antwort zu physik gesucht!
letztens hat uns unsre physiklehrerin (9.klasse) erzählt das man sich atome nicht als massive kugeln vorstellen kann. aber genauso werden sie doch in modellen dargestellt oder nich? kann mir einer sagen warum sie uns das so erklärt hat? is es etwa weil atome nicht aus einzelnen "kugeln" sondern aus teilchen bestehen?
5 Antworten
Das liegt daran, das Atome schlicht nicht massiv sind!
Folgendermaßen: Ein Atom ist, wie du selbst schon gesagt hast aus einzelnen Teilchen aufgebaut, den Protonen und Neutronen im Kern und den Elektronen in der Hülle. die Elektronern bewegen sich in Schalen um die Kerne. Dabei ist zu beachten, das diese Schalen an sich auch nur imaginär sind, sie existieren nicht als Materie oder dergleichen.
Eine bessere Beschreibung für die Schalen wäre eigentlich Abstände. Aber Schalen kann man sich halt einfacher merken.
Tatsache ist nun, dass das meiste in so einem Atom leerer Raum ist. nur ca 0,0001% des Raumes in einem Atom ist echte Materie.
Ich hoffe ich konnte helfen.
Interessant in dem Zusammenhang ist auch die relativ junge Erkenntnis, dass die "Bauteile" der Protonen und Neutronen nach dem Standardmodell, also das up- und das down-quark, lediglich 7-10mal "schwerer" als das Elektron sind, während die daraus zusammengesetzten Nukleonen - also die Kernbausteine Proton und Neutron - ja rund 2000mal massereicher als das Elektron sind.
Über 99% der "Protonenmasse" sind also nach E = m * c^2 auf das Kraftäquivalent der "Starken Kernkraft" zurückzuführen!
Dies relativiert die Frage nach "eigentlicher Materie" und leerem Raum natürlich neuerlich, übersteigt nur leider elementare Schulphysik beträchtlich und würde im Unterricht nur weitere Verwirrung stiften.
Modelle reduzieren die Wirklichkeit immer auf wenige, für den jeweiligen Kontext wesentliche Elemente. Das nennt man Abstraktion. Atome werden auch nicht in allen Modellen so dargestellt. Atommodelle sollen uns nur eine praktisch anwendbare Vorstellung von etwas vermitteln, von dem wir uns eben nicht vorstellen können, wie es "in Wirklichkeit" aussieht. Ein Atom ist dann, je nach dem Kontext, in dem es gebraucht wird, ein komplexes Quantenobjekt, das als Wellenfunktion dargestellt werden kann, oder ein "Kern" mit hantel- oder kugelförmigen "Elektronenschalen", in denen sich Elektronen aufhalten dürfen. Oder im einfachsten Fall eben eine Kugel, wenn es unnötig ist, zu erwähnen, dass es in Wirklichkeit viel komplizierter ist.
Keineswegs! Atome bestehen hauptsächlich aus leerem Raum.
Der Atomkern mit p+ und n0 hat einen Durchmesser so um 10 hoch -14m, das ganze Atom jedoch so um 10 hoch -10m.
Der Kern, der fast die gesamte Masse enthält ist also 10000mal kleiner als das Gesamtatom mit Elektronenhülle. Dazwischen ist leerer Raum, wie Lord Rutherford mit seinem berühmten Versuch zeigen konnte, bei dem alpha-Teilchen eine Goldfolie einfach durchsclagen haben und dabei auch noch gestreut wurden.
Also ja, die Atome bestehen aus viel kleineren Teilchen.
Die Schrödingergleichung der Quantentheorie liefert, beispielsweise für ein Einelektronensystem, die Wellenfunktion mit ihren stationären Zuständen, aus der sich die Atomhüllendichte ablesen lässt. Diese ist nun aber eine nach außen hin monoton abnehmende Funktion. Von etwaigen "leeren" Stellen ist da nichts zu sehen. Keine "Stelle" im Atom hat eine Hüllendichte von 0. Die Vorstellung des leeren Atoms resultiert aus dem bohrschen Atommodell Anfang des 20. Jahrhunderts, was aber aus heutiger Sicht (eigentlich schon seit der Quantentheorie) höchst problematisch bis falsch, und auf jeden Fall unnötig ist. Eigentlich ist es sogar ein Ärgernis, weil in den Köpfen der Schüler sich die Erkenntnis der Elektronen auf Bahnen oder Schalen oder was weiß ich manifestiert, dieses Modell aber dann zu den kognitiven Diskrepanzen mit den Aussagen der Quantentheorie führt. Statt nun aber diese Modell in der Schule einfach fallenzulassen, wird es beibehalten und führt zu der merkwürdigen Einsicht, dass die Quantentheorie scheinbar widersprüchlich und unlogisch ist (dies liegt am falschen Modell!).
Ein schwachsinniges Modell führt halt zu schwachsinnigen Resultaten, wen wundert es?
Es ist sicher gleichermassen ehrenvoll wie ambitioniert, in diesem Forum mit Erwin Schrödinger und der Wellenmechanik bzw. der Quantentheorie zu argumentieren.
Ich fürchte jedoch, dass Sie bei der Interpretation der Schrödinger-Gleichung einem grundlegenden, wenn auch verbreiteten Missverständnis unterliegen.
Die angesprochenen Wellenfunktionen sind nämlich rein mathematische Lösungen der Gleichung (exakt überhaupt nur für das H_Atom lösbar, jedoch näherungsweise auch beliebig genau für komplexere Systeme) und stellen KEINESFALLS SO ETWAS WIE "VERSCHMIERTE" ELEKTRONEN-"WOLKEN" DAR, die hier den Raum erfüllen.
Auch quantenphysikalisch ist das Elektron immer noch ein Teilchen, das sich (mit den Einschränkungen der Heisenberg'schen Unschärferelation) örtlich durch eine gezielte Messung genau lokalisieren lässt.
Es rotiert dabei zwar auf keiner Umlaufbahn, befindet sich jedoch (bei Messung) an EINEM ORT, ist also KEINE ART LADUNGSWOLKE.
Das "Produkt", genauer, das sog. Faltungsintegral Psi/PsiStern der Wellenfunktion (flapsig auch oft als Psiquadrat bezeichnet) stellt LEDIGLICH EIN MASS FÜR DIE AUFENTHALTSWAHRSCHEINLICHKEIT DES ELEKTRONS an einem Ort dar.
Orbitale sind also keine "Ladungswolken" sondern, vereinfacht gesagt, MÖGLICHE "WOHNRÄUME" für Elektronen, die jedoch im überwältigenden Ausmass leerstehen.
Der leere Raum ist also real! Dass dort Felder existieren ändert an dieser Situation auch nichts. Der Ausdruck "Atomhüllendichte" ist daher zumindest höchst problematisch, festigt er in den Köpfen doch die - grundsätzlich falsche - Gleichsetzung der Orbitale mit der Elektronenhülle. Die Orbitale sind eben die neuen "Bahnen", auf denen jedoch kein "planetarer" Umlauf erfolgt, mehr aber nicht!
Die Wellenfunktion sagt aber gerade nichts von Elektronen. In einer bestimmten Situation passt weder das Modell des punktförmigen Elektrons noch der unendlich ausgedehnten Welle. Die Probleme entstehen immer nur dadurch, dass man dem Elektron mutwillig eine der beiden Eigenschaften zuschreiben will.
Die Interpretation des Quadrates der Psifunktion als Aufenthaltswahrscheinlichkeit weckt nicht erst neuerdings bei Physikern einiges Kopfzerbrechen. Schon die Formulierung suggeriert, dass das Elektron sicherlich ganz bestimmt irgendwo gerade ist, davon gibt die Quantentheorie aber nichts her, und es ist wieder das Modell des individuellen Elektrons, welches uns zu diesem Schluss verleitet.
Die Orbitale sind nun einfach eine elegante Durchnumerierung der stationären Zustände mit Hilfe der Quantenzahlen, sie wären prinzipiell aber entbehrlich und haben selbstverstänlich keine "tatsächliche Realität". Die Schalen wiederum entstehen nun einfach durch einen mathematischen Taschenspielertrick: Integriert man die Atomhüllendichte über den kompletten Raumwinkel, dann zeigen sich so etwas wie Schalen. Sie verleiten einen zu dem entsprechenden Modell, was zwar manchmal brauchbar ist, man sollte aber wissen, wo es herkommt.
Der Begriff "leerer Raum" trotz Feld ist meines Erachtens ein typischer Fauxpass. Viele verwechseln das physikalische System des Feldes mit dem mathematischen Feld oder werfen beides in einen Topf. Dort, wo sich ein physikalisches System, nämlich ein Feld, befindet, ist schon einmal per se kein leerer Raum. Wie sollte durch einen leeren Raum etwa Impuls übertragen werden? Schnipp, schnapp, durch Zauberhand und über die Ferne? Dann sind wir wieder bei Newton und seiner Fernwirkung.
Na ja, "leerer Raum" natürlich im Sinne von "frei von Materie bzw. Teilchen", leer im Sinne von "frei von Kräften oder Feldern" kann ja niemand ernsthaft meinen.
Und nur, weil die Quantentheorie "nichts hergibt" über den momentanen Ort des Elektrons, solange keine lokalisierende Messung vorgenommen wird, bedeutet das ja noch lange nicht, dass es sich "nirgends aufhält".
Die "permanent-gleichförmig verschmierte Ladungswolke" ist jedenfalls experimentell widerlegt - und die Annahme, dass das Elektron solange "nirgends" ist bzw. "nicht ist" und tatsächlich in einer "Superposition von möglichen Zuständen verharrt, bis es (z.B. mit einer Messung) wechselwirkt, ist ja wohl - mindestens - gleichermassen absurd als alle anderen Vorstellungen.
Da kann ich nur den berühmten Satz zitieren: "Is there a moon in the sky, if we don't look at it?", und diesen, allem nebulösen Gefasel von Dekohärenz zum Trotz, mit einem überzeugten "Ja!" beantworten.
Natürlich sind alles nur Modellvorstellungen - aber diejenigen einer puristischen Quantentheorie sind auch keine Lösung.
Wie sagte schon Pauli? "Ein Elektron sieht nicht aus!" - aber es deshalb zum gleichförmig den Raum erfüllenden Kraftfeld zu erklären, bringt uns auch nicht weiter und widerspricht einfach zu vielen experimentellen Befunden, wo das e- als lokalisierter Ladungsträger in Erscheinung tritt.
Vielleicht bringt uns ja die Stringtheorie weiter.
es gibt verschiedene atommodelle für verschiedene anwendungen.
aber du hast schon recht, denn atome bestehen auf vielen einzelteilen, nämlich protonen, elektronen und neutronen, die unterschiedlich angeordnet sind und in unterschiedlichen anzahlen vorhanden sind. das mit den kugeln ist aber eine vereinfachte darstellung, die zb dazu genutzt wird, die gitterstruktur von atomen zb in metallen zu zeigen - dafür muss man ja nicht zeigen, wie es im atom selber aussieht :)
nochmal an alle: DANKE! aber es hätte garnicht so ausführlich sein müssen. kurze erklärung die auch ich verstehe wäre genug gewesen :D aber danke für die vielen bemühungen jetzt bin ich wieder n stück schlauer :D
dankesehr das klingt sehr gut. ich muss jz nur i-wie versuchen das in ein-zwei ordentliche sätze zu kriegen so das es auch die letzten idioten aus meiner klasse raffen =) könntest du mir noch bei weiteren physik "aufgaben" helfen?