Atomkern und seine Elektronen

[smile]

Hallo erstmal,
ich möchte gerne eine Frage an euch richten, die mir schon seit bestimmt 3 Jahren unter den Fingern brennt. Ich hab mit Professoren und Doktoranden darüber gesprochen, aber keiner konnte mir eine für mich einleuchtende Antwort geben.
Und zwar:
warum fällt das Elektron nicht auf den Atomkern. Ich weiss, dass es nicht der klassischen Physik gehorcht, nach der das ja die Konsequenz wäre. Und auch,dass das Elektron nur bestimmte Energienieveaus einnehmen kann, ist für mich keine richtige Erklärung. Man kann es zwar als Welle auffassen, aber eben auch als Teilchen was eben auch eine theoretische Aufenthaltswahrscheinlichkeit unmittelbar am Kern bzw. im Kern einnimmt. Wie kann es dem Kern dann noch entkommen?

Puh, ich hoffe das war jetzt nicht zuviel durcheinander.

Aber was meint ihr dazu?

Bis dann,
smile


------------------

[nobody]

Hallo smile!

Das ist natürlich eine gute Frage. Aber ich weiß nicht, ob es überhaupt eine anschauliche Erklärung dafür gibt. Das ist halt so in der Kernphysik. Genau so wenig kann man anschaulich erklären, warum die Energie gequantelt sein soll (Einstein hat das ja bis zum Schluss nicht glauben wollen), oder wie es möglich ist, dass ein Elektron tatsächlich sich am Kernort befinden kann (nicht nur theoretisch, man kann es messen).

Ich denke aber, es gibt eine anschauliche Erklärung für Deine Frage: Es gibt einfach im atomaren Bereich Kräfte, die stärker sind als elektrostatische Kräfte. Und diese Kräfte wirken im Falle Elektron-Kern den elektrostatischen Kräften entgegen.

Du mußt bedenken, dass die positive Ladung des Kerns nur eine Nettoladung ist. Es befinden sich auch negative Ladungen im Kern, denn ein Neutron ist zusammengesetzt aus einem Elektron und einem Proton und einem (anti-) Neutrino.
Wenn nun ein zusätzliches Elektron in den Kern gelangen würde, dann würde es mit einem Proton im Kern ein weiteres Neutron bilden. Woher nimmt es das Neutrino, das anscheinend notwendig ist (aus welchem Grund auch immer) um sich mit dem Proton zu verbinden? Und: Inwieweit wäre die gesamte Stabilität des Atoms dadurch beeinträchtigt?

Das Ganze ist irgendwie zu komplex, um es anschaulich zu verstehen. Oder gibt es eine anschauliche Erklärung dafür, dass ein Neutron im Kern stabil ist, ein freies Neutron aber nach wenigen Minuten Halbwertszeit zerfällt, obwohl es aus zwei entgegengesetzten Ladungen zusammengesetzt ist? Das ist nur möglich, wenn es noch andere (und stärkere) Kräfte im atomaren Bereich gibt, als die elektrostatsichen Kräfte.

Aber von all dem habe ich - glaube ich - zu wenig Ahnung. Wende Dich mal an Kernphysiker und nicht an Chemie-Doktoranden ;)


[This message has been edited by Dirk (edited 29-08-2000).]

[Jens]

Ich finde die einfachste Vorstellung ist
immer noch, daß es ein Gleichgewicht zwischen der elektrischen Anziehungskraft und der Zentrifugalkraft der um den Kern rotierenden Elektronen gibt, wobei die Elektonen zum positiv geladenen Atomkern hingezogen werden (Coulombkraft) und gleichzeitig durch die Zentrifugalbewegung nach außen gedrückt werden. So werden die beiden Kräfte jeweils voneinander kompensiert
und die Elektronen können nicht auf den Atomkern stürzen.

[nobody]

Originally posted by chemboy:
Ich finde die einfachste Vorstellung ist
immer noch, daß es ein Gleichgewicht zwischen der elektrischen Anziehungskraft und der Zentrifugalkraft der um den Kern rotierenden Elektronen gibt, wobei die Elektonen zum positiv geladenen Atomkern hingezogen werden (Coulombkraft) und gleichzeitig durch die Zentrifugalbewegung nach außen gedrückt werden. So werden die beiden Kräfte jeweils voneinander kompensiert
und die Elektronen können nicht auf den Atomkern stürzen.

Gut, das Bohrsche Atommodell ist natürlich anschaulich, aber:
Wie erklärst Du dann, dass Elektronen einen anderen Radius (näher zum Kern) einnehmen können, indem sie Energie abgeben, aber nicht auf den Kern selbst fallen können?

Das Bohrsche Atommodell geht von Postulaten aus, die irgendwie vom Himmel fallen und ist nur dann anschaulilch, wenn man diese Postulate nicht hinterfragt. z.B. ist es überhaupt nicht anschaulich, warum das Elektron nur diskrete Bahnen einnehmen kann, oder warum es bei der Rotation nicht (wie sonst jede bewegte Ladung) Strahlung aussendet.

[smile]

ausserdem müsste man dann auch annehmen, dass das Elektron durch die Bewegung Energie verliert, und in einer Spiralbewegung auf den Kern knallt. Ich glaub, dass ist nur in der klassischen Physik möglich. In der Quantenphysik spielen Kräfte wie die Zentrifugalkraft, so glaub ich, keine große Rolle!?!

[Cyberlink]

hmm kenne ich diese Frage nicht. ;)
kommt dir diese mail bekannt vor smilie?

----- Original Message -----
From:
To: "Michael Pfister" michael.pfister@gmx.ch;
Frederic.Berkermann@uni-essen.de
Sent: Monday, January 24, 2000 2:12 AM
Subject: AW: Nachhilfe @ChemieOnline: Atome


Moin!

Frage:
> > Warum stürzt das Elektron nicht auf den Atomkern? Schliesslich besitzt
> > es ja auch eine Masse und bei der Bewegung um den Kern muss es dann doch
> > auch Energie verlieren, was zur Folge hat das es in den Kern stürzt.

Antwort
Da das Elektron in seiner Bewegung ein schwingender Dipol ist, müßte es
ständig Energie in Form von Strahlung abgeben, kinetische Energie verlieren,
immer näher an den Kern kommen, und reinstürzen. Das gilt nach den
KLASSISCHEN Vorstellungen der Physik, wenn man sich Kern und Elektron als
zwei "Tischtennisbälle" vorstellt, für die die ganz normale mechanische
Physik gilt. Das ist offensichtlich nicht so, Kern und Elektron sind nun mal
keine Bälle. Es gibt komplizierte Atommodelle (Orbitale, Schrödinger), die
das ganze recht gut beschreiben. Hier genügt wohl das zweite Bohrsche
Postulat, das einfach laute, daß ein Elektron, dessen Bahndrehimpuls ein
ganzzahliges Vielfaches von h/2*pi ist, sich ohne Energieverlust um den Kern
bewegen kann (Alle anderen nicht!). So kommen auch die berühmten Schalen
zu Stande...

tja..das ist die Erklärung..

[This message has been edited by ChemieOnline - Pfister (edited 29-08-2000).]

[wolferl]

@Pfister:
ist das was du vorher beschrieben hast der Wellen-Teilchen-Dualismus?(= Ein Elektron ist einerseits ein Teilchen mit einer bestimment Masse und andere Seits ein Welle mit einer bestimmen Wellenlänge).
Uns wurde das in der schule so erklärt das das Elektron nicht in den kern stürtz, weil es zugleich auch eine Welle ist.

[Cyberlink]

@wolferl
korrekt

------------------
Michael Pfister
Moderator

[nobody]

Ich postuliere, dass sich ein Elektron mit einem bestimmten Bahndrehimpuls ohne Energieverlust um den Atomkern bewegen kann.
Deshalb kann es auch nicht in den Kern stürzen.

Also mit anderen Worten: Das Elektron stürzt nicht in den Kern, weil es nicht in den Kern stürzt.

Ob sich smile damit zufrieden gibt?
Aber ich kann's auch nicht besser erklären...

[smile]

Aber das ist halt das Bohrsche Atommodell. Nach Heisenberg und Schrödinger hat es aber keine feste Bahn um den Kern sondern eine Aufenthaltswahrscheinlichkeit, die auch die umgebung unmittelbar am Kern, wie auch im Kern vorhanden ist. Ein Elektron kann zwar als Welle angesehen werden, wo ich das alles ja noch irgendwie verstehen könnte. Aber es ist eben auch ein Teilchen, und da ist mir das alles ein Rätsel.

[nobody]

"Jeder der behauptet, die Quantentheorie sei klar, versteht sie nicht wirklich."
Niels Bohr

Ich denke, dass dieses Zitat zeigt,dass die Quantentheorie ein ziemlich kompliziertes Thema ist und dass es nicht so einfach ist dieses Problem zu lösen. Nach den Gesetzen der klassischen Physik müssten die rotierenden Elektronen ihre gesamte Energie innnerhalb von kürzester Zeit abstrahlen und in den Kern stürzen. Die Quantentheorie widerspricht aber nun den Gesetzen der klassischen Physik. Das oben genannte Problem kann meiner Meinung nach nicht einfach durch den Welle-Teilchen-Dualismus von Schrödinger gelöst werden.

[nobody]

Nun, ich hab mal gelesen das im Atom nicht nur Barionen (Proton, Neutron)oder Leptonen (Elektronen) gibt, sondern auch Mesonen. Und eben eines dieser Mesonen das Pi-Meson glaub ich (oder wars doch My?), verursacht im Kern des Atoms eine Wechselwirkung welche den Atomkern (welcher ja rein positiv geladen ist und sich abstösst) zusammenhält. Auch werden dadurch die Elektronen beeinflusst...
Das Buch hiess Neutrinos und erklärt mit anschaulichen Billiardmodellen die Wesen der Subatomaren Teilchen....

Replyed by Nightflyer...

[This message has been edited by Nightflyer (edited 04-09-2000).]

[nobody]

Das Problem, warum das Elektron nicht in den Kern fällt lässt sich auch mit Hilfe der Unschärferelation beantworten. Das ist zwar auch abstrakt, aber eine Erklärung.
Die minimale kinetische Energie eines Elektron berechnet sich nach den Formeln.
Ekin=1/2 m V2
mit V=p/m
p: Impuls m: Masse eines Elektron
Ekin=p2/2m
Nach der Unschärferelation gilt: Delta p * Delta x >= h quer/2
nach p umgeformt und in die gleichung für Ekin eingesetzt ergibt sich für die minimale Energie eines Elektron:
E0=(h quer)2/8mx2
wobei x ein eindimensionaler Raum ist, indem das Elektron Eingesperrt ist. Hierfür kann man einen Wert von ca. 0,1nm annehmen (ungefährer Atomdurchmesser)
Diese minimale kinetische Energie sorgt dafür, dass das Elektron nich in den Kern fällt.
Wäre das Elektron im Kern, dann wäre der Ort und die Energie genau bestimmt und das ist laut der Unschärferelation nicht möglich.

[DrDeath]

... Es befinden sich auch negative Ladungen im Kern, denn ein Neutron ist zusammengesetzt aus einem Elektron und einem Proton und einem (anti-) Neutrino. ...

*räusper* Ich glaube, diese Theorie müssen wir noch mal überdenken... Ein Neutron kann in ein Proton, ein Elektron, ein Neutrino und ein gerüttelt Maß Energie zerfallen, aber es besteht immer noch aus einem "up"- und zwei "down"-Quarks.

Nun, ich hab mal gelesen das im Atom nicht nur Barionen (Proton, Neutron)oder Leptonen (Elektronen) gibt, sondern auch Mesonen. Und eben eines dieser Mesonen das Pi-Meson glaub ich (oder wars doch My?), verursacht im Kern des Atoms eine Wechselwirkung welche den Atomkern (welcher ja rein positiv geladen ist und sich abstösst) zusammenhält.
Das ist eine etwas ältere Theorie. Nach heutigem Kenntnisstand werden die Teilchen im Atomkern durch die Starke Wechselwirkung zusammengehalten (bevor die Frage kommt: ja, dieselbe Kraft, die die Quarks in den Nukleonen selbst zusammenhält, hält auch die Nukleonen untereinander zusammen). Die entsprechenden Austauschteilchen sind die Gluonen. Mesonen scheinen im Atomkern nichts verloren zu haben.

[der_assi]

Das ist eine etwas ältere Theorie.
Das ist ja auch ein "etwas" älterer Thread... :p

[DrDeath]

In der Tat, in der Tat... allerdings war die Theorie auch schon 2000 veraltet.