Orbitalmodell für Chemiker: Unterschied zwischen den Versionen

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K (Widersprüche im Bohr'schen Atommodell)
(Welleneigenschaften von Elektronen)
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Wie du bereits erwähnt, zeigt Licht, je nach Versuchsbedingungen Wellen- als auch Teilcheneigenschaften. Warum sollten dann nicht aus Symmetriegründen bewegte Materieteilchen, d.h. massebehaftete Objekte wie Elektronen, umgekehrt auch Welleneigenschaften zeigen?
 
Wie du bereits erwähnt, zeigt Licht, je nach Versuchsbedingungen Wellen- als auch Teilcheneigenschaften. Warum sollten dann nicht aus Symmetriegründen bewegte Materieteilchen, d.h. massebehaftete Objekte wie Elektronen, umgekehrt auch Welleneigenschaften zeigen?
  
Das Doppelspaltexperiment [http://upload.wikimedia.org/wikipedia/de/7/7d/Doubleslit_klassisch_qm.png] zeigt das "Verhalten" von Elektronen, die auf ein Hindernis mit zwei eng beieinander liegenden Spalten gesendet werden. Unter Annahme des klassischen Teilchenmodells der Elektronen würde man hinter den Spalten zwei klar voneinander abgetrennte „Peaks“ (Häufungen) in der Verteilung der nachgewiesenen Elektronen erwarten, wie sie schematisch im oberen Teilbild der Abbildung dargestellt sind. Das kann man sich so vorstellen, als ob man Kugeln durch zwei Schlitze fallen ließe; diese werden zwei Haufen unter den Schlitzen bilden. Die tatsächlich beobachteten Messergebnisse stimmen insofern mit dem Teilchenmodell überein, als jedes Elektron auf dem Schirm zu einem einzelnen Leuchtpunkt führt (siehe Abbildung [http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/7/79/Doubleslitexperiment_results_Tanamura_1.gif]).  
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Das Doppelspaltexperiment [http://upload.wikimedia.org/wikipedia/de/7/7d/Doubleslit_klassisch_qm.png] zeigt das "Verhalten" von Elektronen, die auf ein Hindernis mit zwei eng beieinander liegenden Spalten gesendet werden. Unter Annahme des klassischen Teilchenmodells der Elektronen würde man hinter den Spalten zwei klar voneinander abgetrennte „Peaks“ (Häufungen) in der Verteilung der nachgewiesenen Elektronen erwarten, wie sie schematisch im oberen Teilbild der Abbildung dargestellt sind. Das kann man sich so vorstellen, als ob man Kugeln durch zwei Schlitze fallen ließe; diese werden zwei Haufen unter den Schlitzen bilden. Die tatsächlich beobachteten Messergebnisse stimmen insofern mit dem Teilchenmodell überein, als jedes Elektron auf dem Schirm zu einem einzelnen Leuchtpunkt führt (siehe Abbildung [http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/7/79/Doubleslitexperiment_results_Tanamura_1.gif] und erster Modellversuch auf [http://www.pctheory.uni-ulm.de/didactics/quantenchemie/html/DpSpaltF.html dieser Seite]).
  
Die wiederholte Ausführung des Experimentes macht die Wahrscheinlichkeitsverteilung der Ortsmesswerte sichtbar. Sie weist ausgeprägte Interferenzmuster auf, die mit einem Teilchenmodell der Elektronen bei Beibehaltung der Grundlagen der klassischen Partikelmechanik unverträglich scheinen.
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Die längere Ausführung des Experimentes macht sichtbar, wo wie viele Elektronen auftreffen, wodurch sich eine Wahrscheinlichkeitsverteilung für die Elektronen ergibt. Die Wahrscheinlichkeit (man könnte auch sagen, die durchschnittliche Häufigkeit) beim Doppelspaltexperiment ist im vorletzten Bild unten zu sehen. Dabei geben die Höhen der Kurve die Häufigkeit an. Statt zweier Maxima , wie es bei Teilchen der Fall sein müsste (wie oben im Bild vermutet), zeigen sich mehrere Spitzen - ein ausgeprägtes Interferenzmuster. Diese Interferenzmuster lassen sich mit einem Teilchenmodell der Elektronen bei Beibehaltung der Grundlagen der klassischen Partikelmechanik nicht vereinbaren.
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===Widersprüche im Bohr'schen Atommodell===
 
===Widersprüche im Bohr'schen Atommodell===

Version vom 19. August 2008, 13:17 Uhr

Gleich einmal eine Vorbemerkung ... vermutlich werden Physiker die Hände über dem Kopf zusammenschlagen, wenn sie meine Zusammenfassung lesen. Sicher ist sie unvollständig und oberflächlich. Ich möchte aber für den Chemieunterricht eine Erklärung für das Orbitalmodell zusammenstellen, das zwar ausführlich ist, also alle Grundlagen aufgreift, aber nicht so tief geht, damit man auch ohne viel Grundwissen den Zusammenhang verstehen kann. Ich will nicht ein Orbitalmodell aufdrücken ... so ist es halt ... sondern einigermaßen aufzeigen, wie es zu diesem Modell kam. BirgitLachner


Inhaltsverzeichnis

Vorgeschichte

Modellvorstellung vom Licht

  1. Die Theorie, das Licht eine Teilchenstrahlung ist, wurde 1669 von Isaac Newton aufgestellt. Nach ihm sollte das Licht aus winzigen Partikeln bestehen, die von der Lichtquelle herausgeschleudert werden. Mit dieser Theorie lassen sich wesentliche Lichteigenschaften , wie die geradlinige und allseitige Ausbreitung, erklären.
  2. Bereits 1677 stellte Christian Huygens der Newtonschen Theorie das Modell Licht als Welle entgegen. Damit lassen sich andere Lichteigenschaften, wie Beugung („Ablenkung“ von Wellen Beispiel) und Interferenz (Überlagerungserscheinungen beim Zusammentreffen von Wellen Beispiel), erklären. Heinrich Hertz wies 1886 experimentell nach, dass Licht aus elektromagnetischen Wellen besteht. Am Ende des 19. Jahrhunderts schien die elektromagnetische Wellennatur des Lichtes absolut gesichert zu sein.

Zusammenfassung: Gemäß der Relativitätstheorie besitzt ein Photon zwar keine Ruhemasse, transportiert aber eine Energie, der eine Masse zugeordnet werden kann. Gleichzeitig aber zeigt es typische Wellen-Eigenschaften.

Welleneigenschaften von Elektronen

Nachdem Robert Millikan 1911 die Ladung des Elektrons bestimmte, konnte bald auch seine Masse gemessen werden. Zahlreiche Experimente mit Elektronenstrahlen wie Ablenkung im elektrischen und magnetischen Feld sprachen für die korpuskulare (zu lat. corpusculum: "Teilchen") Natur der Elektronen. Im Bild [1] sehen wir eine Aufnahme von Elektronenspuren in einer sogenannten Blasenkammer.

Wie du bereits erwähnt, zeigt Licht, je nach Versuchsbedingungen Wellen- als auch Teilcheneigenschaften. Warum sollten dann nicht aus Symmetriegründen bewegte Materieteilchen, d.h. massebehaftete Objekte wie Elektronen, umgekehrt auch Welleneigenschaften zeigen?

Das Doppelspaltexperiment [2] zeigt das "Verhalten" von Elektronen, die auf ein Hindernis mit zwei eng beieinander liegenden Spalten gesendet werden. Unter Annahme des klassischen Teilchenmodells der Elektronen würde man hinter den Spalten zwei klar voneinander abgetrennte „Peaks“ (Häufungen) in der Verteilung der nachgewiesenen Elektronen erwarten, wie sie schematisch im oberen Teilbild der Abbildung dargestellt sind. Das kann man sich so vorstellen, als ob man Kugeln durch zwei Schlitze fallen ließe; diese werden zwei Haufen unter den Schlitzen bilden. Die tatsächlich beobachteten Messergebnisse stimmen insofern mit dem Teilchenmodell überein, als jedes Elektron auf dem Schirm zu einem einzelnen Leuchtpunkt führt (siehe Abbildung [3] und erster Modellversuch auf dieser Seite).

Die längere Ausführung des Experimentes macht sichtbar, wo wie viele Elektronen auftreffen, wodurch sich eine Wahrscheinlichkeitsverteilung für die Elektronen ergibt. Die Wahrscheinlichkeit (man könnte auch sagen, die durchschnittliche Häufigkeit) beim Doppelspaltexperiment ist im vorletzten Bild unten zu sehen. Dabei geben die Höhen der Kurve die Häufigkeit an. Statt zweier Maxima , wie es bei Teilchen der Fall sein müsste (wie oben im Bild vermutet), zeigen sich mehrere Spitzen - ein ausgeprägtes Interferenzmuster. Diese Interferenzmuster lassen sich mit einem Teilchenmodell der Elektronen bei Beibehaltung der Grundlagen der klassischen Partikelmechanik nicht vereinbaren.

Zum Verständnis bitte

Widersprüche im Bohr'schen Atommodell

Nach dem Bohrschen Atommodell kreist ein Elektron um den Atomkern wie ein Planet um die Sonne. Analog zum Planeten sollte das Elektron unter dem Ausgleich der Fliehkräfte nicht in den positiv geladenen Kern stürzen. Die Bewegung v im Bild wird durch die Elektrische Anziehungskraft F_el auf eine Kreisbahn gezwungen. Ein kreisendes Teilchen aber verfügt immer über eine Zentripetalbeschleunigung (Für eine Kreisbewegung ist eine ständigen Richtungsänderung nötig ... neben der geradlinigen Bewegung v, muss sich das Teilchen im Bild auch immer ein wenig nach innen bewegen -> Richtungsänderung = Beschleunigung. Zentripetal steht senkrecht auf Zentrifugal!!). Wenn aber Ladungen beschleunigt werden, erzeugen sie ein elektromagnetisches Feld. Das Elektron müsste dann Energie in Form von elektromagnetischen Wellen abstrahlen und folglich immer langsamer werden. Sehr bald würde es auf einer Spiralbahn in den Kern fallen.

Warum senden Elektronen auf Bohrschen Bahnen im Widerspruch zur klassischen Physik keine elektromagnetische Strahlung aus? Wieso bleiben Atome stabil?

Quellen