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Turbine eines Kernkraftwerks

Atomtheorie

Atomtheorie

In der Physik und Chemie ist die Atomtheorie eine wissenschaftliche Theorie der Natur der Materie, die besagt, dass Materie aus Einheiten besteht, die Atome genannt werden. Die Atomtheorie begann im antiken Griechenland als philosophisches Konzept und trat in den Mainstream des 19. Jahrhunderts ein, als Entdeckungen auf dem Gebiet der Chemie zeigten, dass Materie sich wirklich wie ein Atom verhält.

Das Wort Atom stammt aus dem Atomadjektiv des Altgriechischen, was "unteilbar" bedeutet. Wie in der Geschichte der Kernenergie erklärt. Chemiker des 19. Jahrhunderts begannen, den Begriff in Bezug auf die wachsende Anzahl irreduzibler chemischer Elemente zu verwenden.

Offenbar entdeckten die Physiker im frühen 20. Jahrhundert durch verschiedene Experimente mit Elektromagnetismus und Radioaktivität, dass das sogenannte "unteilbare Atom" tatsächlich ein Konglomerat aus verschiedenen subatomaren Partikeln (hauptsächlich Elektronen, Protonen und Neutronen) ist. Diese Partikel können separat existieren. In extremen Umgebungen wie Neutronensternen machen extreme Temperaturen und extrem hohe Drücke die Existenz von Atomen völlig schwierig.

Da Atome sich als teilbar erwiesen haben, erfanden die Physiker später den Begriff "Elementarteilchen", um die "unteilbaren", aber nicht unzerstörbaren Teile eines Atoms zu beschreiben. Das wissenschaftliche Gebiet, das subatomare Teilchen untersucht, ist die Teilchenphysik, und auf diesem Gebiet hoffen Physiker, die wahre Natur der Materie zu entdecken.

Philosophischer Atomismus

Die Idee, dass Materie aus diskreten Einheiten besteht, ist sehr alt und kommt in vielen alten Kulturen wie Griechenland und Indien vor. Diese Ideen basierten jedoch auf philosophischen und theologischen Überlegungen und nicht auf Beweisen und Experimenten.

Aus diesem Grund konnten sie nicht alle überzeugen. Daher blieb der Atomismus eine der vielen widersprüchlichen Hypothesen über die Natur der Materie. Erst im 19. Jahrhundert wurde die Idee von Wissenschaftlern, der Wissenschaft der Chemie, akzeptiert und verfeinert, wobei Entdeckungen hervorgebracht wurden, die sich leicht mit dem Begriff der Atome erklären ließen.

John Dalton

Gegen Ende des 18. Jahrhunderts traten zwei Gesetze über chemische Reaktionen auf, ohne auf den Begriff der Atomtheorie Bezug zu nehmen. Das erste war das von Antoine Lavoisier im Jahre 1789 formulierte Massenerhaltungsgesetz, das besagt, dass die Gesamtmasse in einer chemischen Reaktion konstant bleibt (dh die Reaktanten haben die gleiche Masse wie die Reaktionsprodukte).

 

Das zweite war das Gesetz von bestimmten Proportionen. Dieses Gesetz wurde erstmals 1799 vom französischen Chemiker Joseph Louis Proust demonstriert. Wenn eine Verbindung in ihre Bestandteile zerlegt wird, haben die Massen der Bestandteile immer die gleichen Proportionen, unabhängig von der Menge oder Quelle der ursprünglichen Substanz.

John Dalton studierte und erweiterte das vorherige Ergebnis und entwickelte das Gesetz mit mehreren Proportionen: Wenn zwei Elemente zu einer Reihe von Verbindungen kombiniert werden können, wird das Massenverhältnis des zweiten Elements, das mit einer festen Masse des ersten Elements kombiniert wird, betragen eine Beziehung von kleinen ganzen Zahlen.

Zum Beispiel untersuchte Proust Zinnoxide und stellte fest, dass ihre Massen 88,1% Zinn und 11,9% Sauerstoff oder 78,7% Zinn und 21,3% Sauerstoff (dies sind Zinnoxide und Zinndioxid) waren. Dalton stellte in diesen Prozentsätzen fest, dass 100 g Zinn mit 13,5 g oder 27 g Sauerstoff kombiniert werden; 13,5 und 27 stehen im Verhältnis 1: 2. Dalton entdeckte, dass eine atomare Theorie der Materie dieses gängige Muster in der Chemie elegant erklären könnte. Bei Prousts Zinnoxiden wird ein Zinnatom mit einem oder zwei Sauerstoffatomen kombiniert.

Dalton glaubte, dass die Atomtheorie erklären könnte, warum Wasser verschiedene Gase in unterschiedlichen Anteilen absorbiert. Er entdeckte zum Beispiel, dass Wasser Kohlendioxid viel besser als Stickstoff absorbiert. Dalton vermutete, dass dies auf Unterschiede in der Masse und Komplexität des Partikelgases zurückzuführen ist. Tatsächlich sind die Kohlendioxidmoleküle (CO2) schwerer und größer als die Stickstoffmoleküle (N2).

Dalton schlug vor, dass jedes chemische Element aus Atomen eines einzigen Typs besteht, und obwohl sie nicht chemisch modifiziert oder zerstört werden können, können sie sich zu komplexeren Strukturen (chemischen Verbindungen) zusammenschließen. Dies war die erste wirklich wissenschaftliche Theorie des Atoms, denn Dalton kam zu seinen Schlussfolgerungen, indem er experimentell experimentierte und die Ergebnisse auf empirische Weise analysierte.

1803 legte Dalton die erste Liste der relativen Atommassen mündlich für mehrere Substanzen vor. Dieser Artikel wurde 1805 veröffentlicht, er hat jedoch nicht genau besprochen, wie er diese Zahlen erhält. Die Methode wurde zum ersten Mal im Jahre 1807 von seinem Wissen Thomas Thomson in der dritten Ausgabe seines Handbuchs Ein System der Chemie entdeckt. Schließlich veröffentlichte Dalton eine vollständige Präsentation in seinem eigenen Buch "Ein neues System der chemischen Philosophie" von 1808 und 1810.

Dalton schätzte die Atommassen nach den Beziehungen, in denen die Massen mit dem Wasserstoffatom als Einheit kombiniert werden. Dalton konnte sich jedoch nicht vorstellen, dass es in einigen Elementen ähnlichere Atome in den Molekülen gibt. Zum Beispiel existiert reiner Sauerstoff als O2. Er glaubt fälschlicherweise, dass die einfachste Verbindung zwischen zwei Elementen immer eines von jedem Atom ist (daher wurde angenommen, dass HO-Wasser, nicht H 2 O).

Dies hat zusätzlich zu der Unhöflichkeit seines Teams seine Ergebnisse behindert. Zum Beispiel glaubte er 1803, dass Sauerstoffatome 5,5-mal schwerer waren als Wasserstoffatome, weil er in Wasser 5,5 Gramm Sauerstoff pro 1 Gramm Wasserstoff maß und daher glaubte, dass die Wasserformel HO war. Durch die Übernahme besserer Daten kam er 1806 zu dem Schluss, dass die Atommasse des Sauerstoffs 7 statt 5,5 sein sollte, und er hielt dieses Gewicht für den Rest seines Lebens in Betracht. Zu diesem Zeitpunkt waren andere bereits zu dem Schluss gekommen, dass das Sauerstoffatom 8 sein sollte, wenn der Wasserstoff 1 wiegt, unter der Annahme der Formel des Wassermoleküls (HO) von Dalton oder 16 unter der Annahme der modernen Wasserformel (H2O).

Avogadro

Der Defekt von Daltons Theorie wurde 1811 von Amedeo Avogadro im Prinzip korrigiert. Avogadro schlug vor, dass gleiche Gasvolumina bei gleicher Temperatur und gleichem Druck die gleiche Anzahl von Molekülen enthalten (d. H., Die Masse der Gaspartikel beeinflusst nicht das Volumen, das sie einnehmen). Das Gesetz von Avogadro erlaubte es ihm, die zweiatomige Natur vieler Gase anhand der Volumina, in denen sie reagieren, abzuleiten. Wenn zum Beispiel zwei Liter Wasserstoff mit nur einem Liter Sauerstoff zu zwei Liter Wasserdampf reagieren (bei konstantem Druck und konstanter Temperatur), bedeutet dies, dass ein Sauerstoffmolekül zweigeteilt wird, um die Bildung von zwei Wasserpartikeln zu unterstützen. . Daher konnte Avogadro genauere Schätzungen der Atommasse von Sauerstoff und anderen Elementen vornehmen und eine klare Unterscheidung zwischen Molekülen und Atomen aufstellen.

Die Brownsche Bewegung

1827 bemerkte der englische Botaniker Robert Brown, dass die Staubpartikel in den Pollengranulaten, die im Wasser schwebten, ohne erkennbaren Grund ständig rührten. Albert Einstein stellte 1905 die Theorie auf, dass diese Brownsche Bewegung durch ständige Kollisionen von Wassermolekülperlen verursacht wurde, und entwickelte ein hypothetisches mathematisches Modell, um das Phänomen zu beschreiben. Dieses Modell wurde 1908 vom französischen Physiker Jean Perrin experimentell validiert, wodurch eine zusätzliche Validierung der Partikeltheorie (und damit der Atomtheorie) möglich wurde.

Die Entdeckung subatomarer Teilchen

Es wurde angenommen, dass Atome die kleinstmögliche Teilung der Materie waren, bis JJ Thomson entdeckte, dass das Elektron mit Kathodenstrahlen arbeitet.

Ein Crookes-Rohr ist ein versiegeltes Glasgefäß, in dem zwei Elektroden vom Vakuum getrennt sind. Wenn eine Potentialdifferenz an die Elektroden angelegt wird, werden Kathodenstrahlen erzeugt, die einen hellen Bereich bilden, wo sie am gegenüberliegenden Ende der Röhre auf das Glas treffen. Experimentell entdeckte Thomson, dass die Strahlen von einem elektrischen Feld abweichen können (zusätzlich zu den bereits bekannten Magnetfeldern). Er kam zu dem Schluss, dass diese Strahlen, anstatt eine Form des Lichts zu sein, tatsächlich aus sehr kleinen geladenen Teilchen bestehen, die er "Körperchen" nannte (die später von anderen Wissenschaftlern als "Elektronen" bezeichnet wurden). Er maß das Ladungsverhältnis der elektrischen Masse und stellte fest, dass es 1.800 Mal kleiner war als das kleinste Atom Wasserstoff. Diese Korpuskeln waren ein Teilchen, das sich von den bisher bekannten völlig unterschied.

Thomson hat angedeutet, dass Atome tatsächlich teilbar sind und Körperchen ihre Bestandteile sind. Um zu erklären, dass das Atom ein elektrisch neutrales Ganzes ist, hat es die Hypothese vertreten, dass die Korpuskeln in einer großen Uniform positiver Ladungen verteilt sind; Dies war das Plumpudding-Modell, bei dem die Elektronen in Pflaumen eingebettet waren, die in einem Plumpudding positiv geladen waren (obwohl sie im Thomson-Modell nicht stationär waren).

Entdeckung des Kerns

Das Thomson-Modell wurde 1909 von einem seiner ehemaligen Schüler, Ernest Rutherford, verletzt, der entdeckte, dass der Großteil der Masse und der positiven Ladung des Atoms in einem sehr kleinen Bruchteil seines Volumens in einem von ihm vermuteten Bereich konzentriert ist. welches ist in der Mitte.

Im Geiger-Marsden-Experiment trieben Hans Geiger und Ernest Marsden (Rutherfords Kollegen, die an seinem Vorschlag arbeiteten) Alphateilchen in dünne Bleche und trieben ihre Verformung mit einem Fluoreszenzschirm. Aufgrund der sehr geringen Masse der Elektronen, des hohen Impulses der Alphateilchen und der geringen Konzentration der positiven Ladung im Plumpudding-Modell erwarteten die Experimentatoren, dass alle Alphateilchen ohne wesentliche Abweichungen durch das Metallblech strömen. Zu seiner Überraschung war ein kleiner Teil der Alphateilchen stark abgelenkt. Rutherford schlussfolgerte, dass die positive Ladung des Atoms in einem sehr kleinen Volumen konzentriert sein muss, das ein elektrisches Feld erzeugt, das stark genug ist, um die Alpha-Teilchen so stark abzulenken.

Dies führte Rutherford dazu, ein Planetenmodell vorzuschlagen, bei dem eine Elektronenwolke einen kleinen, kompakten Kern positiver Ladung umgibt. Nur eine solche Ladungskonzentration könnte elektrische Felder erzeugen, die stark genug sind, um große Abweichungen zu verursachen.

Die ersten Schritte auf dem Weg zu einem Quantenmodell des Atoms

Das atomare Planetenmodell hatte zwei erhebliche Mängel. Der erste war, dass Elektronen anders als die Planeten, die sich um eine Sonne umkreisen, geladene Teilchen sind. Es ist bekannt, dass eine elektrische Ladung des Beschleunigers elektromagnetische Wellen gemäß der Larmor-Formel des klassischen Elektromagnetismus emittiert. Eine Aufgabe im Orbit sollte ständig Energie verlieren und in den Kern eindringen und in Sekundenbruchteilen mit ihm kollidieren. Das zweite Problem bestand darin, dass das Planetenmodell die Emissions- und Absorptionsspektren der beobachteten Atome nicht erklären konnte.

Die Quantentheorie revolutionierte die Physik im frühen zwanzigsten Jahrhundert, als Max Planck und Albert Einstein postulierten, dass Lichtenergie in diskreten Mengen emittiert oder absorbiert wird, die als Quanten bekannt sind. 1913 brachte Niels Bohr diese Idee in das Bohr'sche Atommodell ein. Die Elektronen können sich nur in einer Kreisbahn um den Kern drehen, wobei der Drehimpuls und die festgelegte Abstandsenergie vom Kern (dh der Bereich) proportional zur Energie ist. In diesem Modell kann ein Elektron nicht in den Kern eindringen, da es nicht kontinuierlich Energie verlieren könnte; Stattdessen konnte er nur sofort "Quantensprünge" zwischen festen Energieniveaus durchführen. Wenn dies geschieht, wird das Licht mit einer Frequenz emittiert oder absorbiert, die proportional zur Energiedifferenz ist (ab der Absorption und Emission von Licht in diskreten Spektren).

 

Bohrs Modell war nicht perfekt. Ich konnte nur die Spektrallinien von Wasserstoff vorhersagen; Ich konnte die von Atomen mit mehr Elektronen nicht vorhersagen. Schlimmer noch, als sich die spektrographische Technologie weiterentwickelte, wurden zusätzliche Spektrallinien von Wasserstoff beobachtet, die das Bohr-Modell nicht erklären konnte. 1916 fügte Arnold Sommerfeld Bohr hinzu, um die zusätzlichen Emissionslinien mit elliptischen Umlaufbahnen zu erklären, was die Verwendung des Modells jedoch sehr schwierig machte, ohne die komplexeren Atome erklären zu können.

Die Entdeckung von Isotopen

Beim Experimentieren mit radioaktiven Zerfallsprodukten entdeckte der Radiochemiker Frederick Soddy 1913, dass es sich bei diesen Positionen im Periodensystem um mehr als ein Element handelte. Der Begriff Isotop wurde von Margaret Todd als der eigentliche Name dieser Elemente erfunden.

Im selben Jahr führte JJ Thomson ein Experiment durch, bei dem er einen Fluss von Neonionen durch magnetische und elektrische Felder leitete und am anderen Ende auf eine fotografische Platte traf. Er bemerkte zwei helle Flecken auf der Platte, die auf zwei verschiedene Arten von Ablenkbahnen hindeuten. Thomson folgerte daraus, dass einige der Neonionen eine andere Tabelle haben. Die Natur dieser verschiedenen Massen könnte später durch die Entdeckung von Neutronen im Jahr 1932 erklärt werden.

 

Entdeckung von Kernteilchen

1917 bombardierte Rutherford Stickstoffgas mit Alphateilchen und stellte fest, dass das Gas aus den Wasserstoffkernen austrat (Rutherford hat erkannt, wie er es zuvor durch das Beschießen der Wasserstoffatome mit Alphateilchen und die Beobachtung der Wasserstoffkerne in den Produkten erhielt). Rutherford schlussfolgerte, dass die Wasserstoffkerne aus den Kernen der Stickstoffatome resultieren (im Wesentlichen spalten sie das Stickstoffatom).

Entdeckung von Protonen

Rutherford wusste, dass die positive Ladung eines Atoms immer mit einem Wasserstoffkern als Ganzes gleichgesetzt werden konnte. Dies, gepaart mit der Tatsache, dass die Atommasse mehrerer Elemente mit einer Anzahl von Wasserstoffatomen in etwa gleichwertig ist - was dann als die einfachsten Teilchen angesehen wird - hat zu der Schlussfolgerung geführt, dass Wasserstoffkerne singuläre Teilchen und Grundbestandteil aller Atomkerne sind . Er nannte diese Protonenteilchen.

Entdeckung von Neutronen

Mehrere von Rutherford durchgeführte Experimente haben gezeigt, dass die Kernmassen der meisten Atome die der Protonen, die sie besitzen, übertreffen; er vermutete, dass dieser Massenüberschuss aus unbekannten, elektrisch neutralen Teilchen besteht, die er vorläufig "Neutronen" nannte.

1928 bemerkte Walter Bothe, dass der Beryll beim Bombardieren mit Alphateilchen elektrisch neutrale und sehr durchdringende Strahlung emittiert. Später wurde entdeckt, dass diese Strahlung die Wasserstoffatome aus dem Paraffinwachs entfernen kann. Anfangs wurde davon ausgegangen, dass es sich um eine energiereiche Gammastrahlung handelt, da die Gammastrahlung eine ähnliche Wirkung auf metallische Elektronen hatte. James Chadwick stellte jedoch fest, dass der ionisierende Effekt zu stark ist, um durch elektromagnetische Strahlung hervorgerufen zu werden, solange Energie und Impuls vorhanden sind in Wechselwirkung erhalten.

1932 setzte Chadwick der mysteriösen "Berylliumstrahlung" mehrere Elemente wie Wasserstoff und Stickstoff aus. Bei der Messung der Energien geladener Teilchen folgerte er, dass die Strahlung tatsächlich aus neutralen elektrischen Teilchen besteht, die kein Teig sein könnten. wie Gammastrahlen, aber es musste eine Masse haben, die der eines Protons ähnelt. Chadwick behauptete nun, dass diese Partikel Rutherfords Neutronen sind. Für die Entdeckung des Neutrons erhielt Chadwick 1935 den Nobelpreis.

Quantenmodell des Atoms

1924 brachte Louis de Broglie die Hypothese auf, dass alle sich bewegenden Teilchen, insbesondere subatomare Teilchen wie Elektronen, irgendeine Form von Welle aufweisen. Erwin Schrödinger erforschte fasziniert von dieser Idee, ob die Bewegung eines Elektrons in einem Atom als Welle besser erklärt werden kann als als Teilchen. Die 1926 veröffentlichte Schrödinger-Gleichung beschreibt ein Elektron als Welle anstelle eines Punktpartikels. Dieser Ansatz hat viele der Spektralphänomene, die das Bohr-Modell nicht erklären konnte, elegant vorhergesagt. Obwohl dieses Konzept mathematisch günstig war, war es schwierig, es zu visualisieren und auf Widerstand zu stoßen. Einer seiner Kritiker, Max Born, schlug stattdessen vor, dass die Schrödinger-Wellenfunktion nicht das Elektron, sondern alle möglichen Zustände beschreibt und daher zur Berechnung der Wahrscheinlichkeit eines Elektrons verwendet werden könnte. irgendwo um den Kern herum. Diese Interpretation versöhnte die beiden entgegengesetzten Theorien über die Natur der Teilchen und Wellen und führte die Idee der Welle-Teilchen-Dualität ein. Diese Theorie besagt, dass das Elektron sowohl Wellenlängen- als auch Partikeleigenschaften aufweisen kann. Zum Beispiel kann es als Welle gebrochen werden, und es hat Masse als Teilchen.

Eine Konsequenz der Beschreibung von Elektronen als Welle ist die mathematische Unmöglichkeit, gleichzeitig Position und Impuls eines Elektrons zu berechnen. Dies wurde als Heisenbergs Unschärferprinzip bezeichnet, nachdem der Physiker Werner Heisenberg ihn 1927 erstmals beschrieben und veröffentlicht hatte. Er widerrief das Bohr-Modell mit seinen klaren und klar definierten Umlaufbahnen. Das moderne Modell des Atoms beschreibt die Positionen von Elektronen in einem Atom in Bezug auf Wahrscheinlichkeiten. Ein Elektron kann in jeder Entfernung vom Kern gefunden werden, aber in Abhängigkeit von seinem Energieniveau kommt es in einigen Regionen um den Kern häufiger vor als in anderen; Dieses Wahrscheinlichkeitsmuster wird als Atomorbital bezeichnet.

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Geändert am: 13. November 2018