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In den meisten Themen müssen Sie ziemlich fortgeschritten sein, bevor Sie
anfangen die philosophisch interessanten
Dinge zu behandeln. Doch in der Chemie beginnt alles
mit dem wohl philosophisch
interessantesten Teil des ganzen Themas, und das ist das Atom.
Und die Idee des Atoms stammt von Philosophen vor langer langer Zeit.
Sie könnten es nachschlagen bei den verschiedenen Philosophen, die
zuerst über das Atom philosophierten, wie sie sagten, hey, weißt du, wenn ich
mit diesem hier anfange hmm.. ich weiß nicht, wenn einfach mit einem Apfel anfange
und ich schneide den Apfel nun immer kleiner - lassen Sie mich einen
gut aussehenden Apfel zeichnen, damit er nicht aussieht
wie ein Herz.
Da sehen Sie.
Du hast einen gut aussehenden Apfel, und du schneidest ihn einfach weiter
in immer kleinere Stücke.
Also letztendlich, erhalten Sie ein Stück das so klein, so winzig ist, dass Sie
es nicht weiter zerschneiden können.
Und ich bin sicher, dass einige dieser Philosophen mit
einem Messer versuchten, dies zu tun, und sie dachten sich einfach:
Ach, wenn ich einfach mein Messer ein wenig schärfer machen könnte, ich
könnte ihn weiter schneiden... immer weiter..
Das Atom ist also erstmal ein komplett philosophisches Konstrukt, das
ehrlich gesagt, in vielerlei Hinsicht, nicht viel anders ist , als das
Atom heutzutage.
Es ist wirklich nur eine geistige Abstraktion, die uns erlaubt,
eine Menge von Beobachtungen zu beschreiben, die wir im Universum sehen.
Jedenfalls sagten diese Philosophen, na ja, irgendwann werden wir
denken, dass es einen winzigen Teil eines Apfels gibt
den wir nicht in der Lage sind weiter zu teilen.
Und sie nannten es: das Atom.
Diese Konstrukt gilt nun für jede Substanz
und jedes Element, dem Du
im Universum begegnest.
Und so bedeutet das Wort ATOM auf Griechisch einfach
"Nicht schneidbar" oder "nicht teilbar".
Heute wissen wir, dass es in Wirklichkeit teilbar ist und obwohl es
keine triviale Sache ist, ist das Atom doch nicht die kleinste Form von
Materie, die wir kennen.
Wir wissen heute, dass ein Atom aus noch fundmentaleren Teilchen besteht.
Also wir haben das Neutron.
Und ich werde nun hier die Struktur eines Atoms zeichnen.
Wir haben ein Neutron.
Und wir haben ein Proton.
Und wir haben Elektronen.
Und du bist wahrscheinlich schon vertraut mit diesen
alten Videos über atomare Projekte.
Hier siehst Du meist eine Zeichnung, die etwas so aussieht.
Du siehst diese Dinge, die sich umeinander drehen.
Sie haben Bahnen, die etwa so aussehen.
Und vielleicht etwas, das so aussieht.
Und die allgemeine Vorstellung hinter dieser Art von nuklearer Zeichnungen
- Und ich bin sicher, dass diese Zeichnungen heute auch noch verwendet werden,
z. B. von der Regierung oder bestimmten Laboren.
Sie haben einen Kern in der Mitte eines Atoms.
Sie haben einen Kern in der Mitte eines Atoms.
Und wir wissen, dass ein Atomkern Neutronen und Protonen hat.
Und wir werden bald ein wenig mehr darüber reden, welche Elemente
wie viele Neutronen und Protonen haben.
Und dann umkreisen, und dafür ich werde das Wort "Orbit" verwenden
obwohl wir in etwa zwei Minuten lernen werden
dass das Wort Orbit oder Umlaufbahn eigentlich die falsche Bezeichnung dafür ist
was ein Elektron tut.
Aber die alte Idee war, dass Sie diese Elektronen den Kern ähnlich umkreisen
wie die Erde die Sonne oder der Mond die Erde umkreist.
Und es ist gezeigt worden, dass das eine falsche Vorstellung ist.
In der Quantenmechanik werden wir erfahren, warum das so nicht funktioniert und
welche Widersprüche entstehen, wenn Sie versuchen, ein Elektron wie einen Planeten zu sehen, der um die Sonne kreist.
Aber das war eben irgendwie die ursprüngliche Idee, und ehrlich gesagt, ich
denke, das ist eine Art der Vorstellung, die dem "Mainstream" entspricht.
Nun, ich sagte, dass ein Atom philosophisch interessant ist.
Warum ist es philosophisch interessant?
Denn was wir jetzt als Ansicht eines Atoms akzeptieren
beginnt wirklich die Grenze zwischen unserer physischen Welt
und der Aussage, dass alles nur Information ist zu verwischen.
Ein Atom ist eben nicht so etwas wie wir echte Gegenstände
definieren in unseren Alltag.
Wissen Sie, für mich ein ist Teilchen wie ein Sandkorn.
Ich kann es aufnehmen, es berühren.
Während eine Welle, könnte das wie eine Schallwelle werden. Es könnte sein,
gerade diese Änderung der Energie über die Zeit.
Aber wir werden lernen, besonders wenn wir die Quantenmechanik zu tun,
dass sie alle durcheinander kommt, wie wir starten nähert sich dem
Waage oder die Größe eines Atoms.
Jedenfalls sagte ich, das war ein falscher Weg, es zu tun.
Was ist der richtige Weg?
So stellt sich heraus - das ist ein Bild, nein mehr eine Abbildung eines Atoms.
Übrigens eine interessante Frage ist , wie kann man ein Bild eines Atoms machen?
Denn es stellte sich tatsächlich heraus, dass die meisten sichtbaren Wellenlängen des Lichts
größer als ein Atom sind.
Alles andere, was wir beobachten können, geschieht durch reflektiertes Licht.
Aber plötzlich, wenn man es mit einem Atom zu tun hat
ist reflektiertes Licht ein zu großes oder stumpfes Instrument.
Jedenfalls ist dies eine Darstellung eines Helium-Atoms.
Ein Helium-Atom hat zwei Protonen und zwei Neutronen.
Oder zumindest dieses Helium-Atom hier hat zwei Protonen und zwei Neutronen.
Und in der Art, wie es hier dargestellt ist, stehen die roten Kleckse für Protonen und die lila Kleckse für Neutronen.
Und beide befinden sich in der Mitte dieses Atoms.
Und dann dieses ganze Dunst darum herum, das sind die zwei Elektronen, die Helium hat, oder die zumindest dieses Heliumatom hat.
Vielleicht könnte das Atom ein Elektron gewinnen oder auch verlieren.
Aber das sind die beiden Elektronen.
Und du fragst Dich vielleicht, wie können diese zwei Elektronen so unscharf werden?
Die Elektronen sind doch irgendwie um dieses Atom verschmiert.
Und das ist, wo es philosophisch interessant wird.
Man kann den Weg eines Elektron um einen Kern nicht als traditionelles Orbit beschreiben.
Die traditionelle Orbit-Idee war, dass der Pfad eines Elektrons um einen Kern ähnlich wie bei Planeten um die Erde war
nur in einem größerem Maßstab.
Es stellte sich heraus, dass Du bei ein Elektron, nicht genau wissen kannst, an welchem Ort es sich befindet.
Alles, was Du wissen kannst, ist eine Wahrscheinlichkeitsverteilung, also wo es wahrscheinlich ist
Und wie es hier dargestellt ist, bedeutet schwarz eine höhere Wahrscheinlichkeit.
Du wirst also hier wahrscheinlicher ein Elektron finden als hier.
Aber das Elektron könnte wirklich überall sein.
Es könnte sogar hier sein, obwohl es hier ganz weiß ist, allerdings mit einer sehr sehr geringen Wahrscheinlichkeit.
Un diese Funktion, wo ein Elektron ist, heisst Orbital.
Nicht mit Orbit verwechseln!
Denken Sie daran ein Orbit war so etwas, es ist wie Venus um die Sonne.
Das ist physikalisch sehr einfach für uns vorstellbar.
Während ein Orbital dagegen eigentlich eine mathematische Wahrscheinlichkeit ist.
Also eine Funktion, die uns sagt, wo wir wahrscheinlich ein Elektron finden.
Wir werden uns damit noch viel mehr beschäftigen in der Quantenmechanik, nicht hier.
Aber es ist interessant, nicht wahr?
Das Verhalten eines Elektrons ist so bizarr in diesem Maßstab, dass die Bezeichnung "Teilchen" fast irreführend ist.
Es ist ein Teilchen, aber es ist nicht ein Teilchen im engeren Sinn, wie wir es im täglichen Leben verwanden.
Man kann nicht einmal genau sagen, wo es ist.
Es kann überall sein in diesem Dunst.
Und wir werden später erfahren, dass es verschiedene Formen von
Dunst gibt, wie wir später mehr und mehr Elektronen zu einem Atom hinzufügen werden.
Aber für mich, beginnt es hier wieder philosophisch zu werden. Was ist ein Ding? Wie real sind die Dinge, die wir sehen?
Wie ist Wirklichkeit definiert?
Die ganze Vorstellung von Elektronen und Protonen ist auf den Begriff Ladung ausgelegt.
Und wir haben darüber schon etwas gelernt, als wir vom Coulomb-Gesetz erfuhren.
Aber die Idee ist, dass ein Elektron eine negative Ladung hat.
Ein Proton hat eine positive Ladung.
Und ein Neutron hat keine Ladung.
Und das was war wieder verlockend im ursprünglichen Modell eines Elektrons
Wenn dieses Ding hier zwei positive Ladungen hat
sagen wir zwei Neutronen und zwei Protonen, damit ist es ein Heliumatom.
Dann werden wir einige positive Ladungen hier haben.
Wir haben einige negative Ladungen hier.
Entgegengesetzte Ladungen ziehen sich an. Und wenn dann diese Dinge genug Geschwindigkeit haben
dann würden sie in eine Umlaufbahn kommen, ähnlich wie Planeten um die Sonne.
Dies ist auch teilweise wahr, da, je weiter ein Elektron vom Kern entfernt ist
desto mehr potentielle Energie hat es.
Es will sich auf den Kern zu bewegen, aber
wegen der Gesetze der Quantenmechanik wird es sich nicht auf einem einfachen Pfad bewegen wie ein Komet um die Sonne.
In Wirklichkeit hat das Elektron ein welle-ähnliches Verhalten und die Orbitalfunktion beschreibt, wo es gerade ist.
Aber je weiter weg ein Orbital ist, desto mehr Potenzial hat es.
Aber wie erkennen Sie, was für ein Element das ist?
Ich habe eine Menge über die Philosophie gesprochen, aber wie kann ich wissen, dass das Helium ist?
Ist es durch die Anzahl der Neutronen, Protonen oder Elektronen definiert?
Nun, die Antwort ist, es ist durch die Anzahl der Protonen definiert.
Also, wenn Sie die Anzahl der Protonen in einem Element kennen, wissen Sie was für ein Element das ist.
Die Anzahl der Protonen definiert die Ordnungszahl.
Woher wissen wir, was das hier mit vier Protonen ist?
Du schaust ins Periodensystem der Elemente und siehst das ist Beryllium.
Und die Ordnungszahl ist die Zahl, die Du dort oben siehst.
Und das ist die Anzahl der Protonen.
Und das unterscheidet ein Atom von einem Anderen.
Wenn Sie fünfzehn Protonen haben, dann haben Sie es mit Phosphor zu tun.
Und wenn Sie sieben Protonen haben Stickstoff.
Wenn Sie acht haben Sauerstoff.
Das ist das, was ein Element definiert.
Nun werden wir in Zukunft darüber reden was passiert mit der Ladung oder was passiert, wenn man ein Elektron gewinnt oder verliert.
Aber das ändert nichts an, mit welchem Element man es zu tun hat.
Und ebenso, wenn Sie die Anzahl der Neutronen ändern, ändern sie nicht das Element.
Aber das führt zu einer offensichtlichen Frage, wie viele Neutronen und Elektronen man hat.
Nun, wenn ein Atom neutral ist, bedeutet, dass es
die gleiche Anzahl von Elektronen wie die Ordnungszahl hat.
Wenn ich Kohlenstoff habe
ist die Ordnungszahl sechs.
Und die Massenzahl ist zwölf.
Dann bedeutet dies, dass es ein neutrales Teilchen oder neutrales Atom ist.
Also die Ordnungszahl für Kohlenstoff ist sechs.
Das sagt uns genau, wie viele Protonen Kohlenstoff hat.
Also ich kann ein kleines nicht sehr genaues Modell hier zeichnen,
Es hat sechs Protonen in der Mitte.
Und jedes dieser Protonen hat die Atommasse eins.
Die Atommasse eins ist ein sehr kleiner Bruchteil eines Kilogramms.
Es ist etwa 1,67 mal 10 hoch -27 von einem Kilogramm.
Also jedes dieser Protonen hat eine Atommassen von eins.
Diese kleine Zahl ist eigentlich fast unmöglich darzustellen.
Zumindest ist es für mich.
Die Zahl 12 sagt mir, dass die Masse des gesamten Kohlenstoffatoms,
die Masse aller Protonen
plus aller Neutronen ist.
Und jedes Proton hat eine Atommasse von eins
und jedes Neutron eine atomare Masse von
ebenfalls einer atomaren Masseneinheit.
Also das ist die Anzahl der Protonen plus die Anzahl der Neutronen.
Also in diesem Fall haben wir sechs Protonen, also müssen wir auch sechs Neutronen haben.
Sechs Neutronen plus sechs Protonen.
Nun, wo sind die Elektronen?
Nun, das Atom ist neutral, das heisst das Proton hat die gleiche positive Ladung
wie das Elektron eine negative Ladung hat.
Das ist ein neutrales Atom und es hat sechs Protonen, so dass es auch sechs Elektronen hat.
Ausserdem hat es noch sechs Neutronen im Atomkern.
Und dann, wenn wir die electons ziehen waren - gut, ich konnte
Nun könnte man noch die sechs Elektronen in einer Kreisbahn einzeichnen,
bzw. sie bewegen sich in einer unberechenbaren Weise, die nur durch die Wahrscheinlichkeitsfunktion beschreibbar ist.
Das Interessante daran ist, dass der Großteil der Atommasse hier sitzt.
Wenn sich die Menschen mit der Atommasse beschäftigen, also mit der Massenzahl
dann ignorieren sie die Elektronen.
Der Grund dafür ist, dass die Masse eines Protons
das 1.836 fache eines Elektrons ist.
Wenn wir also über die Masse eines Atoms nachdenken, dann können wir im Allgemeinen die Masse der Elektronen vernachlässigen.
Es ist wirklich hauptsächlich die Masse des Kerns, die die
Masse des Atoms bestimmt.
Wenn Sie nun das Periodensystems hier sehen dann haben Sie
die Ordnungszahl dort oben.
Die Ordnungszahl von Sauerstoff ist acht.
Das bedeutet, Sauerstoff hat acht Protonen.
Die Ordnungszahl von Silicium beträgt 14.
Silizium hat 14 Protonen.
Was bedeutet nun diese kleine Zahl?
Beim Kohlenstoff beträgt sie 12,0107.
Das ist das Atomgewicht des Kohlenstoffs.
Das Atomgewicht von Kohlenstoff ist 12,0107.
Nun, was heißt das?
Heisst das, dass Kohlenstoff sechs Protonen hat und
der Rest sind 6,0107 Neutronen?
Nein!
Es bedeutet, wenn Sie durchschnittlich von allen verschiedenen
Versionen von Kohlenstoff auf dem Planeten einen Durchschnitt bilden,
dann erhalten sie diesen Durchschnitt.
Die Hauptform des Kohlenstoffs
ist Kohlenstoff-12.
Damit hat ein Kohlenstoff-12 sechs Protonen und sechs Neutronen.
Ein Isotop ist ein gleiches Element mit unterschiedlicher
Zahl der Neutronen.
Das Kohlenstoffisotop-14, ist sehr selten auf der Erde. Der Durchschnitt aller Kohlenstoffisotope beträgt 12,0107.
Wir wissen nicht, wie viel Kohlenstoff es im Universum gibt aber auf dem Planeten überwiegt das C12 Isotop.
Gäbe es mehr C14, dann würde das durchschnittliche Gewicht näher an 13.
Der meiste Kohlenstoff den sie auf der Erde finden, hat im Durchschnitt eine Atommasse von 12,0107
Aber die Idee eines Isotops ist interessant.
Denken Sie daran, wenn Sie die Anzahl der Neutronen ändern, dann ändern sie das
tatsächliche, grundlegende Element nicht.
Sie erhalten nur ein anderes Isotop, eine andere Version des Elements.
Version des Elements.
Also diese beiden Versionen von Kohlenstoff sind beide Isotope.
Nun möchte ich dieses Video mit der saubersten Vorstellung von Atomen verlassen.
Gleichzeitig ist es die philosophisch interessanteste Betrachtungsweise.
Die relative Größe und Masse eines Elektrons ist gering im Vergleich mit Atomen.
Sie beträgt nur 1 / 2000 der Masse eines Atoms.
Noch dazu ist es schwer, ein Elektron genau zu beschreiben
dann kann nicht einmal genau sagen wo dieses Teilchen ist und wie schnell es ist.
Sie benötigen dazu eine Wahrscheinlichkeitsfunktion.
Also die meiste des Atoms ist im Kern..
Und das ist das Interessante daran.
Wenn man sich ein durchschnittliches Atom ansieht
oder zwei Atome, die aneinander gebunden sind.
Wie viel davon ist wirklich Materiezeug?
Und wenn ich sage Materiezeug, was ein sehr abstrakter Begriff ist,
dann reden wir im Wesentlichen über den Kern zu sprechen.
Wo der Kern ist, ist alle Masse, alles Materiezeug.
Es stellt sich heraus, dass es tatsächlich nur ein minimaler Anteil des Volumens eines Atoms der Kern ist.
Allerdings ist das Volumen eines Atoms schwer zu definieren, weil die Elektronen so ziemlich überall sein können.
Aber wenn sie sich das Volumen als den Bereich vorstellen, in dem das Elektron zu 90% ist.
Der Kern hat dann in vielen Fällen nur 1 /10.000 des Volumens eines Atoms.
Also, wenn Sie darüber nachdenken, wenn Sie auf Ihre Hand oder an die Wand blicken, oder auf Ihren Computer
dann ist 99,999% davon freier Raum, ist Vakuum ist nichts.
Hätten Sie ultra-kleine Partikel
würden die meisten von ihnen geradeaus durch sie durch gehen.
So stelle ich mir eine Frage über unsere Realität.
Was ist da draußen? Was ist eine Tatsache?
Wenn wir alles auf die grundlegenden Bausteine auf die atomare Ebene bringen
dann ist der Großteil vom Raum Vakuum.
Man könnte weiter geradeaus durch das Vakuum gehen auf diesem Maßstab.
Auf diesem Bild eines Helium-Atoms ist das ein Femptometer.
Dies ist das Ausmaß des Kerns eines Heliumatoms.
Dies ist ein Angström, gleich 100.000 Femtometer.
Und nur um ein Gefühl von Größe zu bekommen, ist ein Angström 10 Hoch -10 Meter.
So ist das Atom in etwa ein Angström groß.
Im Fall von Helium, ist der Kern sogar noch kleiner, nämlich 1 / 100.000
Also, wenn Sie flüssigem Helium hätten, das wäre sehr kalt, dann wäre das meiste davon leerer Raum.
Von einer Eisenstange, ist das meiste leerer Raum.
Und vielleicht gibt es noch viel mehr Platz im Inneren des Zellkerns.
Aber für mich ist das verblüffende dabei, das die meisten Dinge nicht wirklich solide sind.
Sie sind wirklich nur leere Raum, aber sie sehen solide aus
wegen der Art, wie das Licht reflektiert wird oder wie die Kräfte auf sie wirken, wie Abstoßung.
Aber es ist in Wirklichkeit nicht etwas was man wirklich berühren kann.
Das meiste hier ist leerer Raum.