Physik Fragen?
Hi sorry dass ich so oft frage aber ich schreibe bald einen Test und weiß nicht die antworten auf diese Fragen!
- Welche Kraft hält Atomkern und Atomhülle zusammen?
- Zwischen positiven und negativen Ladungen herrscht ?
- Das Elektron ist der Träger der kleinsten negativen elektrischen Ladung
Wie wird diese Ladung noch genannt?
2 Antworten
1) Elektromagnetische Wechselwirkung
Der Grund warum Elektronen beim Atom gebunden sind ist die elektromagnetische Wechselwirkung, die das Elektron nach dem Bohrschen Atommodell auf die Umlaufbahn zwingt. Das was wir als "Hülle" bezeichnen ist in diesem Fall die Bahn um den Atomkern herum:
Wir sehen im Atomkern die Zahl 7 das bedeutet, dass sich im Kern 7 Protonen befinden. Bei einem Neutral geladenen Atom ist die Anzahl der Protonen gleich der Anzahl der Elektronen und wir sehen hier befinden sich auf den Schalen ebenfalls 7 Elektronen.
Lass uns nochmal kurz darüber sprechen wie du die Anzahl an Elektronen Protonen und Neutronen mithilfe des Periodensystems ermittelst:
ganz vollständig ist das nicht aber für das Beispiel reicht es. Wir sehen hier oben als Beispiel ein Aluminium Atom. Wir sehen oben links immer die sogenannte Massenzahl. Die Masse des Atoms setzt sich dabei immer aus den Protonen und Neutronen zusammen.
Unten links siehst du die "Ordnungszahl" das ist die Anzahl der Protonen im Kern. Willst du nun wissen wie viele Neutronen im Kern sind, musst du lediglich die Ordnungszahl von der Massenzahl abziehen dabei wird die Massenzahl auf die nächste ganze Zahl gerundet:
27u-13=14
Im Kern befinden sich also 14 Neutronen. Jetzt gibt es nicht nur Aluminium Atome die immer 14 Neutronen haben, es gibt auch Atome dessen Neutronenanzahl variieren kann in diesem Fall spricht man von "Isotopen" Ein "Isotop" ist also ein Atom des gleichen Elements jedoch mit einer anderen Anzahl an Neutronen.
Warum befinden sich die Elektronen nun auf der Hülle?
Die Elektromagnetische Wechselwirkung beschreibt die Kraft die aufgrund von Elektrischen Feldern entsteht die von den Ladungsträgern also Elektronen oder Protonen ausgehen. Diese Kraft wird allgemein über das "Coulombgesetz" beschrieben:
Lass dich von dem Vorfaktor (1/4*π*ε0) nicht verwirren. Das ist erstmal nur irgendeine Konstante also ein konstanter Wert. Viel wichtiger ist der rechte Teil.
Wir haben die beiden Ladungen q1 und q2 ob es nun ein Elektron oder Proton oder Positron oder weiß der Geier was ist spielt erstmal keine Rolle wir wissen es gibt 2 unterschiedliche elektrische Ladungen, die einen sind positiv geladen wie die Protonen und die anderen sind negativ geladen wie z.b. das Elektron. Das heißt ob wir es bei q1 oder q2 mit einer positiven oder negativen Ladung zu tun haben erkennen wir durch das Vorzeichen also ob + oder - vor der Zahl nachher steht.
Ganz wichtig ist auch das r^2 das ist der Radius also der Abstand von q1 bis q2.
Wir sehen also die Kraft wird quadratisch größer je näher wir dem Atomkern kommen, dann wird also das Elektron stärker angezogen und wenn wir uns weiter entfernen, dann wird die Kraft quadratisch schwächer.
Also eigentlich ist die Anziehungskraft gar nicht von der Anzahl der Protonen abhängig aber wieso ist die Anzahl an Elektronen und Protonen immer gleich und wieso befinden sich die Elektronen nicht einfach alle auf einer Schale?
Naja. Auch zwischen Elektronen wirkt ja eine Kraft und zwar eine Abstoßende sind ja gleich geladen. Wenn Die Kraft die die Elektronen voneinander abstößt ist irgendwann größer als die Anziehungskraft der Protonen also muss das Elektron nachdem die 1. Schale voll ist weiter weg. Macht sinn oder? Da wir jetzt außen einen größeren Umfang haben haben hier nun mehr Elektronen Platz ohne, dass sie sich gegenseitig abstoßen, auf der 2. Schale passen also mehr Elektronen drauf als auf der 1. Schale usw.
OK. Soweit so gut. Aber warte mal!!! Wieso fällt das Elektron eigentlich nicht in den Atomkern? die ziehen sich doch an! Tja. Dafür gibt es mehrere Erklärungen im Beispiel des bohrschen Atommodell ist es die "Zentrifugalkraft" wir befinden uns ja auf eine Umlaufbahn ähnlich wie auf einem Kettenkarussell.
Und wenn du hier gut aufgepasst hast gibt es eine Kraft die Zentripetalkraft heißt, die dafür sorgt, dass das Elektronen nach innen beschleunigt wird und diese Kraft ist exakt die Kraft die durch das Coulombgesetz also durch die Anziehungskraft zustande kommt.
Kräfte haben wir von Newton gelernt treten niemals einzeln auf, zu jeder Kraft gibt es eine Gegenkraft und diese ist die Zentrifugalkraft. Die das Elektron nach außen beschleunigen will.
Damit das Elektron jetzt auf einer stabilen Umlaufbahn bleiben kann müssen beide Kräfte gleich groß sein und sich exakt gegenseitig aufheben und genau deshalb bleibt das Elektron in diesem Fall auf dieser Bahn.
Du wirst aber sehen das bohrsche Atommodell ist veraltet und tatsächlich falsch, es lässt sich aber trotzdem viel damit erklären es fehlt halt nur eine Menge. Das Aktuelle Modell ist das sogenannte Orbitalmodell welches mit der Quantenmechanik zutun hat. Denn das bohrsche Atommodell ist 2 Dimensional also eine Ebene wo es nur nach nach oben, nach unten, nach links und nach rechts geht. Ein Atom ist in Wahrheit aber dreidimensional Das heißt es geht auch noch nach vorne und nach hinten. Wir kriegen also eine Art "Kugel"
Die Elektronen sind außerdem auch nicht auf einen Ort Bestimmbar sondern die Elektronen befinden sich viel mehr auf eine Art "Wahrscheinlichkeitswolke" um den Atomkern. Die auch noch ein magnetisches Moment besitzen und sich Aussichten können wie ein Kompass also eine ganz wilde Nummer :D
Die Elektromagnetische Wechselwirkung ist also die Grundkraft die die Elektronen auf seine Bahn um den Atomkern hält.
2) starke Kernkraft
Jetzt kommt die Frage aller fragen! Atomkerne sind auf einen winzigen Punkt komprimiert. Würde man das Atom auf die Größe eines Fußballstadions aufblasen, dann währe der Atomkern im Größenverhältnis gerade mal so groß wie ein Reiskorn der im Anstoßkreis liegt und die Elektronen währen auf den Umlaufbahnen die sich dann bei den Tribünen befinden und dazwischen ist nichts als leerer Raum. Das heißt ein Atom besteht zum Größten Teil aus NICHTS!
ABER wenn gleichnamige Ladungen sich abstoßen und der Kern so unfassbar klein ist wieso zur Hölle fällt der Kern nicht auseinander?! Normalerweise würden sich die Protonen extrem abstoßen, der Atomkern müsste geradezu auseinander gesprengt werden! Warum passiert da nichts?
Tja. Die Antwort ist die "die starke Wechselwirkung" oder auch "starke Kernkraft" sie ist viel stärker als die elektromagnetische Wechselwirkung ihr Wirkungsbereich ist jedoch extrem klein. Das heißt damit die starke Wechselwirkung die alles dominierende Kraft wird die alles wie einen Superkleber zusammenhält muss man in den "Wirkungsbereich" kommen das heißt die Teilchen müssen sich extrem nah kommen und genau das ist im Atomkern der Fall. Nun wird auch klar warum bei der Kernfusion so viel Energie aufgebracht werden muss. Atomkerne können nur unter extremen Druck verschmelzen einfach weil der Wirkungsbereich der starken Wechselwirkung erreicht werden muss. Genau das ist es was z.b. im größten Kernfussionsreaktor in unserem Sonnensystem passiert nämlich der Sonne selbst.
Gut. Hier gibt es noch eine Besonderheit eigentlich ist der Druck zu wenig hier kommt uns noch der Quantenmechanische Tunneleffekt zugute aber das ist ein anderes Thema. Der Punkt ist, dass durch die Gravitation also die Eigenschaft von Masse sich gegenseitig anzuziehen (Ja 2 schwere Steine ziehen sich gegenseitig an). im Inneren der Sonne ein so hoher Druck entsteht, sodass dieser irgendwann eine Kernfusion begünstigt und die Wasserstoffatome verbinden sich zu Heliumatome usw.
Die starke Wechselwirkung genau zu verstehen wird aber ein Thema für sich sein, das ist nicht mal eben zu bewältigen, denn hier wird es wirklich abenteuerlich. Wir lernen nämlich, dass Protonen und Neutronen nicht das ende der Fahnenstange sind. Diese bestehen nämlich aus weiteren Teilchen den sogenannten up und down Quarks und als währe das nicht schon genug besitzen sie nicht nur 2 unterschiedliche Ladungen sondern auch noch 2/3 und 1/3 Ladungen also 2/3 von der Elementarladung das heißt:
e*2/3 und e/3
und e ist die Elementarladung in Coulomb:
e=1,602*10^-19C
Die Menge der Ladung von Elektronen und Protonen sind also beide 1,602*10^-19 nur das Vorzeichen ist anders also Elektronen mit -1,602...usw und Protonen mit +1,602...usw.
tja aber wie ist es mit Quarks? Die haben nicht + oder - nein. Die haben FARBLADUNGEN :D
Hat mit der Farbe selbst nichts zu tun aber man unterscheidet die Zahlen und ordnet diesen einer Farbe zu um die Ladungen untereinander zu unterscheiden und die Theorie die das beschreibt ist die "Quantenchromodynamik" Also du merkst es schon das ist eine ziemlich abenteuerliche Geschichte :D
Wie kommt man auf Farbladungen? Naja. Als man die Quarks entdeckte hat man festgestellt, dass diese dem sogenannten "Pauliprinzip" widersprochen haben. Die Das Pauliprinzip sagt im Grunde, dass wenn man 2 Teilchen oder mehr in einem Quantensystem beschreiben will, dann müssen diese sich in einem "Quantenzustand" unterscheiden, also entweder die Ladung ist unterschiedlich, der Spin, die magnetische Ausrichtung oder eben der Drehimpuls doch das war bei den Quarks nicht der Fall und das war ein Problem in der Physik und die verzweifelte Lösung war es sozusagen eine 3. Ladung hinzuzufügen und das sind die Farbladungen. Man hat dem Teilchen einfach einen weiteren Zustand gegeben nämlich eine weitere Ladung und damit ist das Pauli Prinzip wieder erfüllt.
Tja und diese können sich auch noch dank der schwachen Kernkraft durch Zerfallsprozesse ineinander umwandeln also ein Up Quark kann zu einen down Quark werden und umgekehrt und nicht nur das auch Protonen können sich in Neutronen umwandeln und umgekehrt also absolut verrückt. Schaue dir einfach mal dazu eine Animation an:
Spule das Video 22:40 vor, hier findest du die Animation wie die Umwandlung von Farbladungen in Protonen und Neutronen aussieht.
Kurz eins vorweg. das g welches du in der Animation siehst ist das "Gluon" ein sogenanntes "Wechselwirkungsteilchen" man geht nämlich in der Welt der kleinsten also der Quanten davon aus, dass jede Kraft über ein Teilchen vermitelt wird.
Das kannst du dir Vorstellen wie Tennis. Wenn dir ein Spieler den Ball zu spielt dann spürst du ja die Kraft mit der der Ball gegen den Schläger drückt. Der Ball ist in dem Fall der "Überträger" dieser Kraft und in unserem Beispiel z.b. das Gluon oder allgemein das "Wechselwirkungsteilchen" jede Kraft hat so ein Wechselwirkungsteilchen bei der Elektromagnetischen Wechselwirkung sind es die Photonen auch als "Lichtteilchen" bekannt. In Wahrheit aber ist Licht eine elektromagnetische Welle und unsere Augen Sensoren die auf diesen Teil der Welle spezialisiert sind nämlich der Teil des sogenannten "Spektrums" die sich wie Licht verhalten.
https://www.youtube.com/watch?v=oaYhMayj1Sk
Ich kann völlig verstehen wenn dich diese Informationen alle sehr überfordern, andere studieren Physik um das zu verstehen aber dennoch wollte ich dir das ein oder andere nicht vorenthalten einfach weil ich es persönlich einfach wahnsinnig verrückt finde :D
Tja und das sind vom Prinzip her die Prozesse die so in einem Atomkern abspielen und dazu führen, dass die starke Kernkraft vermittelt wird und dafür sorgt, dass der Kern zusammengehalten wird.
Keine sorge. So genau wirst du es nicht wissen müssen zumal weil man auch hier langsam an den Grenzen der Physik kratzt. Es reicht vom Prinzip her wenn du weißt, dass die starke Wechselwirkung also die starke Kernkraft dafür sorgt, dass der Kern zusammengehalten wird und die schwache Kernkraft für Zerfallsprozesse ohne die es aber wiederum die starke Kernkraft nicht gibt. Wenn du dann noch sagen kannst, dass das Gluon das Wechselwirkungsteilchen der starken Kernkraft ist, weißt du mehr als du wohl möglich dann dafür brauchst :)
3) Elementarladung
Ein Elementares Teilchen ist zunächst einmal ein Teilchen der im inneren aus keinen weiteren Teilchen mehr besteht. Das Gegenstück zum Elektron z.b. ist tatsächlich gar nicht das Proton, denn das Proton ist im Gegensatz zum Elektron wie wir gelernt haben nicht elementar sondern besteht ja noch aus weiteren Teilchen nämlich den Quarks, das sind diese komischen Dinger mit den Farbladungen.
Das Gegenstück zum Elektron ist tatsächlich das sogenannte "Positron" das sogenannte "Antiteilchen" des Elektrons. selbe Ladung, elementar aber unterschiedliche Vorzeichen sodass die Ladungserhaltung erfüllt ist. Das nice to know.
eine Elementarladung trägt den Formelbuchstaben e und die Ladung 1,602*10^-19C
Dem entsprechend setzt sich die Gesamtladung zusammen aus:
Q=n*e
also die Anzahl an Elektronen n* die Elementarladung e.
Achtung! Hier war ein kleiner Fehler. Der Grund für die Farbladung ist nicht die Ladungserhaltung sondern es geht um die Erfüllung des Pauli Prinzip.
1) Elektronen werden durch die elektromagnetische Kraft beim Kern gehalten.
2) Zwischen positiven und negative Ladungen besteht eine Anziehungskraft.
3) Ein Elektron trägt die sogenannte Elementarladung.