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Transcript
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@designed by ps
Klausurtermin: 27.1.20134 um 17:15 in der AulaNaturwissenschaftliche Grundlagen
Prof. Dr. Sabine Prys
Grundlagen der Chemie
• Allgemeine Chemie– Atombau,
Elektronenkonfigurationen, Periodensystem
– Bindungslehre
• Anorganische Chemie– Redoxreaktionen,
Säuren und Basen
– Nomenklatur
• Organische Chemie– Grundbegriffe
– Nomenklatur
• Thermodynamik– Energieerhaltung
– Gasgesetze
– Arbeit , Energie, Ethalpie, Entropie
LernmechanismusGedächtnismodell nach Atkinson & Shiffrin
Sinus und Kosinus sind elementare mathematische Funktionen
– die eine Schwingung beschreiben können: y=sin(x) y =cos(x)
– die die Seitenlängenverhältnisse im Dreieck beschreiben können
eHypothenus
Ankathetex
eHypothenus
teGegenkathex
)cos(
)sin(
Graphik: http://de.wikipedia.org
8
1.1.8 Der Raumwinkel
Ω = Raumwinkel
S = auf eine Kugel projizierte Fläche
r = Radius der Kugel
Anwendungen: Lichtkegel in der Beleuchtungstechnik, Strahlungskegel, etc..
Sx
2r
S
Graphik: http://de.wikipedia.org
1.1.8.1 Die Einheit des Raumwinkels
Raumwinkel: Verhältnis zweier Flächen SI 1 m²/m²; SI-Name: SteradiantEinheit-Zeichen sr
1 sr = 1 m²/m² = 1
das Einheit-Zeichen sr kann auch weggelassen werden (nicht jedoch bei Anwendungsfeldern, bei denen intensiv mit Raumwinkeln gerechnet wird, z.B. in der Lichttechnik).
Die SI-Einheiten für Lichtstärke und Lichtstrom unterscheiden sich nur durch Steradiant.
9
Übungsaufgabe
?Wie groß ist der Raumwinkel der vollen
Kugeloberfläche ?
1.1.9 Polarkoordinaten der Ebene
Karthesische Koordinaten: Angabe von x und y
Polarkoordinaten (Kreiskoordinaten):
Angabe von Koordinatenursprung r und Strahlrichtung (Polarwinkel)
Graphik: http://de.wikipedia.org
10
1.1.9.1 Polarkoordinatenumrechnung
Polarkoordinate karthesische Koordinaten:
x = r cos ( )
y = r sin ( )
Kartesische Koordinaten Polarkoordinaten:
0arccos
0arccos
22
yfürr
x
yfürr
x
yxr
1.1.10 Polarkoordinaten des Raumes
Polarkoordinaten (Kugelkoordinaten):
Angabe von Koordinatenursprung r und Strahlrichtungen
Graphik: http://de.wikipedia.org
11
1.2 Vorsilben
Vorsilbe Abkürzung Zehnerpotenz Dezimalzahl
Femto- f 10 E-15 0.000 000 000 000 001Pico- p 10 E-12 0.000 000 000 001Nano- n 10 E-09 0.000 000 001Mikro- µ 10 E-06 0.000 001Milli- m 10 E-03 0.001Kilo k 10 E+03 1000Mega M 10 E+06 1000000Giga G 10 E+09 1000000000Tera T 10 E+12 1000000000000Peta P 10 E+15 1000000000000000
http://physics.nist.gov/cuu/Units/prefixes.html
1.3 Griechische Buchstaben
= Alpha = Beta = Gamma = Delta = Epsilon = Zeta = Eta = Theta = Jota = Kappa = Lambda = My
= Ny = Xi = Omikron = Pi = Rho = Sigma = Tau = Ypsilon = Phi = Chi = Psi = Omega
12
1.4 Differenzen und Summen
• Differenz
Differenzenquotient
Steigung einer Geraden
• Differential
Differentialquotient
Steigung einer Kurventangenten
• Summe
• Integral
• Endzustand – Ausgangszustand
• Unendliche kleine Größe
• Addition kleiner Größen
• Addition unendlich kleiner Größen
n
ii
x
n
i
n
iin
E
xdx
xxxxx
dx
dyyEdE
xx
yy
x
ySEEE
10
1
1321
0
12
1212
lim
...
'lim
1.5 Geraden und Ebenen
Gerade: wird durch mindestens 2 Punkte P,Q, beschrieben:
Y = ax + b a = Steigung b = Schnittpunkt mit Y-Achse
Ebene: wird durch mindestens 3 Punkte beschrieben
Z = ax + by + c
Graphik: http://de.wikipedia.org
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2 Was ist Materie ?
Was ist Materie ?
Was ist ein Stoff ?
Materieaggregationen
2.1 Masse-Energie
Das Weltall besteht aus Materie und strahlender Energie.
Materie ist jegliche Art von Masse -Energie,
die sich langsamer als Licht fortbewegt,
strahlende Energie dagegen, ist jegliche Art von Masse-Energie,
die sich mit Lichtgeschwindigkeit bewegt
Linus Pauling
E = m.c2E = m.c2
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2.4 Atome, Elemente, Verbindungen
AtomeUnter Atomen versteht man die kleinsten Bestandteile der der chemischen Elemente, die dessen Eigenschaften aufweisen
Chemisches ElementUnter einem chemischen Element versteht man einen Stoff, der sich chemisch nicht mehr weiter in andere Stoffe zerlegen lässt.
Chemische VerbindungUnter einer chemischen Verbindung versteht man einen Stoff, der aus Atomen mehrerer verschiedener Elemente besteht und einheitliche physikalisch-chemische Eigenschaften wie z.B. Schmelz- und Siedepunkt aufweist.
3 Atommodelle
Vordenker:
• Demokrit (ca. 500 v.Chr.): Alle Stoffe bestehen aus definierten kleinsten Teilchen den Atomen von Atomos Teilchen des Unteilbaren
• Daniel Sennert (1618): Gesetz der Erhaltung der Elemente. Bei einer chemischen Reaktion gehen Elemente weder verloren, noch werden Elemente neu geschaffen.
• Robert Boyle (1661): Elemente sind bestimmte primitive und einfache, völlig unvermischte Körper, sie enthalten keine anderen Körper, sie sind Zutaten, aus denen alle perfekt gemischten Körper zusammengesetzt sind und in welche diese letztlich zerlegt werden.
• Antoine Laurent de Lavoisier (1785): Gesetz der Erhaltung der Masse. Die Summe der Massen der Edukte ist stets gleich der Summe der Massen der Produkte.
• Jeremias Benjamin Richter (1791/92): Gesetz der äquivalenten Proportionen.
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3.3 Das RUTHERFORDscheAtommodell
Negative Ladung Positive Ladung
Atomkernmodell: winziger Kern = MassepunktPlanetenmodell: Elektronen bewegen sich auf Kreisbahnen um den Kern
Kreisbahn entsteht durch Gleichgewicht von Coulomb- und Zentrifugalkraft
Widerspruch zu den Gesetzen der Elektrodynamik ! instabile Elektronenbahnen
3.3.1 Das RUTHERFORD-Experiment
Streuung von Alphateilchen an Goldfolie erklärbarBerechnung einfacher Atomspektren möglich
Goldfolie Film
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3.4 Das BOHRsche Atommodell
= 10-7 - 10-10 m
Kern:
Protonen (+)
Neutronen (n)
Elektronenhülle:
Elektronen (-)
Postuliert stabile Elektronenkreisbahnen !
3.4.1 Stabile Elektronenbahnen
1. BOHRsche Quantenbedingung: stabile Bahnen wenn das Produkt aus Kreisumfang und Elektronenimpuls ein Vielfaches des PLANCKschen Wirkungsquantums h ist
l = 0,1,2,3…, r = Bahnradius, me = Elektronenmasse, ve = Geschwindigkeit
2. BOHRsche Frequenzbedingung:Durch Energiezufuhr ist ein Übergang zwischen den Bahnen möglich, wenn absorbierte Energie genau der Energiedifferenz E zwischen den Bahnen entspricht:
E1 = Energie Schale 1, E2 = Energie Schale 2, = Frequenz
hlvmr nen )()2(
12 EEhE
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3.4.1.1 PLANCKschesWirkungsquantum
• Definition der Energie E:
c = Lichtgeschwindigkeit, = Wellenlänge
• h hat die Dimension einer Wirkung !
Jsh
chE
341076068626,6
3.4.2 Elektronen Schalen
22
422
22
1
n
eZm
r
eZE e
nn
2n2 Elektronen pro Schale
n = 4 N-Schale
n = 3 M-Schale
n = 2 L-Schale
n = 1 K-Schale
En = Schalenenergie
n = Schalennummer Z = Ordnungszahle = Elementarladungrn = Orbitalradiusme = Elektronenmasse
Angeregte Zustände = Elektronenkonfigurationen wo nach Energiezufuhr höhere Energieniveaus besetzt werden
(z.B. durch Photonenabsorption oder durch unelastische Stösse)
Der Zerfall in der Grundzustand erfolgt entweder induziert oder spontan und wird entweder begleitet von Strahlungsemission (Photonenaussendung)
oder strahlungslos durch Aussenden weniger fest gebundener Elektronen (Auger-Elektronen)
Beispiel: die Flammenfärbung von Alkali- und Erdalkalimetallen durch Stoßanregung zwischen Atomen und Molekülen in der heißen Flamme
3.4.3 Die Wasserstoffspektrallinien
Spektrum des Wasserstoffatoms
Spektralserien
PFUND
BRACKETT
PASCHEN
BALMER
LYMAN
PONML
K
19
3.4.4 Das Wasserstoffspektrum
Graphik: http://www.physics.utoledo.edu/
3.4.4.1 Flammenfärbung
• Anregung von Elektronen auf ein höheres Energieniveau
• Flamme eines (Bunsen)Brenners bei > 1000°C
• Instabiler angeregter Elektronenzustand Zurückfallen in das Ausgangsniveau Aussenden einer elementspezifischen Energie mit Wellenlänge im sichtbaren Bereich
Graphik: http://de.seilnacht.com
20
3.4.4.2 Elementanalyse
Flammenfärbung verschiedener Metalle:
Kupferacetat Kaliumiodid Magnesium
Eisen Strontiumnitrat Natriumchlorid
Graphik: http://www.experimentalchemie.de/
3.4.5 Das Bohr/SommerfeldscheAtommodell
1 cm
Haselnuss100 m
Erweiterung des Atommodells durch Sommerfeld:Die Bahnen müssen nicht kreisförmig sein !
Verteilung von Orts & Impulsaussagen hängen beide von der Wellenfunktion ab Standardabweichungen der Messungen sind voneinander abhängig
3.5.4 Die Unschärferelation
• Bei quantenmechanischen Teilchen ist es unmöglich Ort x und Impuls p gleichzeitig beliebig genau zu messen
• Bei quantenmechanischen Teilchen ist es unmöglich den Zeitpunkt t eines Vorganges und die dabei übertragene Energie E gleichzeitig beliebig genau zu messen
Je genauer eine dieser Größen bestimmt wird, desto ungenauer erscheint die andere !
Quantenmechanische Aussagen sind Wahrscheinlichkeitsaussagen !
2
px
2
Et
24
3.5.5 DE BROGLIE-Wellenlänge
• DE BROGLIE: auch massereiche Teilchen haben Wellencharakter– 1923 "Dualität von Welle und Korpuskel" – 1927 Bestätigung durch Doppelspaltexperiment von Clinton
Davisson und Lester Germer
• Hat das Teilchen einen Impuls p, so ist seine Wellenlänge λ :
c = Lichtgeschwindigkeit (299 792 458 ms-1)h = PLANCKsches Wirkungsquantum (6,626 068 96 . 10-34 Js) = Frequenz der Lichtwelle
c
c
hp
p
h
Datenquelle: NIST (Mohr) 2010
3.5.6 Das Doppelspaltexperiment
Die bekannte Intensitätsverteilung entsteht erst, wenn viele Elektronen den Spalt passiert haben und man über die Lichtblitze mittelt. Die vielen Elektronen bilden dann die statistische Gesamtheit.
Lebt Schrödingers Katze noch? Keine Ahnung, schau halt nach!In einer statistischen Gesamtheit von Schrödingerkatzen leben nachder Zeit t noch 100*exp(-t*ln(2)/T) Prozent, wobei T=Halbwertszeitdes Radioisotops
3.5.7 Wellenmechanikprinzipien
• Welle – Teilchen Dualismus
• Wellenmechanik: Teilchen Wellenfunktion
1. komplexwertig
2. keine Messgröße
2 (Betragsquadrat) Aufenthaltswahrscheinlichkeit des Teilchens
(r,t) SCHRÖDINGER-Gleichung
p
h
Quantenmechanik = statistische Theorie
Wahrscheinlichkeitsaussagen !
26
3.5.7.1 Interferenzen
Graphik: http://de.wikipedia.org/
3.5.8 Die Wellenfunktion von Elektronen
Allgemeine Wellenfunktion für monochromatische Welle in r-Richtung
Realer Anteil der Wellenfunktion
)(),( krtiectr
)cos(),( rktctr
Zustandsfunktion
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3.5.8.1 Zustandsfunktionen
Quantenmechanische Zustände
rt rt C CrCt
Linearkombination der Zustände (Überlagerung)
a rb rc Cr
Aufenthaltswahrscheinlichkeit
A2.sin2t
789101112131415161718192021222324
2526
2728
29303144454647
4849
50515253545556575859606162636465666768
3.5.8.2 Wellenmechanik in der Chemie
• Zustandsüberlagerung (Interferenz) mit gegenseitiger Beeinflussung Linearkombinationen von Wellenfunktionen
chemische Bindungen
• Zustandsüberlagerung (Superposition) ohne gegenseitige Beeinflussung Linearkombinationen von Wellenfunktionen
Molekülgeometrie
Beispiel: Welche Form hat das Wassermolekül ?
28
3.5.9 SCHRÖDINGER Gleichung
• Grundgleichung der nichtrelativistischen Quantenmechanik
• zeitliche Entwicklung des Zustands eines Quantensystems
(r,t) = Wellenfunktion z.B. des Elektrons
m = Masse z.B. des Elektrons
V(r,t) = Potentielle Energie z.B. des Elektrons
= Nabla-Operator
• Lösung der zeitunabhängigen SCHRÖDINGERgleichung:
Berechnung der Energiezustände E
),(),(),(2
),( 22
trtrVtrm
trt
i
3.5.10 Elektronen als stehende Wellen
Stehende Wellen
• sind Wellen, bei denen die räumliche Lage der Schwingungs-bzw. Wellenbäuche und –knoten sich zeitlich nicht ändert;
• sind Wellen, die keine Energie transportieren
Für die Strecke U , auf der die Schwingung stattfindet, muss gelten, dass sie ein Vielfaches n der Wellenlänge ist.
,...4,3,2,12
n
nU
d
U
Graphik: http://uni-ka.lanable.de/html/exphys1/
exse18.htm
U = Streckenlängen = Schwingungsordnung = Wellenlänge
• Quantenzahlen sind einfache Zahlen, die den Zustand eines quantenphysikalischen Systems beschreiben
• Durch einen vollständigen Satz von Quantenzahlen ist der Zustand des Systems eindeutig festgelegt
• Beschreibt das Verhalten einer statistischen Gesamtheit
• Kann Vernichtung oder Erzeugung von Teilchen nicht beschreiben
Quantenmechanik = statistische Theorie
31
3.5.12 Die Hauptquantenzahl n
Die Hauptquantenzahl n beschreibt die Schale,
zu der der Zustand eines Elektrons gehört,
Bohr/Sommerfeldsche Theorie:
n beschreibt Bahngröße
Schrödingersche Theorie:
n beschreibt Orbitalgröße
3.5.13 Der Drehimpuls des Elektrons
• Ein Elektron mit der Masse m und
der Ladung e, das sich mit der
Geschwindigkeit auf einem Kreis
mit dem Radius bewegt hat ein
magnetisches Dipolmoment und
einen Drehimpuls von:
hlvmr
vmp
prL
)()2(
v
r
L
Bahndrehimpuls
Linearer Impuls
l = 0,1,2,3,…
L
r
vm,-e
, gekoppeltL
32
3.5.14 Drehimpulsquantenzahl l
Der Drehimpuls ist ein ganzzahliges Vielfaches von ħ
quantisierte Grösse
Bohr/Sommerfeldsche Theorie:
l Beschreibt die Form der Elektronenbahn
Schrödingersche Theorie:
l Beschreibt die Form des Orbitals (s,p,d,f,…)
,...3,2,1,02
2
l
h
lL
hlvmr
3.5.15 Magnetquantenzahl m
Bohr/Sommerfeldsche Theorie:
m beschreibt die Orientierung der Bahn im Raum
Schrödingersche Theorie:
m beschreibt die Orientierung des Orbitals im Raum
Beispiel:
Orbital in X-Richtung
Orbital in Y-Richtung
Orbital in Z-Richtung
33
3.5.16 Spinquantenzahl s
Bohr/Sommerfeldsche Theorie:Elektronendrehung um eigene Achse Eigendrehimpuls = Spin
Schrödingersche Theorie:Elektronendrehung um eigene Achse Eigendrehimpuls = Spin
Der Betrag des Spins kann die Werte annehmen:
Für das Elektron kann der Betrag des Spins nur sein:21
s
sS
S
3.5.17 „Elektronenschalen“
• Alle Zustände mit demselben Wert für n bilden eine Schale,
– es gibt 2n2 Zustände in einer Hauptschale;
• Die Hauptschalen mit n>1 bestehen aus unter Schalen,
– es gibt n+1 Unterschalen in einer Hauptschale
• Alle Zustände mit den selben Werten für n und l bilden eine Unterschale, alle Zustände dieser Unterschale haben dieselbe Energie
– es gibt 2(2l +1) Zustände in einer Unterschale.
34
3.5.17.1 Elektronenquantenzahlen
Quantenzahl Symbol erlaubte Werte Bedeutung
Hauptquantenzahl n 1,2,3,4,5,... Kernabstand, Energie
Nebenquantenzahl l 0,1,2, ... (n-1) Bahndrehimpuls
Magnetquantenzahl m 0,1,2, ... , l Drehimpulsorientierung
Spinquantenzahl s ½ Eigendrehimpuls
der Bahndrehimpuls gibt den Orbitaltyp (s,p,d,f..) an;
die Drehimpulsorientierung gibt die Orbitallage .(bei p: x,y,z, etc) an
3.5.18 Atomorbitale
• Atomorbitale AO sind 3-dimensionale stehende Materiewellen, die den Aufenthaltsbereich (keine klar definierte Bahn !) der Elektronen darstellen. Das energieärmste Orbital entspricht dem Grundzustand (Grundschwingung), energiereichere Orbitale entsprechen angeregten Zuständen (Oberschwingungen)
s-AO: Drehimpuls l = 0
x
y
z
p-AO: Drehimpuls l = 1
x
y
z
35
3.5.18.1 Atomorbitale
s px py pz
dz2 dx
2-y
2 dxy dyz dxz
3.5.18.2 Elektronenkonfigurationen I
Element n l m s
H 1 0 s1 0 +1/2
He 1 0 s2 0 +1/2,-1/2
Li 12
0 s2
0 s100
+1/2,-1/2+1/2
Be 12
0 s2
0 s200
+1/2,-1/2+1/2,-1/2
B 12
0 s2
0 s2
1 p1
000 px
1
+1/2,-1/2+1/2,-1/2+1/2
C 12
0 s2
0 s2
1 p2
000 px
1
1 py1
+1/2,-1/2+1/2,-1/2+1/2+1/2
36
3.5.18.3 Elektronenkonfigurationen II
Element n l m s
N 12
0 s2
0 s2
1 p3
000 px
1
1 py1
-1 pz1
+1/2,-1/2+1/2,-1/2+1/2+1/2+1/2
O 12
0 s2
0 s2
1 p4
000 px
2
1 py1
-1 pz1
+1/2,-1/2+1/2,-1/2+1/2,-1/2+1/2+1/2
3.5.18.4 Elektronenkonfigurationen III
Element n l m s
F 122
0 s2
0 s2
1 p5
000 px
2
1 py2
-1 pz1
+1/2,-1/2+1/2,-1/2+1/2,-1/2+1/2,-1/2+1/2
Ne 122
0 s2
0 s2
1 p6
000 px
2
1 py2
-1 pz2
+1/2,-1/2+1/2,-1/2+1/2,-1/2+1/2,-1/2+1/2,-1/2
37
n = 1
n = 2
n = 3
n = 4
s p d f
3.5.19 Die Struktur der Elektronenschalen
Hauptschalen n bestehen aus Unterschalen l
Die Besetzung erfolgt nach strengen Regeln
H 1 s1
He 1 s2
Li 1 s2 2 s1
Be 1 s2 2 s2
B 1 s2 2 s2 2p1
C 1 s2 2 s2 2p2
N 1 s2 2 s2 2p3
Valenzelektronen
3.5.20 Die Besetzung von Elektronenschalen
Schreibweise: n l x n = Schalennummer
l = Unterschale s,p,d,f..
x = Zahl e- pro Orbital
Besetzungszahl, kein Exponennt !
38
3.5.20.1 Das Pauli – Prinzip
• In einem Atom können keine zwei Elektronen in allen vier Quantenzahlen (Hauptquantenzahl, Drehimpulsquantenzahl, Magnetquantenzahl und Spinquantenzahl), die zu seiner Zustandsbeschreibung im Atommodell notwendig sind, übereinstimmen.
• Als Folge des Pauliprinzips werden die Orbitale immer mit Elektronenpaaren besetzt, die entgegengesetzten Spin aufweisen.
3.5.20.2 Die HUNDsche Regel
• Energiegleiche Orbitale einer Unterschale werden zunächst einfach besetzt
39
n = 1
n = 2
n = 3
s p d
E
3.5.20.3 Elektronenkonfiguration von N
PAULI Prinzip - HUNDsche Regel
Elektron mit positiver Spinrichtung Elektron mit negativer Spinrichtung
EI = Ionisierungsenergie = 8,3 . 10-19 J (pro Atom)
wächst mit Z
sinkt, wenn rAtom wächst
nimmt ab wie folgt: s>p>d>f
4.3.2 Ionisierungsenergie
EI
Die Ionisierungsenergie ist die Energie, die benötigt wird, um ein Atom oder Molekül zu ionisieren, d. h. um ein Elektron vom Atom oder Molekül zu trennen
4.3.2.1 Ionisierungsenergie Diagramm
http://www.chemgapedia.de
48
4.3.2.2 Ionisierungsenergie im PS
I II III IIII V VI VII VIII
1 1H 2He
2 3Li 4Be 5B 6C 7N 8O 9 F 10Ne
3 11Na 12Mg 13Al 14Si 15P 16S 17Cl 18Ar
4 19K 20Ca 31Ga 32Ge 33As 34Se 35Br 36Kr
5 37Rb 38Sr 49In 50Sn 51Sb 52Te 53I 54Xe
6 55Cs 56Ba 81Tl 82Pb 83Bi 84Po 85At 86Rn
7 87Fr 88Ra 113 114 115 116 117 118
Ionisierungsenergien der Elemente Z = 1, ..12Z Ele-
mentIonisierungsenergie in eV zur Abtrennung des x-tenElektrons1 2 3 4 5 6 7
1 H 13,62 He 24,6 54,43 Li 5,4 75,6 122,44 Be 9,3 18,2 153,9 217,75 B 8,3 25,1 37,9 259,3 340,16 C 11,3 24,4 47,9 64,5 391,9 489,87 N 14,5 29,6 47,4 77,5 97,9 551,9 666,88 O 13,6 35,2 54,9 77,4 113,9 138,1 739,19 F 17,4 35,0 62,6 87,2 114,2 157,1 185,110 Ne 21,6 41,0 64,0 97,1 126,4 157,9 207,011 Na 5,1 47,3 71,6 98,9 138,6 172,4 208,412 Mg 7,6 15,0 80,1 109,3 141,2 186,7 225,3
mehrere Elementmodifikationenz.B. kristallines und amorphes Si
Leitfähigkeit steigt mit der TemperaturHalbleitereigenschaftenElektronenleitungDefektelektronenleitung
54
4.6.2 Dotiermittel
p-type DotiermittelAkzeptor Atome
n-type DotiermittelDonator Atome
I II III IIII V VI VII VIII
1 1H 2He
2 3Li 4Be 5 B 6C 7N 8O 9 F 10Ne
3 11Na 12Mg 13Al 14Si 15P 16S 17Cl 18Ar
4 19K 20Ca 31Ga 32Ge 33As 34Se 35Br 36Kr
5 37Rb 38Sr 49In 50Sn 51Sb 52Te 53I 54Xe
6 55Cs 56Ba 81Tl 82Pb 83Bi 84Po 85At 86Rn
7 87Fr 88Ra 113 114 115 116 117 118
5 Elementarteilchen
55
5.1.1 Elementarteilchengruppen
Elementarteilchen
...
Elektronen
Neutrinos
Leptonenleichte Teilchen
...
Mesonengerade Anzahl von Quarks
...
Hyperonen
Quarks
Neutronen
Quarks
Protonen
Nukleonen
Baryonenschwere Teilchen
...
Photonen
Bosonen"Kraftteilchen"
Name Symbol Ruhe- Ladung Spin mittlere
masse Lebens-
[MeV] dauer [s]
Elektron e- e+ 0,511 -1 +1 1/2 stabil
Müon µ- µ+ 105,6 -1 +1 1/2 2. 10-6
Tau - + 1784 -1 +1 1/2 3. 10-13
Elektron- Neutrino ee ? 0 0 1/2 stabil ?
Müon-Neutrino µµ ? 0 0 1/2 stabil ?
Tau-Neutrino ? 0 0 1/2 stabil ?
Leptonen + Quarks = Grundbausteine der Materie + Antimaterie
5.1.2 Leptonen - leichte Teilchen
56
Name Symbol Ruhe- Ladung Quarkaufbau Spin mittlere
masse Lebens-
[MeV] dauer [s]
Pionen 135 0 uu dd 0 8.10-17
Pionen 140 +1 -1 ud du 0 2,6 .10-8
Kaonen K0K0 498 0 0 ds d s 0 10-10 -5.10-8
Kaonen K K 494 +1 -1 us su 0 1,2.10-8
J / Psi J / 3098 0 cc 1 1.10-20
D-Null D 1863 0 cu 0 1.10-12
D-Plus D 1863 1 cd 0 4.10-13
Ypsilon Y 9460 0 bb 1 1.10-20
5.1.3 Mesonen - Teilchen aus 2 Quarks
Name Symbol Ruhe- Ladung Quarkaufbau Spin mittlere
masse Lebens-
[MeV] dauer [s]
Proton p p 938,3 +1 -1 u u d uud ½ stabil
Neutron n n 939,6 0 0 d d u ddu ½ ca. 900
Lambda 1115 0 0 u d s uds ½ 2,6.10-10
Sigma-Plus 1189 +1 +1 u u s uus ½ 8.10-11
Sigma-Minus 1197 -1 -1 d d s dds ½ 1,5.10-10
Sigma-Null 1192 0 0 u d s uds ½ 6.10-20
Xi-Minus 1321 -1 1 d s s dss ½ 1,6.10-10
Xi-Null 1315 0 0 u s s uss ½ 3.10-10
Omega-Minus 1672 -1 -1 s s s sss ½ 8.10-11
Charm-Lambda c c 2280 +1 +1 u d c udc ½ 2.10-13
5.1.4 Baryonen - schwere Teilchen
57
Austauschteilchen, übertragen Kräfte
Name Symbol Ruhe- Ladung Spin mittlere
masse Lebens-
[MeV] dauer [s]
Photon 0 1 stabil
W-Teilchen W W ~83 000 1 -1 10-25
Z-Teilchen Z ~93 000 0 1 10-25
Gluon g 0 0 1 stabil
5.1.5 Eichbosonen - Austauschteilchen
Name Symbol Ruhe- Ladung Spin mittlere
masse Lebens-
[MeV] dauer [s]
up u u ~5 2/3 - /3 ½ stabildown d d ~10 -1/3 1/3 ½ verschiedenstrange s s ~100 -1/3 1/3 ½ verschiedencharm c c ~1500 2/3 -2/3 ½ verschiedenbottom (beauty) b b ~4700 -1/3 1/3 ½ verschiedentop (truth) t t ? 2/3 -2/3 ½ verschieden
Elementarteilchen aus Quarktripletts : BaryonenElementarteilchen aus Quarkdubletts: Mesonen
5.1.6 Quarks - Bausteine für Elementarteilchen
58
5.1.6.1 „Visual“- Quarks
top
bottom
downup
strange charm
6 Anti-Materie
• Zu jedem Teilchen gibt es ein Anti-Teilchen(gleiche Masse, aber entgegengesetzte Ladung)
• Tritt ein Teilchen mit seinem Anti-Teilchen in Wechselwirkung, so werden beide vernichtet, es entstehen Photonen oder Mesonen
• Das Photon ist mit seinem Anti-Teilchen identisch
59
Übungsfragen 1
1. Wie kann man Energie definieren ?
2. Was ist die physikalische Einheit der Energie ?
3. Welches Grundprinzip ist bei allen Energieumwandlungen zu berücksichtigen ?
4. Was versteht man unter einem Raumwinkel ?
5. Was versteht man unter einem Mol ?
6. Was ist ein u ?
7. Was ist das SI-System ?
8. Wie kann man Materie definieren ?
9. Welche Erkenntnis gewann man aus dem Experiment von RUTHERFORD ?
10. Beschreiben Sie das BOHRsche Atommodell, wo sind die Schwächen ?
11. Wie viele Elektronen können sich maximal in der L-Schale aufhalten ?
12. Erläutern Sie den Welle-Teilchen Dualismus !
Übungsfragen 2
13. Was versteht man unter der HEISENBERGschen Unschärferelation ?
14. Was ist eine „stehende Welle“ ?
15. Was versteht man unter einem Orbital ?
16. Was versteht man unter Quantenzahlen, welche kennen Sie und welche Bedeutung haben diese ?
17. Nach welchen Prinzipien werden die Elektronenschalen besetzt (Erläuterungen) ?
18. Was sind die Elektronenkonfigurationen von Silizium, Zinn und Blei ?
19. Was sind Nukleonen, welche gibt es ?
20. Woraus bestehen Protonen ?
21. Was sind Quarks ?
22. Zu welchen Elementarteilchengruppen gehören Elektronen, Protonen bzw. Neutronen ?
23. Welche Spektrallinien (Serien) kennt man beim Wasserstoff ?
24. Unterscheiden sich die H-Isotope in den Spektralserien ?
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Übungsfragen 3
25. Was versteht man unter der Ordnungszahl eines Atoms ?
26. Was versteht man unter der Massezahl eines Atoms ?
27. Wodurch unterscheiden sich Haupt- und Nebengruppen im PS ?
28. Was sind Salzbildner ?
29. Welche Elemente sind Erzbildner ?
30. In welcher Gruppe befinden sich Uran und Plutonium ?
31. Was ist das chemische Kurzzeichen für Eisen ?
32. Was versteht man unter Ionisierungsenergie ?
33. Was versteht man unter Elektronenaffinität ?
34. Was versteht man unter Elektronegativität ?
35. Welches Element hat die größte Elektronegativität ?
36. Wie viele Elemente sind bekannt ? Bis welcher Ordnungszahl existieren stabile Isotope ?
Referenzen
1. J. Hoinkins; E. Lindner; Chemie für Ingenieure; Verlag: Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, 2007