| Cosmoplayer, Chime, Mediaplayer und am besten mit Netscape 4.7 | |
Orbitalmodell- "leicht" verdaulich?... |
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| Eigentlich ist diese "Modellbezeichnung" falsch, denn Orbital bedeutet im Englischen Planetenumlaufbahn. Doch gerade diese Vorstellung trifft bei der Theorie der Wellenmechanik nicht zu. Die Wellenmechanik interpretiert die Welleneigenschaften des Elektrons, das aber bei bestimmten Experimenten sich auch wie ein Teilchen "verhält". | |
| Hier möchte
ich über Bilder (--->Konrad Adenauer: "Was man nicht
vereinfachen kann, hat man nicht verstanden. --->A.Einstein: "...vereinfachen,
aber nicht mehr!") stark vereinfachen,
und bin mir bewusst, dass dies eine "Gratwanderung zwischen Richtig und Falsch"
ist. Doch wie kann man verstehen, dass ein Ding Teilchen und Welle zugleich
sein kann, dass die Welt nicht determiniert, sondern statistisch mit Wahrscheinlichkeitsbetrachtungen "gesehen" werden
muss. Die klassische Mechanik wirkt für uns logisch. Aber die Quantenmechanik - furchteinflößende Mathematik - das Elektron als ein Satz Lösungen von Differentialgleichungen - überfordert unsere Vorstellungskraft. |
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| Blicken wir kurz zurück... | |
| Das Bohrmodell - hier
---> das Kohlenstoffatom mit 6 Protonen und Neutronen im Kern und 6 Elektronen in der
Hülle - spricht von Quantenzuständen, Elektronenbahnen
mit bestimmtem Energieinhalt usw... Dieses "alte Schalenmodell" hilft auch heute noch, chemische Sachverhalte der einfachen "Schulchemie" zu erklären. Doch kann es den Aufbau, die Struktur des Periodensystems der Elemente (zurück mit <zurück>) nicht vollständig erklären. Die Theorie der Wellenmechanik kann dies genauer und besser. Schrödinger und Heisenberg entwickelten um 1926 diese "bessere" Quantentheorie. |
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| Arbeiten wir nun mit den Ergebnissen dieser Theorie, welche die Struktur der Atome, des Periodensystems und die Bindung zwischen Atomen in Molekülen eindrucksvoll zu erklären vermag. Mit den "Bildern" der Wellenmechanik versuche ich hier, die Theorie vorzustellen. | |
| Die Quantenzahlen n, l, m
und die Spinqantenzahl ms beschreiben die
Energiezustände der Elektronen in einem Atom. Statt einer klaren Position, einer Bahn
(wie beim Bohrmodell) kennt diese Theorie nur noch die Wahrscheinlichkeit,
mit der ein Elektron an einem bestimmten Ort im Raum zu finden ist. Das Elektron befindet sich in sogenannten Aufenthaltswahrscheinlichkeitswolken, welche die Chemiker Orbitale nennen. Mit diesen "Wolkenbildern" lässt sich u.a. die chemische Bindung erklären. |
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| Eine Animation
(915KB.avi) soll dies verdeutlichen. Je dichter die Punkte, desto größer ist die Aufenthaltswahrscheinlichkeit der Elektronen in dem entsprechenden Bereich. Blau = negativer, Orange = positiver Bereich der Wellenfunktion. |
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| Weitere Animationen sollte man sich anschauen, wenn die Übertragungsrate gerade gut ist, z.B.: 2p.avi (389KB) | 2s mit "Einblick" in 1s.avi (467KB) | 3d.avi (577KB) | 4f.avi (606KB). | |
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Klick auf das Orbital und "verziehe" es!!! Die daraus entstehenden "Orbitale" sind keine erlaubten Zustände im Kraftfeld des positiven Atomkerns. Beim Bohrmodell (328KB.avi) spricht man ebenfalls von erlaubten Elektronenbahnen. ---> Besetzung der "Schalen" (783KB.avi). |
Die Größe
eines Orbitals bedingt die Hauptquantenzahl n, die Gestalt
die Nebenquantenzsahl l,
die Orientierung (x,y,z) im Raum die magnetische
Quantenzahl m. Somit kann das
"Elektronenwolkenbild" nicht jede beliebige Gestalt, Größe und
Orientierung im Raum einnehmen. Die Energiezustände der Elektronen sind ja
"gequantelt = portioniert", bestimmt durch die Werte von n,
l und m!
Somit entspricht jedem Energiezustand ein ganz bestimmtes Orbital, das mit maximal zwei Elektronen entgegengesetzten Spins besetzt werden kann. |
| Mit der "Verziehspielerei" kann man durch <click and drag> das 2px-Orbital beliebig verändern, was nach der Quantentheorie nicht möglich ist. ---> | |
| Die Gestalt des Orbitals ist der bildhafte "Abdruck des Energieinhalts" der entsprechenden Elektronen. ---> andere Form ---> anderer Energiezustand! | |
| Bei einer eindimensionalen Welle nimmt der Energieinhalt
mit der Zahl der Schwingungen je Zeiteinheit bzw. mit der Zahl der Knotenpunkte
(Nullstellen) bzw. mit der Verkürzung der Wellenlänge zu. Um ein
Gummiseil, das an einer Seite fixiert ist, in eine Schwingung mit mehreren
Bergen und Tälern zu versetzen, muss man auch mehr Muskelarbeit leisten
als bei einer Schwingung mit einem Bauch. Probier`s einmal aus! Die Animation (408KB.avi) zeigt bei der oberen Schwingung eine Energie - und Knotenpunktabnahme bei Verlängerung der Wellenlänge. ---> Bei einer Welle ist die Energie umso höher, je größer die Zahl der Knoten ist! |
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Analog nimmt
bei den dreidimensionalen, stehenden Wellen, den Orbitalen die Zahl der Knotenflächen
und damit der Energieinhalt zu. |
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| Bei der Besetzung der Orbitale, der Verteilung der Elektronen eines Atoms auf die Orbitale, der Erstellung der Elektronenkonfiguration , dem "Aufbau des PSE" gelten Regeln: | |
| 1. Auffüllung der Orbitale nach steigender Energie. 2. Je Orbital maximal zwei Elektronen mit entgegengesetztem Spin. 3. Energiegleiche Orbitale werden erst einfach besetzt. | |
| Die Struktur des PSE
"findet sich" in der Besetzung der Orbitale! ( ---> Animation (879KB.avi)) Diese Energiestufen werden auch in der Spektroskopie bestätigt- siehe in der Literatur!. |
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| Fortsetzung Obitalmodell ---> Chemische Bindung in der Organischen Chemie. | |
---> Webseiten zum Thema im Cyberspace (zurück mit <zurück>) |
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| Chemievorlesung Uni Kiel
(leider mit Kennwort) |
Der Dualismus des Elektrons wird hier mathematischer, ausführlicher bearbeitet. |
| Besetzung der Orbitale | ein sehr schönes Java-Applet zur Elektronenkonfiguration der Elemente |
| German Hackers Hochenergiephysikseite | "universitäre" und sehr anschauliche Einführung in die quantenmechanische Welt des Mikrokosmos,Uni Erlangen. SUPERSEITE! |
| Wellenlehre an der Uni Würzburg | Schöne Animationen! |
| Wellenlehrprogramme am MBG | sehr schöne Programme eines Kollegen meiner Schule zur Physik der Welle. |
| Die CD "Eine kurze Geschichte der Zeit" von St. W. Hawking ist ebenfalls empfehlenswert. | |
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Danksagungen
(acknowledgements) |
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