daß die negative Ladung der Elektronen gerade ausgeglichen
wird.
Dieses
Modell kam bevor das Proton oder das Neutron entdeckt wurden, und deshalb hat
es dieses „positive Medium“, das er nicht erklären könnte.
Das Rutherford Modell
Rutherford machte eine sehr dünne
Folie (0,004 mm) aus Gold, Silber oder Kupfer, und dazu beschoss er
Alphateilchen. Wenn ein Atom so war, wie Thomson sagte, dann mußten die Alphateilchen zurückkommen, weil sie auf der positive Medium treffen
würden.
Abbildung
5.2
Das
geschah jedoch nicht (Abb. 5.2). Ein paar der Alphateilchen wurden abgeprallt, ein paar fuhren durch die
Folie ohne Winkelabweichung, und der Rest schoß sich in einer zufälligen
Richtung ab.
Abbildung
5.3
Rutherford
folgerte daraus, daß das Atom einen positiv geladenen Kern besitzen muß, in dem
der größte Teil der Masse konzentriert ist und der 10000mal kleiner als das
gesamte Atom ist. Weiter postulierte Rutherford, daß die Elektronen den
Atomkern wie die Planeten in einem kleinen Sonnensystem umkreisen (Abb. 5.3).
„Elektronen nehmen fast das ganze Volumen
des Atoms ein. Sie befinden sich außerhalb des Atomkerns und umkreisen ihn in
schneller Bewegung. Damit das Atom insgesamt elektrisch neutral ist, muß die
Zahl der negativ geladenen Elektronen mit der Zahl der positiv geladenen
Protonen im Kern übereinstimmen.“[9]
Durch die Winkel, die zurückgeschoßenen Teilchen fuhren, konnte Rutherford die folgenden Daten
(Tabelle 5.4) herausfinden:
|
|
Die Dimensionen |
|
|
Der typische Atomdurchmesser |
~ 1
Å |
(= 10-10 m) |
|
Der typische Durchmesser des
Atomkernes |
~ 0.0001 Å |
(= 10-14 m) |
Tabelle
5.4
Das Bohr'sche Atommodell
Der dänische Physiker namens Niels Bohr[10]
entwickelte das Rutherfordsche Modell weiter. 1913 formulierte er sein
Atommodell in
Analogie zum Aufbau unseres Planetensystems. Demnach würden sich alle
Elektronen auf kreisförmigen Bahnen um den Atomkern herum bewegen. Sein Modell
berücksichtigte damit erstmals die verschiedenen Energiezustände der
Elektronenbahnen (sogenannter Elektronenschalen). Das Basismaterial für seine
Modell hatte er bei der Untersuchung des Wasserstoffatoms gesammelt, und damit
die verschiedenen Energiezustände der Elektronenbahnen gefunden. Er benannte
die Elektronenschalen in steigender Ordnung ihrer Energie (und deshalb auch in
steigender Entfernung zum Kern) K-Schale, L-Schale, M-Schale, usw (Abb.5.5).
Abbildung
5.5
“Ein Elektron kann sich nur auf bestimmten, diskreten Kreisbahnen
aufhalten. Diese diskreten Kreisbahnen werden auch Energieniveaus genannt. Die
Bahnen sind konzentrisch um den Atomkern angeordnet. Jede Bahn wird mit einem
Buchstaben (K, L, M, ...) bezeichnet.”[11]
Heute
ist diese Theorie die moderne Anschauung der atomarer Struktur. Es gibt ein paar kleinerer Änderungen, z.B. die Schalen (oder
Hülle) heißen
nicht länger K, L, M, sondern s, p,
d und f.
Schlußfolgerung
Um alles zusammenzufassen,
gibt es Teilchen die man nicht sehen kann und sie heißen Atome. Ein Atom
besteht aus einem Atomkern und einer Atomhülle. Der Kern ist positv und die
Hülle negativ geladen. Der Atomkern trägt
fast die gesamte Masse des Atoms. Es besteht aus Protonen und Neutronen, die
jeweils fast 2000 mal schwerer sind als die Elektronen, aus denen die Atomhülle
besteht. Das Proton hat ein positive elektrische Ladung, die den gleichen Wert
besitzt, wie die negative des Elektrons. Das Neutron jedoch ist elektrisch
neutral so wie das ganze Atom.
Verschiedenen Elemente
bestehen aus verschiedenen Atomen und alles besteht aus Elementen. Ist dies das
Ende der Bauklötze? Leider nicht. Im Laufe der letzten Jahre, wurde sehr viel
mehr entdeckt, und es stellte sich heraus, daß Atomkerne und ihre Hüllen aus
noch kleineren Teichen bestehen!
Abbildung 6.2
1968
wurde das Quarkteilchen entdeckt, und seitdem wurden fünf weitere Quarkteilchen
gefunden. Die sechs neuen Teilchen heißen: „up-quark“; „down-quark“;
„top-quark“; „beauty-quark“; „charm-quark“ und „strange-quark“. Zum Beispiel, in einem Neutron und einem Proton gibt es drei von diesen Quarkenteilchen, ein Neutron besteht
aus einem „up-quark“ und zwei „down-quarks“ (Abb. 6.1), jedoch ein Proton
besteht aus zwei „up-quarks“ und einem
„down-quark“ (Abb. 6.2). Es wird immer mehr komplizierter, wenn mann fragt, aus
was Elektronen bestehen, weil heutzutage es entdeckt wurde, daß ein Elektron
nicht wirklich ein Teilchen ist! Man kann auch fragen, aus was Quarks bestehen,
und so weiter.
Abbildung 6.1
Die meisten Teilchen, die
man heute kennt, sind in Tabelle 6.3. angegeben.
|
Teilchen |
Leptonen |
Quarken |
Andere |
||
|
Familie 1 |
Elektron |
Neutrino |
Up |
Down |
Meson |
|
Familie 2 |
Myon |
My-Neutrino |
Charm |
Strange |
B Meson |
|
Familie 3 |
Tau |
Tau-Neutrino |
Top |
Beauty |
Gluon |
Tabelle
6.3
Andere
Teilchen werden im Augenblick erforscht, zum Beispiel ein Beson ist ein
theoretisches Teilchen, welches für das Gewicht aller Teilchen verantwortlich
ist, aber es ist zur Zeit noch nicht entdeckt worden. (Abb. 6.4 kann man ein
Beispiel von Ergebnissen einer typisch Untersuchung der neues Teilchen sehen.)
Abbildung 6.4
Schließlich kann man sagen,
daß immer wieder neue Teilchen entdeckt werden, wenn das Technologieniveau
deutlich ansteigt, aber für die meistens Chemikeren der Welt sind das Wissen
über die drei fundamentalen Teilchen (Das Pronton, das Neutron und das
Elektron) am wichtigsten, und deshalb der Schlüssel zum Atom.
Glossar[12]
|
Alphateilchen |
Sie bestehten aus Heliumkernen, die aus 2
Neutronen und 2 Protonen bestehen. Daher ist die Strahlung positiv. |
|
Atom |
Kleinstes, mit chemischen Methoden nicht weiter zerlegbares Teilchen eines chemischen Elements. |
Chemie
|
Die Lehre von den Stoffen, von ihrem Aufbau,
ihren Eigenschaften und von ihren Veränderungen. |
|
Elektron |
Elementarteilchen, das neben dem Proton
und dem Neutron der wichtigste Baustein aller Atome und damit der Materie
ist. |
|
Elemente |
Grundstoffe, die sich chemisch nicht in
einfachere Stoffe zerlegen lassen. |
|
Gammateilchen |
(γ-Strahlen) extrem kurzwellige
elektromagnetische Wellenstrahlen mit Wellen längen zwischen 10-11
und 10-14 m, die u.a. beim radioaktiven Zerfall auftreten |
|
Isotopen |
Atome mit gleicher Ordnungszahl aber
verschiedener Neutronenzahl und somit auch verschiedener Massenzahl. |
|
Masse/Ladung Verhältnis |
Die Masse geteilt durch die Ladung |
|
Neutron |
Neutron ist neben dem Proton einer der
beiden Bausteine, aus denen alle Atomkerne zusammengesetzt sind. |
|
Ordnungszahlen des Elements |
Anzahl der in einem Atomenkern
enthaltenen Prontonen. |
|
Proton |
Elementarteilchen, das mit dem Kern des
leichten Wasserstoffatoms 1H identisch ist. |
|
Teilchen |
Kleinste Materiekörperchen wie z.B.
Moluküle, Atome, Atomkerne und Elementarteilchen. |
Bibliographie
·
„Chemie heute“ Sekundarbereich II, Schroedel, 1996
·
„Biologie heute S II“, Schroedel, 1997
·
„Die Chemie“, Schüler Duden, 1998
·
„Synonymwörterbuch“, Bertelsmann Lexikon Verlag, 1998
·
„Physical Chemistry“, P.W.Atkins 6th ed, O.U.P., 1998
·
„Chemistry of the Elements“, N.N.Greenwood A.Earnshaw, 1997
·
„The World of Atoms and Quarks“, Albert Stwertka, S.A.S., 1995
·
http://welcome.cern.ch/welcome/gateway.html