Subatomare Teilchen entdecken PDF

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eine sehr wichtige Vorlesung...

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Subatomare Teilchen entdecken Am Ende der letzten Vorlesung erwähnten wir das Problem der Massen von Jod und Tellur, die im Periodensystem "außer Betrieb" waren. Dies war nur eines von mehreren Problemen, mit denen Chemiker zu diesem Zeitpunkt konfrontiert waren. Ein anderer war die Seltenerdelemente (die Lanthanoide und Actinoide, am Ende des Periodensystems). Die Elemente der Seltenen Erden waren einander sehr ähnlich, so dass es sehr schwierig war, sie zu trennen, die Massen zu bestimmen und sie in das Periodensystem einzupassen.

Ein anderes Problem waren Ionen. Ionen wurden chemische Einheiten geladen, die sich durch Lösungen bewegten, die elektrischen Strom führten, wenn Elektrizität angelegt wurde. Chemiker wussten, dass sie existierten, konnten aber nicht erklären, wie sie entstanden waren. Kationen waren positiv geladen, während Anionen negativ geladen waren. Es war bekannt, dass Wasserstoff positive Ionen mit einer bestimmten Ladung bildet. Aber woher kamen die Anklagen? Berzelius hatte geglaubt, dass die Atome selbst geladen seien, aber dies machte keinen Sinn, nachdem Avogadros Hypothese akzeptiert wurde, da sich in diesem Fall die beiden O-Atome in O2 abstoßen würden und kein Molekül bilden würden. Das war natürlich vor allem ein Problem für Physikochemiker, weil Physiker meist noch nicht an Atome glaubten.

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Experimente von Faraday und anderen zeigten, dass Feststoffe normalerweise Elektrizität leiten, ohne sich zu verändern; Flüssigkeiten werden durch elektrischen Strom zersetzt, und Gase leiten schlecht und nur bei hoher Spannung, aber werden bessere Leiter bei niedrigem Druck. Glasröhren mit Niederdruckgas glühen; Beispiele hierfür sind Neonlampen in Schaufenstern, Leuchtstofflampen und gelbe Natriumdampflampen, die manchmal an Straßenlaternen verwendet werden. Wenn der Glasbläser Geissler Glasröhren voller Gas mit sehr niedrigem Druck herstellte, erschien irgendwo auf dem Glas ein glühender Fleck, wenn die Röhre mit einer hohen Spannung verbunden war.

Dieser Fleck könnte durch einen Magneten bewegt werden, was darauf hindeutet, dass er negativ geladen war. Ein Strahl oder Strahl kam aus der Kathode (der Elektrode, zu der sich Kationen bewegen), und dieser Strahl ließ das Glas glühen. (Dies ist genau, wie alte Fernseher funktionieren, bevor es Flachbildschirme gab.)

Aber was war der Strahl, der aus der Kathode kam? Einige dachten, es seien negativ geladene Teilchen, während andere (insbesondere Physiker) dachten, es sei eine Welle. Thomson überzeugte sich davon, dass der Strahl ein negativ geladenes Teilchen ist, das durch elektrische oder magnetische Felder bewegt werden kann. Er schätzte, dass das Teilchen ein Ladung / Masse-Verhältnis von 1000-fach größer als das Wasserstoffion hat, aber mit der entgegengesetzten Ladung. Der Strahl, der aus der Kathode kommt, ist derselbe, egal welches Material, und er stellte fest, dass man dasselbe Teilchen erzeugen kann, indem man Metallfäden sehr heiß erhitzt oder eine Metalloberfläche UV-Licht aussetzt (das Licht, das Sonnenbrände verursacht).

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Was sind Kathodenstrahlen? Elektronen! Als Thomson vorschlug, dass sie entweder eine viel höhere Ladung oder eine viel kleinere Masse als Wasserstoffionen hatten, waren viele Menschen skeptisch. Aber sorgfältige Messungen von Tropfen in einem elektrischen oder magnetischen Feld durch Millikan zeigten, dass Elektronen die gleiche Ladung wie Wasserstoffionen haben, aber fast 1/2000 weniger massiv sind. Thomson vermutete, dass Elektronen doppelt so groß waren wie sie sind wirklich.

Zusammenfassend haben Elektronen eine gleiche, aber entgegengesetzte Ladung wie Wasserstoffionen, aber Wasserstoffionen wiegen 2000x mehr als Elektronen. Elektronen sind Teil jeder Art von Atomen.

Anders als Elektronen, woraus bestehen Atome? Röntgenstrahlen wurden 1895 entdeckt, als Roentgen einen Strahl bemerkte, der durch das Glas seiner Kathodenstrahlröhre hindurchging und einen photographischen Film entwickelte, der in seinem Weg angeordnet war, selbst wenn er in dunkles Papier eingewickelt war. Inspiriert von dieser Entdeckung untersuchte Becquerel die Fluoreszenz (das heißt das Glühen nach dem Lichteinfall) von Mineralien und ob dies durch dunkles Papier einen Film entwickeln könnte.

Er benutzte das Sonnenlicht, um die Mineralien zu fluoreszieren, entdeckte aber, dass einige Mineralien auch ohne Sonnenlicht fluoreszieren. Mineralien, die die Elemente Uran und Thorium enthalten, haben diese Eigenschaft, die Radioaktivität genannt wird. Drei Arten von Radioaktivität wurden entdeckt, α (positive Ladung), β (Elektronen, wie Kathodenstrahlen) und γ (Licht, ähnlich wie Röntgenstrahlen). Diese Strahlung ist eine Eigenschaft des Elements und wird nicht durch chemische Kombinationen verändert. Es wurde auch entdeckt, dass radioaktive Elemente in Produkte 3

zerfallen, die bekannten Elementen sehr ähnlich sind, außer dass die Massen unterschiedlich sind. Diese Zerfallsprodukte haben genau die gleichen chemischen Eigenschaften wie die bekannten Elemente, und wenn sie einmal zusammengemischt sind, können sie nicht chemisch getrennt werden. Aber die Massen waren anders. Die Beweise gegen Daltons "identische und unteilbare Atome jedes Elements" wurden stark.

Rutherford untersuchte die α-Strahlung und fand heraus, dass es eine positive Ladung und ein e / m (Ladung / Masse) -Verhältnis von 1/2 eines Wasserstoffions hatte. Später bewies er, dass es eine geladene Form des Elements Helium (He) ist. Schließlich hat Aston mit einer frühen Version des Massenspektrometers, die e / m durch Beschleunigung geladener Teilchen in einem elektrischen oder magnetischen Feld misst, festgestellt, dass Neon- (Ne) -Atome Massen von 20 oder 22, nicht 20,2, dann den akzeptierten Wert haben. Hier ist ein weiterer Fall, in dem es wichtig ist, die Genauigkeit Ihres Experiments zu kennen: Wenn er den Unterschied zwischen 20.0 und 20.2 nicht erkennen könnte, wäre das nicht nützlich gewesen! Die zwei Versionen von Ne heißen Isotope. Isotope sind Atome des gleichen Elements mit gleichen chemischen Eigenschaften, aber unterschiedlichen Massen.

Was ist die Struktur eines Atoms? An diesem Punkt war klar, dass Dalton nicht völlig korrekt war, weil Atome eines Elements in verschiedenen Formen oder Isotopen existieren können. Es wurde auch klar, dass Atome in kleinere Teile wie Elektronen zerlegt werden können. Aber wie wurden die Elektronen und die positiven Teile (wie der Teil von He, der α-Strahlung ist) angeordnet, und was war das positive Teilchen? Es schien, als wäre in den Atomen viel Platz, weil Kathodenstrahlen durch Aluminiumfenster dringen 4

könnten. Viele Theorien wurden in Betracht gezogen, aber letztendlich fanden zwei von Rutherfords Schülern, Geiger und Marsden, eine Antwort. Sie beobachteten, dass α-Strahlen, die auf eine dünne Goldfolie (Au) gerichtet waren, normalerweise durch die Folie hindurchgingen (obwohl sie normalerweise nicht gerade waren), aber manchmal warf die Folie sie in die Richtung zurück, aus der sie kamen. Diese α -Teilchen müssen in etwas sehr schwerem hineingestoßen sein (oder durch eine große positive Ladung darin abgestoßen worden sein), um eine so große Richtungsänderung zu haben. Rutherford schlug vor, dass Atome aus einem kleinen dichten Teilchen bestehen, dem Kern, der den größten Teil der Masse des Atoms und seine gesamte positive Ladung enthält, wobei sich Elektronen durch einen großen leeren Raum um den Kern herum bewegen. Aber sie waren etwas verwirrt über die Masse und Ladung des Kerns.

Schema des Apparates im Rutherford-Goldfolien-Experiment Im Jahr 1913 maß ein sehr junger Chemiker namens Moseley die Fluoreszenzwellenlänge, die erzeugt wird, wenn Röntgenstrahlen auf reine Elementproben scheinen. Er entdeckte, dass wenn Sie die Quadratwurzel der Fluoreszenzfrequenz gegen die Position des Elements im Periodensystem grafisch darstellen, eine gerade Linie erhalten. Die Position im Periodensystem wird als Ordnungszahl bezeichnet. Dies bestätigte die Anordnung von Te / I im Periodensystem und einige andere ähnliche Probleme. Er konnte auch feststellen, wo unentdeckte Elemente in der Tabelle fehlten, und die Identifizierung von Seltenerdelementen klären, was sehr schwierig war, weil sie so ähnlich waren. Er war 26 Jahre alt und 5

starb ein Jahr später im Ersten Weltkrieg. Moseley's Arbeit zeigte, dass die Ordnung des Periodensystems auf der Ordnungszahl basiert, die die Anzahl der positiven Ladungen im Kern und auch die Anzahl der Elektronen ist. Die Einheit der positiven Ladung ist ein Wasserstoffkern oder Proton. Die Masse des Kerns war weiterhin verwirrend, selbst nachdem die Menge der positiven Ladung durch die Atomzahlen von Moseley bestimmt worden war. Die Atomgewichte waren ungefähr doppelt so groß wie sie sein sollten, wenn der Kern nur Protonen enthielt. Ein Vorschlag, um dies zu erklären, war, dass sich im Kern einige Elektronen befanden, die die Ladung der Hälfte der Protonen auslöschten. Spätere radiochemische Experimente zeigten die Existenz des Neutrons, das ungefähr die Masse eines Protons und keine Ladung hat. Dies wurde als zusätzliche Masse in Kernen verstanden. Nun wissen wir jedoch, dass Neutronen in Protonen und Elektronen (und einige andere weniger bekannte Teilchen) zerfallen können, so dass die frühere Idee nicht weit entfernt war.

Zusammenfassung Atome bestehen aus Protonen, Neutronen und Elektronen. Protonen und Neutronen machen den größten Teil der Masse des Atoms und all seiner positiven Ladung im Kern aus. Protonen sind subatomare Teilchen, die eine positive Ladung enthalten. Im Wesentlichen sind sie Wasserstoffkerne. Neutronen sind subatomare Teilchen, die die gleiche Masse wie ein Proton, aber keine Ladung haben. Elektronen sind subatomare Teilchen mit einer negativen Ladung, die sich außerhalb des Atomkerns befinden. Die Ordnungszahl eines Elements gibt seine Position im Periodensystem an und beschreibt, wie viele Protonen in einem bestimmten Element enthalten sind. Ionen sind Atome, die entweder positiv oder negativ geladen sind, 6

weil die Anzahl der Protonen oder Elektronen in einem Atom nicht gleich ist. Isotope sind Atome, die eine andere Anzahl von Neutronen im Kern haben als normal. Es gibt drei Haupttypen von Radioaktivität: α, β und γ. α-Strahlung beinhaltet die Emission eines Heliumkerns, der aus zwei Protonen und zwei Neutronen besteht. β (Beta) -Strahlung beinhaltet die Emission eines Elektrons aus dem Atomkern. γ (Gamma) -Strahlung beinhaltet die Emission von hochenergetischer elektromagnetischer Strahlung.

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