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Innere Konversion

Innere Konversion

Als Innere Konversion wird in der Physik ein Zerfallsprozess eines Atomkerns bezeichnet, bei dem ein angeregter Kern mit einem gebundenen Hüllenelektron in direkte Wechselwirkung tritt, ihm seine Anregungsenergie überträgt und es auf diese Weise aus dem Atom entfernt. Dabei handelt es sich nicht um einen zweistufigen Vorgang, bei dem zunächst ein γ-Quant vom Kern emittiert und anschließend ein Hüllenelektron durch Übernahme der γ-Energie emittiert wird, sondern um einen einstufigen Prozess, bei dem die Anregungsenergie direkt auf das Hüllenelektron übertragen wird. Die Energie E_e des emittierten Elektron ist gleich der Differenz aus der Anregungsenergie E_γ und der je nach Schale verschiedenen Bindungsenergie E_B des Elektrons: ::::::::::E_e = E_γ - E_B Kategorie:Physik

Kernzerfall

Kernzerfall beschreibt den Vorgang, bei dem ein instabiler Atomkern in mehrere Zerfallsprodukte zerfällt, die ihrerseits wieder instabil sein können. In der Regel zerfallen schwere Atomkerne in zwei Tochternuklide und weiteren Teilchen. Dabei sind die Tochternuklide asymmetrisch, das heißt, sie haben nicht dieselbe Masse. Der Vorgang der Umwandlung von Atomen eines chemischen Elementes in solche eines anderen heißt auch Transmutation. Kernzerfälle können erst bei schweren Atomkernen auftreten. Kernzerfälle können spontan geschehen (bei schweren Kernen) oder durch Energiezufuhr oder Neutroneneinfang induziert werden. Bei letzteren spricht man auch von Kernspaltung. Siehe auch: Radioaktivität, Zerfallsgesetz Kategorie:Kernphysik

Elektronenhülle

Als Elektronenhülle oder auch Atomhülle bezeichnet man die Hülle eines Atoms, welche aus Elektronen besteht, die den Atomkern umgeben. Aus der Kenntnis der Struktur der Elektronenhülle lassen sich viele physikalische und chemische Eigenschaften von Atomen und damit Eigenschaften von Stoffen ableiten: Atomradius, Emission und Absorption von elektromagnetischen Wellen, chemische Bindung, Bindungsart, Bindungslänge, Bindungsstärke, Bindungsgeometrie, elektrische Leitfähigkeit, Dipolmoment. Außerdem besteht ein Zusammenhang zwischen dem Aufbau der Elektronenhülle und dem Aufbau des Periodensystems der chemischen Elemente. Die Entwicklung eines Modells der Elektronenhülle ist eng mit der Entwicklung der Atomtheorie und der daraus entwickelten Atommodelle und Elektronenmodelle verknüpft.

Struktur

Kern-Hülle-Modell von Rutherford

Die Hülle des Atoms ist nahezu masselos und elektrisch negativ geladen. Im neutralen Atom ist der Betrag der positiven Kernladung gleich dem Betrag der Ladung der Hülle

Quantelung der Ladung - Elementarladung

Der Millikan-Versuch (Öltröpfchenversuch) ergab, dass die Ladung der Atomhülle nicht jeden beliebigen Betrag einnehmen kann. Sie kann nur ganzzahlige Vielfache der Elementarladung

e = -1602\cdot10^

Coulomb betragen. Das gleiche gilt für die Elementarladung des Kerns: sie ist positiv und hat den Wert

e = +1602\cdot10^

C. Die Träger einer positiven Elementarladung werden Protonen genannt, die Träger der negativen Elementarladung sind die Elektronen. Damit gilt in einem neutralen Atom: Die Zahl der Protonen im Kern ist gleich der Zahl der Elektronen in der Hülle. Stimmt die Zahl der Elektronen in der Atomhülle nicht mit der Zahl der Protonen im Atomkern überein, so ist das Atom geladen, und wird als Ion bezeichnet. Ist die Protonenzahl im Kern größer als die Elektronenzahl, ist das Atom positiv geladen, es liegt ein Kation vor. Ist die Protonenzahl kleiner als die Elektronenzahl, ist das Atom negativ geladen, es liegt ein Anion vor. Auch Moleküle können Ionen bilden:
Hierbei muss die Summe aller Protonen mit der Summe aller Elektronen aller Atome im Molekül verglichen werden: Auch hier spricht man von Kationen, wenn ein Überschuss an positiver Ladung vorliegt, und von Anionen bei Überschuss von negativer Ladung.
Zwitterionen sind Moleküle, die nach außen hin neutral sind, die aber in verschiedenen Bereichen unterschiedlich geladene Atiomgruppen aufweisen (z. B. Aminosäuren). In einem Molekül können außerdem die Atome die Elektronenhüllen gegenseitig stören, wodurch Partialladungen entstehen, siehe Dipol.
Induzierte Dipole entstehen durch zwischenmolekulare Wechselwirkung.

Das Bohrsche Atommodell - Quantenmodell

Quantelung der Energie der Elektronen in der Atomhülle

Die Messung der Ionisierungsenergien und die Vermessung von Absorptions- und Emissionsspektren ergibt, dass Elektronen eines Atoms unterschiedliche Energien aufweisen, d. h. unterschiedliche Energieniveaus einnehmen. Daraus entwickelte Bohr sein Schalenmodell, veranschaulicht durch das Planetenmodell:
Elektronen nehmen nur bestimmte Hauptenergieniveaus ein, die im Schalenmodell den einzelnen konzentrisch um den Atomkern angeordneten Elektronenschalen entsprechen. Die Hauptenergieniveaus werden durch die Hauptquantenzahl n bezeichnet: n = 1 ist das niedrigste Hauptenergieniveau. Die Schalen werden mit Großbuchstaben bezeichnet: die K-Schale entspricht dem niedrigsten Energieniveau: Hauptquantenzahl Schale -------------------------- 1 K 2 L 3 M 4 N 5 O 6 P 7 Q Ein Atom besitzt theoretisch unendlich viele Energieniveaus, deren Abstand voneinander aber mit zunehmender Hauptquantenzahl immer geringer wird. Das Verhalten von hoch-angeregten Zuständen (grosses n, d.h. in der Nähe der Ionisierung) wird in der sogenannten Rydberg-Physik untersucht. Mit diesem Modell und seinen beiden Bohrschen Postulaten konnte Bohr die von Johann Jakob Balmer 1885 durch eine Formel beschriebenen Spektren des Wasserstoffs erklären: Durch Aktivierung (Energiezufuhr) des Atoms werden die Elektronen auf ein höheres Energieniveau (Schale) gehoben. Von dort springen sie unter Aussendung von Licht auf bestimmte, niedrigere Zustände zurück. So entspricht die Lyman-Serie einem Rücksprung auf die K-Schale, die Balmer-Serie einem Rücksprung auf die L-Schale, die Paschen-Serie einem Rücksprung auf die M-Schale, die Brackett-Serie einem Rücksprung auf die N-Schale und die Pfund-Serie einem Rücksprung auf die O-Schale. Da sich andere Emissionsspektren nicht erklären ließen, wurden sie nach Bohr und Sommerfeld in Unterschalen (Nebenenergieniveaus) gegliedert.

Feinstruktur der Hauptenergieniveaus – Unter- oder Nebenniveaus

Genauere Messungen von Ionisierungsenergien und Spektren ergab, dass die Hauptenergieniveaus aus Unterniveaus zusammengesetzt sind. Diese werden im Schalenmodell des bewegten Elektrons als Drehimpuls interpretiert. Die Unterniveaus werden mit den Kleinbuchstaben bzw. mit der Nebenquantenzahl l bezeichnet: l = 0: s-Niveau, l = 1: p-Niveau, l = 2: d-Niveau, l = 3: f-Niveau l = 4: g-Niveau l = 5: h-Niveau etc. Die Zahl der Unterniveaus entspricht dabei der jeweiligen Hauptquantenzahl:

Orbitale

Mit dem Orbitalmodell muss die Vorstellung von sich auf Schalen bewegenden Elektronen endgültig aufgegeben werden: Orbitale sind Räume, in welchen sich Elektronen mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit aufhalten. Veranschaulicht wird das Orbital durch die räumliche Darstellung der Wahrscheinlichkeitsdichte, die sich durch Multiplikation der Wellenfunktion mit ihrem konjugierten Komplexen berechnen lässt. Jedes Unterniveau besteht aus Orbitalen, die Zahl der Orbitale für jedes Unterniveau kann mit der Formel 2
- l+1 berechnet werden. Im Orbitalmodell wird jedem Elektron eines Atoms in der Atomhülle ein bestimmter Quantenzustand zugeordnet, der durch einen Satz von 4 Quantenzahlen vollständig beschrieben wird. Jedes Elektron eines Atoms muss sich in mindestens einer Quantenzahl von allen übrigen Elektronen unterscheiden.
(In Klammern die Angaben für die beiden Elektronen des Heliums)
- n = Hauptquantenzahl (1/1)
- l = Nebenquantenzahl, sie gibt die räumliche Gestalt des Orbitals an (0/0)
- m = Magnetquantenzahl, sie gibt die räumliche Ausrichtung des Orbitals an. (0/0)
- s = Spinquantenzahl (+1/2/-1/2) Ein Orbital kann nur maximal zwei Elektronen mit jeweils entgegengesetztem Spin enthalten. Dafür können innerhalb eines Hauptenergieniveaus mehrere gleiche Orbitale liegen, deren Elektronen sich auf identischem Energieniveau befinden, ausgenommen des einfachsten Orbitals, dem s-Orbital. siehe auch: Elektronenkonfiguration

Bezug zum Periodensystem

Periodensystem In der Regel kommt mit jeder Schale ein neuer Orbitaltyp dazu, beginnend mit der K-Schale, in der es nur das 1s-Orbital gibt. Außerdem hat jede Schale abermals die vorangegangenen Orbitaltypen, jede Schale besitzt also z.B. ihr eigenes s-Orbital. Allerdings überschneiden sich die Energieniveaus der d- und f-Orbitale mit dem Energieniveau der systematisch eigentlich höheren s-Orbitale. Dies hinterlässt „Lücken“ im Periodensystem, oder genauer: es bringt das Periodensystem durcheinander: Direkt hinter Magnesium in der 3. Periode müsste die 3. Nebengruppe beginnen, es geht aber weiter mit Aluminium in der 3. Hauptgruppe. Die 3. Nebengruppe beginnt erst in der 4. Periode (=> 4. Hauptenergieniveau = N-Schale) hinter Kalzium. Erst hier werden die 3d-Orbitale mit Elektronen aufgefüllt. Die Gliederung der Elektronenhülle wird durch die Elektronenkonfiguration dargestellt. So bedeutet die Elektronenkonfiguration des Sauerstoffs 1s²2s²2p⁴, dass das Atom im 1s-Orbital (1. s-Orbital, entspricht der K-Schale) zwei Elektronen besitzt, in der zweiten Schale (L-Schale) befinden sich 6 Elektronen: 2 im 2s- und 4 im 2p-Orbital. Die Schalen haben eine maximale Besetzungszahl. Von innen nach außen ist die Elektronenhülle in folgende Schalen (Hauptenergieniveaus) gegliedert:
- K-Schale, n = 1, (max. 2 Elektronen) (2 Elektronen im 1s-Orbital: 1s²)
- L-Schale, n = 2, (max. 8 Elektronen) (2 Elektronen im 2s-Orbital und 6 Elektronen im 2p-Orbital: 2s², 2p⁶)
- M-Schale, n = 3, (max. 18 Elektronen) (2 Elektronen im 3s-Oribtal, 6 Elektronen im 3p-Orbital und 10 Elektronen im 3d-Oribtal: 3s², 3p⁶, 3d¹⁰)
- N-Schale, n = 4, (max. 32 Elektronen) (4s², 4p⁶, 4d¹⁰, 4f¹⁴)
- O-Schale, n = 5, (max. 50 Elektronen)
- P-Schale, n = 6, (max. 72 Elektronen)
- Q-Schale, n = 7, (max. 98 Elektronen) Die Formel für die maximale Besetzungszahl lautet: 2n², wobei n die Hauptquantenzahl ist.

Anwendung

Das Orbitalmodell kann hervorragend zur Vorhersage von chemischen Bindungen und Eigenschaften, sowie Emmissionsspektren von Atomen und Molekülen benutzt werden. Für Moleküle lassen sich nach dem MO-Modell Molekülorbitale berechnen und abschätzen. Kategorie:Atomphysik

Atom

en umkreisen einen Kern aus zwei Protonen und zwei Neutronen.]] Das Atom (von griechisch άτομος, átomos - unteilbar, [unteilbare] Person) ist der kleinste chemisch nicht weiter teilbare Baustein der Materie. Im Laufe der Wissenschaftsgeschichte wurden unterschiedliche Atommodelle vorgeschlagen. Atome sind elektrisch neutral, jedoch werden oft auch Ionen unter dem Begriff Atom gefasst. Atome bestehen aus einem Atomkern mit positiv geladenen Protonen und elektrisch neutralen Neutronen und einer Atomhülle aus negativ geladenen Elektronen. Atome gleicher Anzahl der Protonen, der Kernladungszahl, gehören zu demselben Element. Bei neutralen Atomen ist die Anzahl von Protonen und Elektronen gleich. Die physikalischen Eigenschaften der Atomhülle bestimmen das chemische Verhalten eines Atoms. Atome gleicher Kernladungszahl besitzen dieselbe Atomhülle und sind damit chemisch nicht unterscheidbar. Nahezu die gesamte von uns wahrnehmbare, unbelebte und belebte Materie in unserer irdischen Umgebung besteht aus Atomen oder Ionen. Kosmologisch betrachtet stellt diese Materieform jedoch nur einen gewissen Anteil neben Plasma, aus dem die Sterne bestehen, der Neutronenmaterie von Neutronensternen und evtl. einer noch hypothetischen Dunklen Materie bislang unbekannter Natur.

Aufbau

Dunklen Materie Ein Atom besteht aus einer Hülle und einem im Vergleich zu seinem Gesamtvolumen winzigen Kern. Die Atomhülle (Elektronenhülle) hat mit einem Radius von etwa 10^-10 m einen ungefähr zehntausendfach größeren Radius als der Atomkern (r = 10^-14 m). Zur Veranschaulichung: würde man ein Atom auf die Größe einer Kathedrale aufblähen, so entspräche der Kern der Größe einer Fliege (allerdings wäre eine solche Fliege vieltausendfach schwerer als die Kathedrale selbst). Der Atomkern nimmt nur etwa ein Billiardstel des Gesamtvolumens eines Atoms ein. Der Atomkern besteht aus den sogenannten Nukleonen, Protonen und – außer beim Wasserstoff-Isotop ₁¹H – aus Neutronen. Die Atomhülle besteht aus Elektronen. Im Atomkern konzentriert sich fast die gesamte Masse des Atoms. Die Elektronen tragen eine negative elektrische Ladung und die Protonen eine positive, wodurch sie sich gegenseitig anziehen. Die Neutronen sind elektrisch neutral und haben eine geringfügig größere Masse als die Protonen.

Kenndaten

Atome sind in erster Näherung kugelförmig und haben eine Größe von 0,1 bis 0,5 nm, also 0,0000000001 m bis 0,0000000005 m. Innerhalb des Periodensystems nehmen die Atomradien von links nach rechts ab und von oben nach unten zu. Allerdings besteht kein linearer Zusammenhang zwischen der Protonenzahl (und damit der Ordnungszahl) und dem Atomradius. Ihre Masse beträgt abhängig von der Massenzahl zwischen 10^-24 und 10^-22 g. Siehe auch: Mol, Periodensystem Siehe auch: Atommodell

Kategorisierung und Ordnung

Die Anzahl der Protonen in einem Atom ist die Kernladungszahl oder auch Ordnungszahl (Stellung des Elements im Periodensystem der chemischen Elemente), die Summe der Protonen und Neutronen die Massenzahl. Atome mit der gleichen Anzahl an Protonen werden dem gleichen chemischen Element zugeordnet. Atome mit der gleichen Protonenzahl aber unterschiedlichen Neutronenzahlen nennt man Isotope, sie gehören dem gleichen chemischen Element an. Bei den meisten chemischen Reaktionen spielt die Anzahl der Neutronen keine Rolle. Wichtig ist die Anzahl der Neutronen im Bereich der Strahlungslehre. In der Kernphysik unterscheidet man Atomsorten nach der Zahl der Protonen und Neutronen, da diese eine unterschiedliche Radioaktivität aufweisen. Meist sind nur ein oder zwei Isotope eines Elements stabil, die anderen zerfallen radioaktiv. Von einigen Elementen gibt es auch überhaupt kein stabiles Isotop. Atom(kern)e mit untereinander gleicher Zahl an Protonen bzw. Neutronen bezeichnet man als Nuklide. Das kleinste Atom ist das Wasserstoffatom mit nur einem Proton im Atomkern. Eines der schwersten Atome ist das Uran-Atom mit 92 Protonen im Atomkern (siehe Periodensystem). Das schwerste Atom, dessen Herstellung in entsprechenden Experimenten bisher gelungen ist, ist das Ununoctium-Atom mit 118 Protonen im Atomkern (Stand Aug.2004). Es ist jedoch extrem kurzlebig.

Allgemeines

Die Chemie beschäftigt sich mit den Atomen und ihren Verbindungen, den Molekülen. Dies setzt auch genaue Kenntnisse über die Struktur der Atomhülle voraus. Die Physik beschäftigt sich unter anderem mit dem Aufbau der Atomhülle (Atomphysik), dem Aufbau der Atomkerne aus Elementarteilchen (Kernphysik) und weiter mit den Eigenschaften der Elementarteilchen (Elementarteilchenphysik).

Geschichte

Siehe auch: Atomismus und Atommodell Die Geschichte der Idee des Atoms beginnt im antiken Griechenland um 400 vor Christus.
- um 400 vor Christus - Demokrit und das Teilchenmodell ::Demokrit, ein altgriechischer Gelehrter, äußerte als erster die Vermutung, dass die Welt aus unteilbaren Teilchen - (griechisch a-tomos = unteilbar) Atomen - bestände. Daneben gäbe es nur leeren Raum. Alle Eigenschaften der Stoffe ließen sich, nach Meinung Demokrits, auf die Abstoßung und Anziehung dieser kleinen Teilchen erklären. Diese Idee wurde von den Zeitgenossen Demokrits abgelehnt, da man damals die Welt als etwas Göttliches ansah. Demokrits philosophischer Kontrahent war vor allem Empedokles, der die Lehre von den vier Elementen Feuer, Erde, Luft und Wasser begründete. Demokrits Vorschlag blieb fast 2 Jahrtausende unbeachtet.
- um 1400 - Die Alchemisten - Gold kann nicht hergestellt werden ::Auch wenn die Alchemisten in ihren Versuchen, aus niederen Stoffen (wie etwa Blei) Gold herzustellen, scheiterten, leisteten sie Vorarbeit für die spätere experimentelle Physik und Chemie.
- 1803 - John Dalton - Atomtheorie der Elemente ::Der englische Chemiker John Dalton griff als erster wieder die Idee von Demokrit auf. Aus konstanten Mengenverhältnissen bei chemischen Reaktionen schließt Dalton darauf, dass immer eine bestimmte Anzahl von Atomen miteinander reagiert.
- 1896 entdeckt Henri Becquerel die Radioaktivität, und stellt fest, dass sich Atome umwandeln können.
- 1897 - Joseph John Thomson - Entdeckung des Elektrons ::Bei einem Versuch mit Strom stellte der britische Physiker Thomson fest, dass Strahlen in Vakuumröhren aus kleinen Teilchen bestehen. Damit war ein erster Bestandteil der Atome gefunden, obwohl man von der Existenz der Atome immer noch nicht überzeugt war. Eine Besonderheit war die Entdeckung vor allem deshalb, weil man dachte, Strom wäre eine Flüssigkeit.
- 1898 - Marie und Pierre Curie - Radioaktivität ::Immer mehr Forscher beschäftigten sich mit den kleinsten Teilchen. Die Curies untersuchten unter anderem Uran, das sie aus Pechblende gewannen. Die Uran-Atome zerfallen unter Abgabe von Wärme und Strahlen, die man als Radioaktivität (von radius = Strahl) bezeichnet. Marie Curie erkannte, dass sich Elemente bei diesem Zerfall verwandeln. (Die Radioaktivität wurde 1896 von Henri Becquerel entdeckt.)
- 1900 - Ludwig Boltzmann - Atomtheorie ::Boltzmann war ein theoretischer Physiker, der die Ideen von Demokrit umsetzte. Er berechnete aus der Idee der Atom-Existenz einige Eigenschaften von Gasen und Kristallen. Da er allerdings keinen experimentelle Beweis lieferte, waren damals seine Ideen umstritten.
- 1900 - Max Planck - Quanten ::Der Berliner Physiker Planck untersuchte die Schwarzkörperstrahlung. Bei der theoretischen, thermodynamischen Begründung seiner Formel führte er die sog. Quanten ein und wurde somit zum Begründer der Quantenphysik.
- 1905 - Albert Einstein - Erklärung der Brownschen Bewegung ::In der dritten Arbeit des „annus mirabilis“ erklärte der Physiker Albert Einstein die Brownsche Bewegung mit Hilfe der Atomhypothese. Damit wurde zum ersten Mal ein beobachtbares physikalisches Phänomen direkt aus Boltzmanns Theorie hergeleitet.
- 1906 - Ernest Rutherford - Experimente ::Der Physiker Ernest Rutherford ging im Gegensatz zu Boltzmann und Planck experimentell auf die Suche nach den Atomen. 1906 entdeckte er mit dem rutherfordschen Experiment, dass Atome nicht massiv sind, ja sogar im Grunde fast gar keine Substanz besitzen. (Damit ist das Wort "Atom" für das, was es bezeichnet, im Grunde falsch. Es wurde aber beibehalten.) Aus dem Experiment leitete Rutherford bis 1911 die genaue Größe eines Atoms, also der Atomhülle und der Größe des Atomkerns ab. Ferner konnte er ermitteln, dass der Atomkern die positive Ladung, die Atomhülle eine entsprechende negative Ladung trägt. So entdeckte er das Proton.
- 1913 - Niels Bohr - Schalenmodell ::Aus dem rutherfordschem Atommodell entwickelte der dänische Physiker Niels Bohr ein planetenartiges Atommodell. Danach bewegen sich die Elektronen auf bestimmten Bahnen um den Kern, wie Planeten die Sonne umkreisen. Die Bahnen werden auch als Schalen bezeichnet. Das besondere daran war, dass die Abstände der Elektronen-Bahnen streng-mathematischen Gesetzmäßigkeiten folgen. Die Bahnen besitzen verschiedene Radien, und jede Bahn besitzt eine maximale Kapazität für Elektronen. Atome streben Bohr zufolge an, dass alle Bahnen komplett besetzt sind. Damit haben sich sowohl viele chemische Reaktionen erklären lassen als auch die Spektrallinien des Wasserstoffs. Da sich das Modell für komplexere Atome als unzureichend erwies, wurde es 1916 von Bohr und dem deutschen Physiker Arnold Sommerfeld insofern verbessert, als man nun für bestimmte Elektronen exzentrische, elliptische Bahnen annahm. Das bohr-sommerfeldsche Atommodell erklärt viele chemische und physikalische Eigenschaften von Atomen.
- 1929 - Erwin Schrödinger, Werner Heisenberg und andere - Das Orbitalmodell ::Aufbauend auf Schrödingers Wellenmechanik und Heisenbergs Matrizenmechanik wurde ein weiteres, bis heute modernes Atommodell entwickelt, das weitere Unklarheiten beseitigen konnte.
- 1929 - Ernest O. Lawrence - Der erste Teilchenbeschleuniger, das Zyklotron ::Um Informationen über den Aufbau der Atomkerne zu bekommen, wurden die Kerne mit Strahlen beschossen. Um nicht auf die schwache natürliche Strahlung angewiesen zu sein, entwickelte Lawrence das Zyklotron. Geladene Teilchen wurden auf kreisförmigen Bahnen beschleunigt.
- 1932 - Paul Dirac und David Anderson - Antimaterie ::Der theoretische Physiker Paul Dirac fand eine Formel, mit der sich die Beobachtungen der Atomphysik beschreiben lassen. Allerdings setzte diese Formel die Existenz von Anti-Teilchen voraus. Diese Idee stieß auf heftige Kritik, bis der amerikanische Physiker Anderson in der kosmischen Strahlung das Positron nachweisen konnte. Dieses Anti-Teilchen zum Elektron hat eine positiver Ladung aber die gleiche Masse wie ein Elektron. Treffen ein Teilchen und sein Anti-Teilchen zusammen, zerstrahlen sie sofort als Energie gemäß der Formel E = m
- c². 1932 wurde dann noch das Neutron von dem englischen Physiker James Chadwick entdeckt.
- 1933 - Irène und Frédéric Joliot-Curie - Materie aus dem Nichts ::Eher zufällig beobachten die Eheleute Curie, dass sich nicht nur Masse in Energie umwandeln lässt. In einem Experiment verwandelte sich ein Lichtstrahl in ein Elektron und ein Positron (vgl. Paarbildung).
- 1938 - Otto Hahn und Lise Meitner - Die erste Kernspaltung ::Der deutsche Chemiker Hahn, ein Schüler Rutherfords, untersuchte weiter die Atomkerne. Dazu beschoß er Uran-Atome mit Neutronen und erhielt Cäsium und Rubidium oder Strontium und Xenon. Was eigentlich passierte, konnte er nicht erklären. Dies gelang jedoch seiner Mitarbeiterin Lise Meitner, die aufgrund ihrer jüdischen Religion vor den Nazis nach Schweden geflohen war. Sie stellte fest, dass die Summe der Kernteilchen (Protonen und Neutronen) bei den Produkten der des Urans entspricht. Hahn erhielt dafür den Nobelpreis, erwähnte seine Mitarbeiterin aber mit keinem Wort.
- 1938 - Hans Bethe - Kernfusion in der Sonne ::Neben zahlreichen Beiträgen zum Aufbau der Atome erforschte der in Straßburg geborene Bethe die Energieproduktion in Sternen. Er stellte fest, dass in unserer Sonne zwei Wasserstoff-Atomkerne miteinander verschmelzen, während in größeren und helleren Sternen Kohlenstoff-Kerne in die schwereren Stickstoff-Kerne verwandelt werden. Bethe arbeitete auch in Los Alamos mit, wurde aber nach dem Krieg ein engagierter Gegner von Massenvernichtungswaffen.
- 1942 - Enrico Fermi - Der erste Kernreaktor ::Der italienische Physiker Fermi erkannte die Möglichkeit, die Kernspaltung für eine Kettenreaktion zu nutzen. Die bei der Spaltung von Uran freiwerdenden Neutronen, konnten für die Spaltung weiterer Kerne verwendet werden. Damit legte Fermi die Grundlagen sowohl für die kriegerische Nutzung der Kernenergie in Atombomben, als auch friedliche Nutzung in Kernreaktoren. Fermi baute den ersten funktionierenden Kernreaktor.
- 1942 - Werner Heisenberg - Atomforschung für die Nazis ::Die Nazis beauftragten den Physiker Heisenberg, eine Atombombe zu entwickeln. Durch einen Rechenfehler misslang ihm dies aber. Bei der Berechnung der kritischen Masse verrechnete er sich um den Faktor 1000.
- 1942 - Albert Einstein und Leo Szilard - Roosevelt soll die Atombombe bauen ::Eigentlich hat Einstein selber nicht zum Bau der Atombombe beigetragen. Er unterstützte aber einen Brief an den amerikanischen Präsidenten Roosevelt, dass die Atombombe unbedingt vor den Nazis entwickelt werden solle. Auch der ungarische Universalgelehrte Szilard erkannte die Gefahr, die von einer deutschen Atombombe ausging. Er lieferte zwar wichtige Ideen für den Bau der Atombombe, war aber an deren Entwicklung in Los Alamos nicht beteiligt. Auch später warnte Szilard noch vor dem Gebrauch der Atombombe.
- 1945 - J. Robert Oppenheimer - Die erste Atombombe ::Oppenheimer war der Organisator, der in Los Alamos die besten Physiker und Ingenieure versammelte. So gelang es innerhalb kürzester Zeit der Bau einer Atombombe, das Manhattan-Projekt. Nach dem Einsatz der Atombombe in Hiroshima wurde Oppenheimer zum Gegner von Atombomben.
- 1951 - Erwin Müler – das Feldionenmikroskop ::Müller gelingt mit der Konstruktion eines Feldionenmikroskopes erstmals die direkte Abbildung von Atomen auf einer Wolfram-Spitze.
- 1952 - Edward Teller - Die Wasserstoffbombe ::Der ungarische Physiker Teller war Mitarbeiter von Oppenheimer. Allerdings hatte er eine weitergehende Idee. Er wollte eine Bombe auf der Basis der Kernfusion bauen, die Bethe in der Sonne nachgewiesen hat. Aus Angst vor dem Kommunismus wurde Teller zu einem Rüstungsfanatiker und entwickelte die Wasserstoffbombe.
- 1960 - Donald A. Glaser - Die Blasenkammer ::Nach dem Ende des zweiten Weltkrieges konzentrierte sich die Forschung auf den Aufbau der Elementarteilchen. Mit der Entwicklung der Blasenkammer hatte man nun eine Möglichkeit, die kleinsten Teilchen, die in Teilchenbeschleunigern entstanden, zu "sehen".
- 1964 - Murray Gell-Mann - Die Quarks ::Mit Hilfe der Blasenkammer konnte auf einmal eine riesige Anzahl an bisher unsichtbaren Teilchen sichtbar gemacht werden, die Widersprüche zu der bisherigen Physik darstellte. Um dies zu erklären, postulierte der Physiker Gell-Mann Grundbausteine, aus denen die Kernbausteine aufgebaut sein sollen. Mittlerweile gibt es sehr viele Indizien für die Existenz der Quarks, auch wenn sie einzeln nicht zu beobachten sind.
- 1978 - Der Fusionreaktor ::Um die riesigen Mengen an Energie zu nutzen, die bei einer Kernverschmelzung (Kernfusion) frei werden, versuchte man, die Fusionsenergie gezielt zu nutzen. Die Kernverschmelzung (Kernfusion) gelang erstmals mit Teilchenbeschleunigern. Derzeit laufen Versuche, Kernfusionsreaktoren herzustellen, bislang konnte aber nur für sehr kurze Zeit mehr Energie gewonnen werden, als in den Prozess hineingesteckt wurde
- 1995 - Eric Cornell, Wolfgang Ketterle und Carl Wiemann - Das Bose-Einstein-Kondensat ::In einem ultrakalten Gas aus Rubidium-Atomen wird erstmals ein Bose-Einstein-Kondensat hergestellt, ein bereits von Einstein vorhergesagter Zustand der Materie.
- 2000 - CERN - Das Higgs-Boson ::Das Kernforschunngszentrum CERN in Genf forscht in ihrem Beschleuniger nach dem Higgs-Boson, das als Erlöser-Teilchen bezeichnet wird und dessen Existenz die bestehenden Theorien zur Elementarteilchenphysik bestätigen soll. Bisher gibt es keine eindeutigen experimentellen Belege für die Existenz des Higgs-Bosons.
- 2002 - Brookhaven - seltsame Materie ::Im Schwerionenbeschleunigerring RHIC im amerikanischen Brookhaven prallen Goldionen hoher Energie aufeinander. Dabei sollen sie für extrem kurze Zeit und in einem sehr kleinen Raumbereich ein Quark-Gluonen-Plasma erzeugen. Dies ist ein Zustand der Materie, der heute in der Natur nicht mehr vorkommt, aber vermutlich unmittelbar nach dem Urknall existierte.

Zitate

- Nur scheinbar hat ein Ding eine Farbe, nur scheinbar ist es süß oder bitter; in Wirklichkeit gibt es nur Atome und den leeren Raum. – Demokrit (5. Jh. v. Chr.)
- Richard Feynman hat einmal gesagt, müsste er das wichtigste Ergebnis der modernen Naturwissenschaft in einem Satz zum Ausdruck bringen, entschiede er sich für: "Die Welt besteht aus Atomen." – Brian Greene (Der Stoff, aus dem der Kosmos ist, ISBN 388680738X, S. 255)

Literatur

- Bernhard Bröcker u.a.: dtv Atlas Atomphysik: Tafeln und Texte. 6. Aufl. 1997. ISBN 3-423-03009-7.

Siehe auch

- Atomabsorption
- Atombombe
- Atomkraft
- Atomwaffe
- Atomgewicht
- Elementarteilchen
- Heisenbergsche Unschärferelation
- Kernmodell
- Kernreaktionen
- Liste von Mineralen
- Molekül
- Nebelkammer
- Quantenmechanik
- Quantenphysik
- Strahlenschutz
- Superatome
- Teilchenbeschleuniger
- Teilchendetektor
- Teilchenquelle
- Wechselwirkung

Weblinks

Animationen

- Animationen der Atome aller Elemente: http://www.physik.rwth-aachen.de/~harm/aixphysik/atom/Periodic/index.html
- Animation eines Heliumatoms: http://www.purchon.com/chemistry/helium.htm

Sonstiges

- [http://www.pm-magazin.de/de/wissensnews/wn_id878.htm "Kraftmikroskopie zeigt einzelne Atome"] von Peter Rösch (P.M.)
- [http://www.chemieseite.de/allgemein/node4.php Übersicht über die verschiedenen Atommodelle] Kategorie:Atomphysik ja:原子 ko:원자 ms:Atom simple:Atom th:อะตอม

Gammastrahlung

Gammastrahlen, γ-Strahlen oder γ-Strahlung bezeichnet den Teil der elektromagnetischen Strahlung, der eine sehr kurze Wellenlänge (unter 0,5 nm) hat. Die zugehörigen Energien der Photonen liegen ab 2,5 keV aufwärts. Die Photonen der Gammastrahlung werden auch Gammaquanten, Symbol

\gamma

, genannt. Der Name stammt von der Einteilung der ionisierenden Strahlen aus radioaktivem Zerfall in Alphastrahlen, Betastrahlen und Gammastrahlen mit deren steigender Fähigkeit, Materie zu durchdringen.

Eigenschaften

Anders als α- beziehungsweise β-Teilchen sind

\gamma

-Quanten elektrisch neutral. Gammastrahlen lassen sich daher weder von elektrischen noch von magnetischen Feldern beeinflussen. Beim Durchflug zwischen den Platten eines geladenen Kondensators erfahren

\gamma

-Quanten im Gegensatz zu α- und β-Teilchen keine Ablenkung und sind dadurch von diesen leicht unterscheidbar. Gammastrahlung im ursprünglichen Sinne entsteht als Folge radioaktiver Kernumwandlungen (Abgabe der Anregungsenergie des Tochternuklids) beziehungsweise bei der Paarvernichtung. Bei Gammastrahlung handelt es sich um ionisierende Strahlung mit diskretem Energiespektrum, die eine hohe Durchdringungsfähigkeit besitzt. Nach einem α- oder β-Zerfall befindet sich der neu entstandene Atomkern häufig in einem angeregten Zustand. Beim Übergang in einen weniger angeregten Zustand oder den Grundzustand wird

\gamma

-Strahlung emittiert. Dabei ändern sich die chemischen Eigenschaften des Elements nicht. Das Gamma-Photon übernimmt die Energiedifferenz zwischen den beiden Zuständen, abzüglich der Rückstoßenergie des verbleibenden Atomkerns. Der angeregte Zustand (Isomer) kann insbesondere durch einen vorherigen α- oder β-Zerfall erzeugt worden sein. Auch andere Anregungsprozesse sind möglich, wie Neutroneneinfang oder die vorherige Absorption eines

\gamma

-Quants. Die durchschnittliche Verzögerungs- beziehungsweise Halbwertszeit zwischen dem vorhergehenden Zerfall und der Emission des

\gamma

-Quants hängt vom Kern ab. Typische Halbwertszeiten dieses Zerfallstyps sind vergleichsweise lang, da der angeregte Kern (ähnlich einem pulsierenden Rugbyball) ein oszillierendes Quadrupolfeld aufbaut. Weil das abgestrahlte

\gamma

-Quant aber nur Dipolschwingungen aufnehmen kann, schwingt der Kern insgesamt sehr dämpfungsarm. Gemäß der Heisenberg'schen Unschärferelation ist die mittlere Lebensdauer

\tau

(entspricht seiner Halbwertszeit geteilt durch ln2) eines Übergangs zu seiner Energieunschärfe

\Gamma

(Linienbreite der Emission) umgekehrt proportional :

\Gamma

= ħ /

\tau

. Die Energiezustände in Atomkernen sind – zumindest bei "langen" Halbwertszeiten von mehr als etwa 10^-15 Sekunden – wohldefiniert; daher sind die Wellenlängen der Gammastrahlen eines radioaktiven Isotopes charakteristisch, vergleichbar etwa dem Linienspektrum chemischer Elemente. Hochenergetische Prozesse, insbesondere Kernspaltung und Kernfusion können jedoch auch kontinuierliche oder quasi-kontinuierliche Gammastrahlung erzeugen. Es ist möglich, dass der Rückstoß impuls nicht nur von einem einzelnen Atomkern, sondern von dem gesamten Kristallgitter übernommen wird, in das der angeregte Kern eingebettet ist. Dadurch wird der Energieanteil, der auf das Rückstoßteilchen übertragen wird, vernachlässigbar klein. Ist zudem die Halbwertszeit des angeregten Zustands hoch, entstehen dadurch Gammastrahlen mit einem extrem scharfen Energiespektrum, die sich hervorragend für hochpräzise relative Messungen eignen (Mößbauer-Effekt). Die Linienbreite dieser

\gamma

-Strahlung liegt dabei in Größenordnungen von Übergängen, welche für Atomuhren genutzt werden. Gammastrahlung entsteht (neben Röntgenstrahlung) aber auch, wenn α- oder β-Teilchen auf ein hartes Hindernis, wie einen Atomkern, treffen. Die so erzeugte Gammastrahlung hat ein kontinuierliches Spektrum. Ein weiterer Prozess zur Erzeugung von Gammastrahlen ist die Annihilation (Zerstrahlung) zwischen Positronen und Elektronen oder anderen Teilchen und deren Antiteilchen. Die dabei erzeugten Gammaquanten tragen zusammen mindestens die Energie, die der Ruhemasse der vernichteten Teilchen entspricht. Gammastrahlung kann experimentell als Synchrotronstrahlung hergestellt werden. Das gleiche Prinzip ist auch für einen Teil der kosmischen Gammastrahlen (Kosmische Strahlung) verantwortlich. Gammablitze (englisch Gamma Ray Bursts) - auch Gammastrahlen-Explosionen genannt - stellen eines der energiereichsten Phänomene im Weltall dar.

Anwendungen in der Technik

Gammastrahlung kann Materie durchdringen, ohne reflektiert oder gebrochen zu werden. Ein Teil der Strahlung wird beim Durchgang absorbiert, abhängig von der Dichte und der Dicke des Mediums. Bei der Füllstandsmessung mit Gammastrahlung nützt man diesen Umstand, denn die gemessene Strahlungsintensität hängt davon ab, ob sich in dem betrachteten Gefäß ein Medium befindet oder nicht. Eine weitere Anwendung von Gammastrahlen findet man bei der Durchstrahlungsprüfung, mit deren Hilfe man Ablagerungen, Korrosionsschäden oder Erosionsschäden an der Innenseite von Apparaten und Rohrleitungen nachweisen kann. In der Technik eingesetzte Gammastrahler sind Iridium 192 (⁹²Ir) und Cobalt 60 (⁶⁰Co). Ein Nachteil von Gammastrahlen ist, daß die Strahlenquellen nicht abgeschaltet werden können. Bei der Verwendung von Gammastrahlung im Betrieb müssen wegen ihrer Gefährlichkeit umfangreiche Strahlenschutzmaßnahmen ergriffen werden.

Schutz vor Gammastrahlung

Auf den Menschen wirkt Gammastrahlung, ähnlich wie die Röntgenstrahlung, primär durch ihre energetische Wirkung, die unter anderem Verbrennungen auslösen kann, und sekundär durch ihre ionisierende Wirkung. Durch ihre besonders hohe Energie wirkt sie stark erbgutschädigend. Schutzmaßnahmen bestehen einerseits in der Verringerung der Intensität der einwirkenden Strahlung durch Abschirmung bzw. Einhaltung eines Sicherheitsabstands und andererseits der Verringerung der aufgenommenen Strahlendosis. Zur Abschirmung der durch ihre hohe Energie und elektrische Neutralität der Quanten besonders durchdringungsstarken Gammastrahlung werden deutlich dickere Materieschichten benötigt als für Alpha- oder Betastrahlung. Prinzipiell kann man sagen: Je größer die Ordnungszahl eines Materials ist, desto größer ist die Abschirmwirkung. Deshalb verwendet man beispielsweise Bleiplatten. Die Halbwertsschicht gibt an, welche Dicke benötigt wird, um die Hälfte der Strahlen abzuschirmen. Nach zwei Halbwertsschichten verbleibt noch ein Viertel der Ausgangsstrahlung usw. Wie bei jeder anderen elektromagnetischen Strahlung ist die Intensität der Gammastrahlung umgekehrt proportional zum Quadrat des Abstands von der Quelle. Doppelter Abstand bedeutet also Verringerung der Intensität auf ein Viertel. Damit kommt als zweiter Schutzfaktor der Abstand hinzu. Der dritte Schutzfaktor ist die Aufenthaltszeit. Je kürzer man sich in der Strahlungszone aufhält, umso kleiner ist die Strahlendosis, die man aufnimmt. Bei einem Fallout nach einer schweren Atomkatastrophe oder einer Atomwaffenexplosion ist die Kontamination mit gammastrahlendem Material häufig für schwere Spätfolgen verantwortlich. Beispiele für Gammastrahler in diesem Zusammenhang sind Iod-131 (Halbwertszeit 8 Tage) und Caesium-137 (Halbwertszeit 30 Jahre).

Siehe auch

- Alphastrahlung
- Betastrahlung
- Gamma
- Gammablitz
- Kernresonanzfluoreszenz
- Szintillationszähler Kategorie:Kernphysik Kategorie:Teilchenphysik Kategorie:Ionisierende Strahlung ja:ガンマ線

Kategorie:Physik

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Physik
Portal:Physik zu Forschungsinstituten/-zentren siehe auch: :Kategorie:Forschungsinstitut, :Kategorie:Forschungszentrum, :Kategorie:Wissenschaftliche Gesellschaft Kategorie:!Hauptkategorie Kategorie:Naturwissenschaft Kategorie:Thema als:Kategorie:Physik ja:Category:物理学 ko:분류:물리학 ms:Category:Fizik th:Category:ฟิสิกส์

謝婉雯

謝婉雯(1968年-2003年 5月13日)，香港對抗SARS(非典型肺炎)疫症期間為搶救SARS病人而殉職的首位公立醫院醫生。謝婉雯生前生活於公共屋村，曾在石蔭慈幼小學、東華三院伍若瑜夫人紀念中學及香港中文大學醫學院就讀。1992年醫科畢業，在屯門醫院服務，1994年被調往內科部工作，2003年5月13日病逝。她的丈夫亦是醫生，但後來因為癌症逝世。 2003年3月，香港的SARS疫症爆發，人心惶惶。屯門醫院接收了三名SARS病人，但院內胸肺專科醫生不足，謝自願由內科病房轉到SARS病房工作。由於當時情況危急混亂，謝與另一殉職男護士先後親自為病人插喉，懷疑因此感染致命病毒。她在4月3日留院治療，4月15日轉入深切治療部，香港中文大學沈祖堯及香港大學袁國勇曾聯診為她斷症及治療，但皆無效。2003年5月13日凌晨四時因搶救無效而逝世。 2003年5月13日早上，香港市民及全世界仍未從SARS的陰影走出來，謝婉雯的死訊先從電視及電台傳出，引起無數香港市民的哀悼，也凝聚了市民對抗疫症的精神，傳媒紛紛對謝冠以「香港女兒」的稱號。5月17日，謝的父親寫下一段說話送予港人：「希望婉雯的勇氣和犧牲精神，能夠鼓勵港人永不放棄，並多謝各界對婉雯的關心。」5月22日，謝的安息禮拜由全港基督教團體派出地位尊崇的牧師政敬，喪禮亦以香港特區最高規格舉行，特首董建華以及政府多名局長均有出席，其後謝婉雯的遺體安葬於和合石墳場內的殉職公務員墓地浩園。其事迹亦被基督教組織影音使團改編為《天作之盒》等電視電影。有基督徒認為謝的一生為成為醫護人員救死扶傷的，堅守崗位，默默奉獻的象徵。

外部連結

- [http://www.joannatse.com/ 謝婉雯網站] X謝 X謝 X謝 X謝

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