Elementare Bausteine Gase: Ensemble von vielen unabhängigen Bausteinen

Temperatur Brownsche Molekularbewegung

Kondensierte Materie (Flüssigkeiten und Festkörper)Kristalle: Ensemble von vielen regelmäßig angeordneten Bausteinen

Bruchkanten regelmäßige Interferenzmuster

370µm

PbS-Kristalle kubisch

Zirkon Oberfläche

Quarz hexagonal

7. Struktur der Materie

Studium unabhängiger Atome oder Moleküle verdünnte GaseAnregung durch Energiezufuhr

Gasentladung Leuchterscheinung Spektrallinien mit und Frequenz = c/

Energieumwandlung zwischen diskreten Zuständen verschiedener Energie

jedes Atom strahlt unabhängig Strahlung inkohärent

Glühlampe Sonne

E3

E2

E1

Absorption

Emission

Fluoreszenz

Planckansatz:

E2 -E1 = h·

Wirkungsquantum

Termschema: Anordnung der Zustände nach der Energie

Spektrum Fingerabdruck des Elements

7.1 Atome und Moleküle

L am p e

Kondensor

Spalt

Spalt wird auf den Schirm abgebildet

Schirm

Spektralzerlegung

Prismenspektrograph

stimulierte Emission Kohärenz der Strahlung

Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation

Reflexion 100% Reflexion 95%E

nerg

iezu

fuhr

Energiezufuhr Atom/Molekül bevorzugt in Zustand E3

mehr Emission als Absorption zwischen E3 und E2

Inversion

1.

Spiegel koppeln das erzeugte Licht in die Emissionsregion zurück

weitere Emission bevorzugt im gleichen Rhythmus wie rückgekoppletes Licht

2.

Kohärent Oszillation, wenn Verluste kleiner als Erzeugungsrate Laser

3.

E1

E3

E2 Zerfall

Em

issi

on

Abs

orpt

ion

Zufuhr

Strahl mit kleiner Divergenzhohe Monochromasiehohe Intensität

Anwendungen

Funktion eines Lasers

Grundidee zur Auswahl von diskreten Energieniveaus Wellenmechanik, Quantenmechanik

Eigenfrequenzen Umlauffrequenzen wie im Planetensystem?

Nein: 1. Jedes Atom wäre individuell, wie gerade die „Planeten vom Kern“ eingefangen wurden.

2. Warum gibt es nur wenige Umlaufbahnen? 3. Atom wäre nicht stabil, da umlaufende Ladung Energie abstrahlt.

Atom ist beliebig häufig ununterscheidbar zu einem anderen der gleichen Sorte herstellbarGleichheit der Spektren „Fingerabdruck des Atoms“

akustische stehende Welle in einem Rohroder Lichtwelle zwischen zwei Spiegeln

nur wenige möglich! Quantenzahlen als Name z.B. s-Zustand p-Zustand

Elektronen bilden stehende Wellenum den positiv geladenen Atomkern herum.

Quantenzustände des Atomsim Termschema

Spektrallinien

nicht „einsperrbar“ in beliebig kleiner Box Unschärfe in der Ortsbestimmung Unschärferelation von Heisenberg 1927

Atomarem Baustein kann kein individueller Name zugeordnet werden!

Amplitude einer Elektronenwelle im Atom? Oder Zahl der Elektronen in einem Zustand?

Pauli-Prinzip: höchstens ein Elektron in jedem Zustand!

Zustände im Atom gruppieren sich in engen EnergiebereichenEnergieschalen

He

Ne

Ar/Zn

K 2

L 8

M 18

IonisationE

Zahl der Elektronen in dieser Energieschale

Perioden System der Elemente

Eigenschaften wiederholen sich in jeder Schale

Feld der Materiewelle? Aber Elektron ist nicht teilbar!

Elektronenbewegung im Atom wie Welle

Periodensystem der Elemente

polare (oder heteropolare) Bindung Atome werden zu Ionen z.B. Na+Cl Kochsalz

kovalente (oder homöopolare) Bindung Elektronenwellen überlappen sich z.B. O-O Sauerstoff

metallische Bindung Überlapp der Elektronenwellen ist so groß, daß eine Zuordnung der Elektronen zu einem Atom verloren gegangen ist. Elektronenleitung

Bedeutung des Spins Paarung besondere Stabilität

Bindung zwischen Atomen Moleküle