Einführung in die Struktur der Materie. Studierende des Lehramtes und des Nebenfachs SS 2013

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1 Einführung in die Struktur der Materie für Studierende des Lehramtes und des Nebenfachs SS 2013 Michael Martins und Erika Garutti

2 Inhalt Einleitung Teil A (M. Martins): I. Molekülphysik II. Festkörperphysik Teil B (E. Garutti): III. Kernphysik IV. Teilchenphysik Webseite zur Vorlesung (Folien, Übungen): der materie/index eng.html Kontakt: michael.martins@desy.de, erika.garutti@desy.de Einführung in die Struktur der Materie 2

3 Anforderungen Zum Bestehen des Kurses müssen die folgenden Bedingungen erfüllt werden 1 Bestehen der Klausur. 2 Aus den 10 Übungsblättern mit jeweils 15 Punkten pro Blatt können insgesamt 150 Punkte erreicht werden. 3 Es müssen jeweils 40% der Punktzahl aus Teil A und B erreicht werden. Bei weniger Punkten in einem der Teile ergibt sich ein Malus von einer Stufe pro Teil für die Klausur. 4 Beim Erreichen von 60% der Gesamtpunktzahl aus den Übungen kann die Endnote um eine Stufe und bei 80% um zwei Stufe verbessert werden. 5 Aktive Teilnahme an der Übungen Einführung in die Struktur der Materie 3

4 Klausur In der Klausur können insgesamt 40 Punkte erreicht werden, wobei 40% (16 Punkte) zum Bestehen erforderlich sind. Die Klausur ist für Freitag, den 12.Juli 2013 in der Vorlesung von 14:00-16:00 vorgesehen. Als Hilfsmittel sind ein Taschenrechner sowie zwei, auf Vorderund Rückseite handbeschriebene A4 Seiten zugelassen. Einführung in die Struktur der Materie 4

5 Übungen Ausgabe der Übungen i.a. am Freitag auf der Web Seite Vorbesprechung in der Übung am darauf folgenden Dienstag Abgabe dann jeweils eine Woche später am Dienstag vor der Übung, in der auch die Besprechung erfolgt Einführung in die Struktur der Materie 5

6 Literatur Literatur Übersicht Teil I R. Eisberg und R. Resnick Quantum Physics of Atoms, Molecules, Solids, Nuclei and Particles John Wiley & Sons W. Demtröder Experimentalphysik 3 Atome, Moleküle und Festkörper Springer Bergmann-Schäfer Lehrbuch der Experimentalphysik, Band 4, Teilchen Walter de Gruyter Einführung in die Struktur der Materie 6

7 Literatur Literatur Molekülphysik W. Demtröder Experimentalphysik 3 Atome, Moleküle und Festkörper Springer Zur Vertiefung H. Haken und C. Wolf Molekülphysik und Quantenchemie Springer P.W. Atkins and R.S. Friedman Molecular Quantum Mechanics Oxford University Press W. Demtröder Molekülphysik Springer Einführung in die Struktur der Materie 7

8 Literatur Literatur Festkörperphysik H. Ibach und H. Lüth Festkörperphysik Einführung in die Grundlagen Springer Zur Vertiefung N.W. Ashcroft and N.D. Mermin Solid State Physics Saunders College Publishing Ch. Kittel Einführung in die Festkörperphysik Oldenbourg Verlag Einführung in die Struktur der Materie 8

9 Historisch Einführung in die Struktur der Materie 9

10 Struktur der Materie Heute Historisch Einführung in die Struktur der Materie 10

11 Historisch Einige aktuelle Fragen Q1 Wie sieht die Struktur von großen Molekülen (Proteinen) aus? Q2 Wie läuft eine chemische Reaktion ab? Q3 Warum sind CO 2, CH 4 Treibhausgase, N 2 und O 2 aber nicht? Q4 Wie kann man die Konzentration von Molekülen in der Atmosphäre messen? Q5 Wie funktioniert ein (Hochtemperatur-) Supraleiter? Q6 Was ändert sich in der Nano-Welt? Q7 Wie klein kann ein Magnet werden und wie schnell kann man ihn schalten?... Einführung in die Struktur der Materie 11

12 I. Molekülphysik

13 Molekülphysik Einführung Einführung in die Molekülphysik Die Fähigkeit der Atome stabile Bindungen einzugehen ist die Grundlage der Vielfalt der anorganischen und organischen Moleküle, Flüssigkeiten und Festkörpern. Die Spannweite reicht dabei von einfache, zweiatomige Moleküle (H 2, O 2, NaCl, HCl... ) mehratomige Moleküle (H 2 O, O 3,..., C 6 H 6,... Fullerene (C 60, C 72,... ) biologische Makromoleküle (DNA, Proteine,... ) Flüssigkeiten (Wasser, Öle,... ) Festkörper (Eis, Si-Kristalle, Cu-Metall, Kunststoffe,... ) Einführung in die Struktur der Materie 13

14 Große Moleküle Molekülphysik Einführung Einführung in die Struktur der Materie 14

15 Hämoglobin Molekülphysik Einführung Wie bindet O 2 an dieses große Molekül? Einführung in die Struktur der Materie 15

16 Molekülphysik Einführung Einführung Diese verschiedenen Moleküle haben offensichtlich eine große Bedeutung für unser Leben. Ohne Moleküle gebe es uns nicht und wir könnten nicht über deren Eigenschaften diskutieren. Die verschiedenen Moleküle und daraus resultierende dynamische Prozesse (chemische Reaktionen) sind von großer Bedeutung Strahlungs- und Wärmehaushalt (Ozonloch, Treibhauseffekt) Chemische Industrie, chemische Prozesse Atmung Bindung von Sauerstoff an Hämoglobin Mobilität Verbrennung von Kraftstoff in Motoren Informationsspeicherung: DNA (natürlich), molekulare Datenspeicher, Selbstorganisation (Zukunft) Einführung in die Struktur der Materie 16

17 Moleküle Molekulare Bindung Wie binden Atome zu Molekülen? H + H H 2 N + N N 2 Na + Cl NaCl 2 H 2 + O 2 2 H 2 O 6 C + 3 H 2 C 6 H 6 Was wissen wir? Atome bestehen aus einem positiven Kern und einer negativ geladenen Elektronenhülle. Die Bindung der Elektronen an den Atomkern wird beschrieben durch die Coulombwechselwirkung und die Gesetze der Quantenmechanik. Moleküle unterliegen den gleichen Gesetzen, d.h. die Bindung von Atomen zu Molekülen wird auch durch die Coulombwechselwirkung und die Gesetze der Quantenphysik bestimmt. Einführung in die Struktur der Materie 17

18 Moleküle Molekulare Bindung Pauli-Prinzip Wichtiges Gesetz der Quantenphysik: Für Fermionen (Elektronen) gilt das Pauli-Prinzip. Allgemeine Formulierung: Die Gesamtwellenfunktion ist antisymmetrisch gegenüber der Vertauschung zweier Elektronen (Fermionen) Einfache Formulierung: Keine zwei Fermionen halten sich im gleichen Zustand auf. Einführung in die Struktur der Materie 18

19 Moleküle Eigenschaften von Molekülen Eigenschaften von Molekülen Die Wellenfunktionen der für die Bindung entscheidenden Elektronen erstrecken sich über das ganze Molekül. Diese Elektronen, die Valenzelektronen, werden im Vordergrund der Diskussion stehen. Hinweise auf die Molekülbindung liefern die Eigenschaften der Moleküle. Einführung in die Struktur der Materie 19

20 Moleküle Eigenschaften von Molekülen Dimension einige m bis zu 10 7 m Struktur Anordnung der Atomkerne, Verteilung der Elektronen lineares Molekül gewinkeltes Molekül Benzol H 2 H 2 O Sehr komplexe geometrische Strukturen (DNA, Proteine) Bestimmung der Molekülstruktur: Röntgen-, Elektronenbeugung, NMR, Spektroskopie, Proteinstrukturbestimmung Einführung in die Struktur der Materie 20

21 Moleküle Eigenschaften von Molekülen Masse Massenspektrometer 1 AME = 1/12 m( 12 C) = kg = 1 Dalton m(h 2 ) = kg kg dielektrische Eigenschaften elektrisches Dipolmoment, elektrische Polarisierbarkeit O z.b. H 2 O Hydratisation, Anlagerung von H 2 O, H H Moleküle an Ionen in wässrigen Lösungen, + + Bedeutung für den Transport von Ionen p el = C m = 1.85Debye magnetische Eigenschaften magnetische Dipolmomente magnetische Suzeptibilität Nutzung von magnetischen Molekülen als Datenspeicher Einführung in die Struktur der Materie 21

22 Moleküle Eigenschaften von Molekülen Ein magnetisches Molekül Mn 12 -Azetat Einführung in die Struktur der Materie 22

23 Moleküle Eigenschaften von Molekülen optische Eigenschaften Absorption, Emission, Streuung von Licht Photosynthese... chemische Eigenschaften Reaktionsvermögen physikalische Chemie, Chemie Problem : Große Moleküle können auch heute nicht ab initio berechnet werden! Das bedeutet, daß die Eigenschaften experimentel bestimmt werden müssen. Die Ursache für dieses Problem ist die Vielteilchenwechselwirkung, die für Moleküle von entscheidener Bedeutung ist Einführung in die Struktur der Materie 23