Inhalt

• Der Weg bis zum Atom als "unteilbarem Teilchen" durch Erkenntnisse der Chemie
• Die Bedeutung der Gase und Gasgesetze für die Bestimmung der Masse von Atomen

Demokrit, Demokritos wikipedia griechischer Naturphilosoph um 400 v. Chr.; Schüler des Leukipp

gilt als Vordenker des Atombegriffs (Näheres hier, mit Flash-Animation)

Antoine Lavosier wikipedia (französischer Naturwissenschaftler) *26.08.1743, +08.05.1794 (Hinrichtung)

Entdecker des Elements Sauerstoff. Er widerlegte die Annahme, dass es einen "Wärmestoff", griech. phlogiston genannt, gibt, indem er die Waage benutzte und zeigen konnte, das bei Bildung oder Zersetzung von Stoffen keine Massen verloren gehen.

Dabei stellte er das "Gesetz der konstanten Proportionen" auf, wonach sich Stoffe immer im konstanten Massenverhältnissen verbinden.

John Dalton wikipedia (englischer Naturwissenschaftler) *06.09.1766, +27.07.1844

Dalton findet durch Benutzen der Waage das "Gesetz der multiplen Proportionen". Bilden zwei Elemente mehrere verschieden Verbindungen, so stehen die Massen der beteiligten Elemente in Verhältnis kleiner, ganzer Zahlen.

Er erkannte auch, dass sich alle Gase, unabhängig von ihrer Art, beim Erhitzen nach dem gleichen Gesetz ausdehnen. Unabhängig von ihm gelangte Gay-Lussac zu dem gleichen Ergebnis. Das führten Dalton zu der Annahme, dass es eine "niedrigste Temperatur" gibt, den er "Absoluten Nullpunkt der Temperaturskala" nannte.

Außer ihm beschäftigten sich noch Humboldt, Boyle, Mariotte mit den physikalischen Eigenschaften von Gasen.

Das Gesetz von Boyle-Mariotte wikipedia (Robert Boyle wikipedia und Edme Mariaotte wikipedia)

Für "Ideale Gase" gilt: Erhöht man den Druck p eines Gases bei gleichbleibender Temperatur T, so nimmt das Volumen V des Gases umgekehrt proportional zum Druck ab. V ~ 1/p

Das Gesetz von Gay-Lussac wikipedia

Für "Ideale Gase" gilt: Erhöht man die Temperatur T eines Gases bei gleichbleibendendem Druck p, so nimmt das Volumen V des Gases proportional zur Temperaturerhöhung zu. V ~ T

Das Gesetz von Amonton wikipedia

Für "Ideale Gase" gilt: Erhöht man die Temperatur T eines Gases bei gleichbleibendem Druck V, so nimmt der Druck p des Gases proportional zur Temperaturerhöhung zu. p ~ T

Das "Ideale Gasgesetz" wikipedia

Die Erkenntnis, dass alle Gase unabhängig von ihrer stofflichen Art, den gleichen Gasgesetzen folgen, führte zur Annahme, dass etwas in allen Gasen gleich sein muss. Überraschenderweise ist es das "Nichts", die Lücke zwischen den Atomen. Man formulierte es allerdings ohne die Lücken als Ursache zu erwähnen.

Für ein abgeschlossenes Gasvolumen gilt:

Das Produkt von Druck p und Volumen V, dividiert durch die absolute Temperatur T ist konstant.

p * V / T = konst. Man nennt diese Gesetz das "Ideale Gasgesetz". Ideal deshalb, weil man dazu annimmt, das die Teilchen

1. keinerlei Kräfte aufeinander ausüben,
2. unendlich klein sind, so dass sie praktisch kein Volumen haben.

Beide Voraussetzungen gelten nur bei sehr geringem Gasdruck. Bei "Realen Gasen" unter Normalbedingungen (p = 1013 hPa, T = 273,14 K) treten bereits leicht Abweichungen von dem Gesetz auf.

Amadeo Avogadro wikipedia (italienischer Naturwissenschaftler) * 09.08.1776 +09.07.1856

Er stellte die Hyphothese auf, das für ein abgeschlossenes Gasvolumen gilt: Bei gleichem Druck und gleicher Temperatur in gleichen Volumina gleich viele Teilchen enthalten sind. Damit wurde das Ideale Gasgesetz auf die zwischen den Atomen "Lücken" zurückgeführt. Die lücken in allen Gasen sind jedoch von Anzahl und Größe gleich, wenn man ideale Gase annimmt, has heißt, die Atome sind im Vergelich zu den Lücken dazwischen verschwindend klein und zwischen den einzelnen Teichen dürfen keine Anziehungskräfte oder Abstoßungskräfte bestehen.

Die Hyphothese wurde lange nicht beachtet, bis 1814 André Ampere die gleiche Annahme veröffentlichte. Später stellte Canizzarro die Priorität der Erkenntnis von Avagadro fest, wobe er selbst wesentlich zur Aufstellung von Tabellen genauerer Atommassen beitrug.

Newton (Spektralzerlegung des Lichts; Lichtteilchentheorie)

Huygens wikipedia (Lichtwellen-Theorie wikipedia)

Fraunhofer entdeckt 1814 schwarze Linien im Sonnenspektrum und begründet damit die Spektralanalyse in der Astrophysik.

Bunsen und Kirchhof entdecken 1858 leuchtender Linien im Spektrum von Salzen; Entdecker der Elemente Rubidium und Caesium durch Spektralanalyse und Magnesium durch Elektrolyse

Young wikipedia bestimmt die Wellänge von Licht am Doppelspalt und bestätigt damit die Vorstellung, das Licht eine Welle darstellt.

Bestimmung der Wellenlänge von Licht durch Beugung am Gitter wikipedia

Ångström entdeckt 1866 die Spektrallinien des Elementes Wasserstoff im Sonnenlicht.

Balmer findet eine mathematische Formel, die die Wellenlängen der Emissionslinien des ionisierten Wasserstoffs als mathematische Folge beschreibt.

Rydberg führt die Konstante in der Balmer-Formel ausschließlich auf Naturkonstanten zurück.

Max Planck gelang es, die Verteilung der Energie in Bezug auf die Wellenlänge des ausgesendeten Lichtes durch eine mathematische Beziehung wiederzugeben. Dazu ging er davon aus, dass die Energie E der Strahlung das Produkt einer Konstanten, des Plankschen Wirkungsquantums h, und der Frequenz fist.

E = h * f

J. W. Hittorf wikipedia und Julius Plücker wikipedia (Untersuchung an Gasentladungsröhren)

Balmer findet empirisch eine mathematische Formel für die Wellenlängen der vier Wasserstofflinien im Spektrum der Gasentladungsröhren.

Thomas Alva Edison wikipedia (Glühelektrischer Effekt wikipedia, Elektronenstrahlen; )

Real-Experiment mit animierten Bildern (.gif-Animation);
virtuelles-Experiment mit animierten Bildern (Flash-Animation);

 

Eugen Goldstein wikipedia Entdeckung der Kanalstrahlen (positive Ionenstrahlung)

J.J.Thomson wikipedia und

Untersuchung der Kathodenstrahlen; Entdeckung des Elektrons 1897; Bestimmung der spezifischen Elektronenladung e/m. Entdeckung der Isotope von Neon;

Überarbeitete das Atommodell von Dalton ("Starre Kugeln") zu einem "Rosinen-Modell" des Atoms wikipedia.

Versuch zur e/m-Bestimmung durch Ablenkung im Magnetfeld leifi (Animierte Darstellung leifi)

Versuch zur e/m-Bestimmung mit dem Fadenstrahlrohr leifi (Animierte Darstellung leifi)

Animation zur e/m-Bestimmung mit dem Fadenstrahlrohr bigs) Animation der Phywe Apparatur. Programm als .exe ladbar und mit einer Seite .pdf erklärt.

 

Millikan Öltröpfchenversuch wikipedia (Robert Andrews Millikan wikipedia)

Robert Andrews Millikan untersuchte die Aufladung winziger Öltröpfchen, die aus einer Düse herausgesprüht werden. Dabei laden die Tröpfchen elektrisch auf. Unter dem Mikroskop konte er den DUrchmesser bestimmen und damit die Masse der Tröpfchen. Im Schwerefled der Erde sinken die Tröpfchen zu Boden. Wenn man nun ein elektrisches Feld so anlegt, dass die elektrische Anziehungskraft auf die geladenen Öltröpfchen die Schwerkraft ausgleicht, so bleiben die Tröpfchen in der Schwebe. Bei der so gemessenen Aufladung stellte er fest, dass die Aufladung der Tröpfchen immer ein ganzzahliges Vielfaches einer kleinsten Ladung ist. Diese kleiste auftretende Ladung ist die Ladung des kleinsten Elektrischen Teilchens, des Elektrons.

In der Realität lassen sich die Tröpfchen-Durchmesser nur sehr schwer bestimmen. Der Ausweg geht über die Bestimmung der konstanten Sinkgeschwindigkeit.

e = 1,592 * 10¹⁹ Coulomb

Materialien zum Millikan-Versuch (T. Unkelbach)

Java Animation des Öltröpchen-Versuch als Blick durch das Mikroskop bei C. Groß

Antoine Henri Becquerel wikipedia; französicher Physiker

Entdecker der natürlichen Radioaktivität;

Ernest Rutherford wikipedia; englischer Physiker; *30.8.1871 +19.10.1937

Entdecker der ionisierenden Wirkung der Radioktivität; Entdecker der α-Strahlen und β-Strahlen, die sich durch unterschiedlichen Reichweite in Luft und Absorption in Materie unterscheiden.

Er erkennt die α-Strahlen als positiv geladene Teilchen durch ihre Ablenkung im Magnetfeld durch die Lorentz-Kraft.

Zwei seiner Mitarbeiter, Hans Geiger wikipedia und Thomas Royds wikipedia, weisen nach, dass die α-Strahlen zweifach positiv geladen Atomkerne sind, indem sie radioaktive Substanz in einer Geißler-Röhre aufbewahrten und anschließend durch eine Spektralanalyse des in der Röhre gebildeten Gases als Helium nachwiesen.

Entdeckung der Größe des Atomkerns durch Rutherford, Geiger und Marsden durch Weitwinkelstreung von α-Strahlen an dünnen Goldfolien. Diese Entdeckung führte zum Rutherfordschen Atommodel, bestened aus einem winzigen Atomkern mit einem 10000stel Durchmessers des Gesamtatoms und einer Hülle aus Elektronen.

Entdecker der ersten künstlichen Umwandlung eines Atomkerns (1919)

Conrad Röntgen

Entdeckung der Röntgen-Strahlen

Henry Moseley

Bestätigt durch Röntgenspektroskopie, dass die Ordnungszahl mit der Anzahl der positiven Ladungen im Atomkern die Stellung der Elemente im Periodensystem der Elemente bestimmt. Somit war die Vertauschung durch die chemischen Eigenschaften Argon/Kalium, Kobalt/Nickel und Iod/Tellur auf die Ladung und nicht auf die Atommasse zurückzuführen.

 

Francis William Aston wikipedia

Aston bestimmte äußerst genau die Massen von Isotopen, das sind Elemente mit gleicher Protonenzahl, aber unterschiedlicher Neutronenzahl.

Massenspektrometer nach Aston als Simulation hmtc