Quantenmechanik 6: Wie sieht ein Atom aus? Quantenmechanisches Atommodell

Sieht ein Atom wie ein winziges Planetensystem aus? Nein! Wie sehen Atome aber wirklich aus? Und warum zeichnet man sie immer falsch?

[@MartinApolin]

Das ist das sechste Video einer Videoserie über die Quantenmechanik. Die Videos können einzeln angesehen werden, aber sie sind aufbauend konzipiert und haben einen roten Faden. Deshalb ist es günstig, sich die Videos der Reihe nach anzusehen. Im siebenten Video geht es um die Atomorbitale: kzbin.info/www/bejne/aJaWYqKnrdGegMk

[@mossy6154]

Eine der besten Erklärungen, die ich jemals gesehen hab. Wirklich anschaulich, lückenlos und verständlich, respekt.

[@MartinApolin]

🙏🏻

[@stanlibuda5786]

Jetzt weiß ich immer noch nicht wie ein Atom aussieht. ;-)

[@MartinApolin]

😂

[@maiktime1118]

genau jetzt habe ich das gebraucht, danke!

[@MartinApolin]

😄

[@arthur5468]

Dank

[@MartinApolin]

Bitt!

[@EXCEL-MASTER-WORLDWIDE]

mega gut!

[@MartinApolin]

🙏🏻🎉

[@MoutazMahmoud-zp7hs]

Wow sehr gute Videos. Danke 🙏🏼

[@MartinApolin]

Danke für das Lob! 🙏🏻

[@Mitras333]

Ich fasse zusammen: Die Heisenbergschen Unschärferelation gewährleistet, dass bei steigender Ortsbestimmung des Elektrons, dessen Impulsunschärfe ebenso steigen muss. Damit steigt zwangsläufig auch der Impuls, denn eine größere Impulsunschärfe führt automatisch zu einem höheren Impuls. Wenn der Impuls und damit die Energie des Elektrons steigt, stößt es, wegen einem Gesetzt das ich nicht verstehe, an eine Grenze der möglichen Ortsunschärfe, wodurch das Elektron nicht weiter Richtung Atomkern kommen kann. Leider konnte ich denk letzten Gedankengang im Video nicht mehr verstehen, aber was solls :))

[@kyrielekatz5730]

Ich bin begeistert !!!

[@MartinApolin]

🙏🏻

[@alfaromeo6878]

Elektron hinter dem Mond, herrlich. Mein regelmäßiger Spruch im Unterricht, egal ob Chemie oder Physik. Und der wirkt immer. 😊

[@MartinApolin]

😁

[@nassitaheri]

Danke!

[@MartinApolin]

🙏🏻

[@stefanblue660]

Ganz tolle Erklärung, auch für Nichtphysiker nachzuvollziehen, vielen Dank ! 🙏 Die Quantenphysik ist zauberhaft , es gibt ja auch noch die Heisenbergsche Energie - Zeit - Unschärfe : Wenn das Eine immer größer wird , wird das andere immer kleiner , das hat meine Phantasie wahnsinnig ins Rotieren gebracht , es scheint mit Anfang und Ende , oder nicht zu tun zu haben . Könnten Sie dazu einen Beitrag machen ? Würde mich wahnsinnig freuen !

[@stefanblue660]

Energie- mal Zeitunschärfe ist immer größer Null , genau wie Ort- mal Impulschunschärfe , finde dass das wahnsinnig faszinierend : Es gibt kein Nichts !

[@MartinApolin]

Vielen Dank für das Lob!

[@MartinApolin]

@@stefanblue660 Zur Energie-Zeit-Unschärfe: ich finde das auch sehr faszinierend und habe das auch früher immer so unterrichtet. Das Problem ist aber, dass es fachlich eigentlich nicht sauber ist beziehungsweise sogar nicht richtig. Da ist ein Link dazu der das beschreibt: www.tu-braunschweig.de/index.php?eID=dumpFile&t=f&f=64380&token=3683750df58e6ed722d2b8bb64114cdf963cf3f0 Und weil ich bei meinen Videos fachlich ganz exakt sein möchte, damit sie das Uniniveau zumindest von unten anritzen, habe ich auf dieses faszinierende Thema verzichtet. Aber es stimmt: Es gibt kein Nichts. Diese Vakuumfluktuationen kann man im Rahmen der Qunatenfeldtheorie beschreiben.

[@stefanblue660]

@@MartinApolin Vielleicht noch mal was zum Thema Vakuum Fluktuationen ? Ich habe es so verstanden, wenn man ein Vakuum erzeugt , oder auch im Weltall vorfindet und annimmt dass die Gesamte nergie null ist, so ist sie doch niemals konstant Null , sondern schwingt darum herum . Meine Frage dazu wäre , was ist negative Energie, wenn man die Existenz eines absoluten Nullpunkts bei Null Kelvin annimmt? Alan Guth hat das mit falschen Vakuum erklärt, wodurch ein Energieungleichgewicht entstehen kann, dessen Ausgleich zu Urknall und kosmischer Inflation führen kann, ebenfalls wahnsinnig faszinierend, aber soweit ich weiß, auch nicht bewiesen, aber dennoch das bisher plausibelste Modell zur Entstehung des Kosmos. Wird das auch nicht gelehrt ?

[@Donnerkai]

Ich habe mir schon oft genau diese Frage gestellt aber alle Infos dazu nicht verstanden. Das ist das erste Video, was ich nachvollziehen kann. Ich habe allerdings eine Folgefrage. Wenn wir bei diesem Modell bleiben, existieren ja noch andere Elektronen ( bei anderen Elementen) auf anderen Schalen/ Energieniveaus. Warum ist denn das so. Jedes Elektron hat doch den gleichen energetischen Zustand, oder ?

[@MartinApolin]

Danke für das Lob! Ich würde raten, Video Nr. 7, 8 + 9 zur Quantenmechanik anzusehen, weil ich da genau das erkläre. Es hat eben nicht jedes Elektron im Atom dieselbe Energie, sondern jedes eine andere (bzw. können sich immer 2 Elektronen auf demselben Energieniveau befinden). Die Orbitale durchdringen und überlagern sich, aber sie beeinflussen einander nicht.

[@Olaf_Schwandt]

Ich versuche gerade das Diagramm bei 6:37 nachzuvollziehen. Bei mir ist (beim Wasserstoffelektron im Grundzustand) die potentielle Energie um eine Zehnerpotenz (in eV, Vorzeichen aber richtig) größer als die kinetische. So komme ich garnicht auf Ihre Form der Kurve für die Gesamtenergie. Kann man das irgendwo nachlesen?

[@MartinApolin]

Ich habe das aus einen Didaktikbuch, aber es ist eine physikalischer Standard würde ich mal sagen: de.wikipedia.org/wiki/Bohrscher_Radius

[@Olaf_Schwandt]

@@MartinApolin Dankeschön

[@MartinApolin]

@Olaf_Schwandt 🙏🏻

[@klaudig1214]

Die Punktwolke aus gemessenen Aufenthalten der Elektronen sieht gar nicht so aus, als wäre die Aufenthaltswahrscheinlichkeit beim Atomradius (also im Bereich der Ortsunschärfe, bei der die Gesamtenergie am geringsten ist) am größten. Habe ich da etwas falsch verstanden?

[@MartinApolin]

Das haben Sie falsch verstanden 😅. Es geht nicht darum, wo die Punktwolke am dichtesten ist, sondern in welchem Abstand die Wahrscheinlichkeit am größten ist, dass man das Elektronen findet. Das nennt man die radiale Aufenthaltswahrscheinlichkeit. Ich erkläre das ab 7:50. die Punkwolke wird nach außen hin immer dünner, aber weil die Schalen immer größer werden, nimmt die radiale Wahrscheinlichkeit zunächst zu und hat dann ein Maximum. Und dieses Maximum entspricht dem Radius des Atoms.

[@jokolumbi2924]

Wenn ich mir die aufenthaltswahrscheinlichkeit der elektonen anschaue ensteht ja gewissermaßen eine art statistische verteilung die sehr an eine linkssteile /rechtsschiefe normalverteilung erinnert mit der "höchsten aufenthaltswahrscheinlichkeit" am modalwert also dem minimum?!. kann man von so einer verteilung bei atomen statistisch sprechen sind die atome überhaupt "normalverteilt"?! vielen dank für die tollen videos :)

[@MartinApolin]

Beim Wasserstoff-Atom kann man die Elektronendichte exakt berechnen. Und würde man dann ganz viele Versuche durchführen und schauen, wo sich das Elektronen gerade befindet, dann würde man auch über die vielen Versuche diese Kurve rausbekommen. also ja, letztlich ist es Statistik - wie eigentlich fast alles in der Quantenmechanik.

[@janmaler3335]

Wie sieht die Punktwolken-Verteilungsfunktion, die bei 08:18 ja für das H-Atom gezeigt ist, eigentlich für ein Chloratom und für ein Kupferatom aus? Ich frage deswegen, weil es im Internet ja diese wunderbare Elektronenmikroskop-Aufnahme von Hexadecachlor-Kupferphthalocyanin-Molekülen gibt. Und in dieser Aufnahme kann man direkt ausmessen, wo sich der Rand der Elektronenwolken-Corona befindet (für die Atomradien kommt heraus: Chloratom = 115,9 pm, Kupferatom 127,3 pm) ... und nun wäre ich doch mal ZU neugierig, welchen Wert die THEORETISCHE Verteilung dort, also am Ort 115,9 pm bzw. 127,3 pm, hat😊

[@MartinApolin]

Ich fürchte, das ist eine Aufgabe für einen Großrechner . Die Schrödingergleichung lässt sich ja nur für ein Wasserstoffatom exakt lösen (also analytisch) Bereits ab dem Helium kann man sie nur mehr numerisch lösen. Und Atome in Bindungen sind noch mal was ganz anderes... Außerdem hat z.B. Chlor die Elektronenkonfiguration [Ne] 3s2 3p5, d.h. dass es wegen der P-Orbitale nicht in alle Richtungen gleich aussieht. Aber vielleicht war Ihre Frage eh nur rhetorisch 😂

[@janmaler3335]

@@MartinApolin Hallo, Danke fürs Antworten 🙂 Nein, die war nicht rhetorisch gemeint, deswegen hatte ich ja auch extra die Begründung mit reingeschrieben, warum mich das so sehr interessiert - damit Sie meine Frage besser verstehen Wissen Sie denn, ob man irgendwie an solche numerisch errechneten Graphenverläufe kommen kann?

[@MartinApolin]

@@janmaler3335 Ich bin ich ehrlich gesagt überfragt. Gehen Sie mal auf die Seite www.mikomma.de/ und scrollen Sie zu e-Mail hinunter. Vielleicht kann Ihnen Michael Komma einen Tipp geben. Ist aber geraten 😅. Sollte Sie was rausbekommen, dann bitte ich um eine kurze Nachricht - interessiert mich jetzt nämlich auch!

[@janmaler3335]

@@MartinApolin vielen Dank für den Hinweis, DAS mach ich!!!

[@janmaler3335]

@@MartinApolin so, Mail ist abgeschickt! Vielen Dank nochmal für den Tipp :)

[@luisekoschinsky7728]

Ach komm Spaß mus sein

[@MartinApolin]

Stimmt absolut!

[@Corey91666]

Ich frage mich, ob man den Anstieg der kinetischen Energie allein damit begründen kann, dass bei geringen Radien auch höhere Geschwindigkeiten notwendig sind um das Kräftegleichgewicht aus Coulomb-Kraft und Zentrifugalkraft aufrecht zu erhalten. In dem Sinne könnte man damit argumentieren, dass es einen Abstand gibt bei dem die Summe aus kinetischer Energie und potentieller Energie ein Minimum annimmt (so wie auch erklärt). Ich frage mich warum die Unschärferelation dafür von so großer Bedeutung ist. Anders gesagt, kann meine obige Annahme nicht die Erklärung für das Problem sein, da sie ohne die Unschärferelation auskommt.

[@MartinApolin]

Man muss in der QM mit klassischen Analogien aufpassen, weil sie in der Regel falsch sind. Zum Beispiel ist es ja unmöglich, dass die Elektronen kreisen, weil kreisende Ladungen immer strahlen. Ein Bohrsches Atom kann es daher nicht geben, weil die Elektronen Energie verlieren würden und in den Kern stürzen. Diese Analogie ist also falsch und deshalb kann man sie auch nicht zur Erklärung des Atomorbitals heranziehen. Schauen Sie mal dieses Video an: kzbin.info/www/bejne/mpaoqnpqg9Jsg6M Da begründe ich, dass die Unschärfe aus dem Welle-Teilchen-Dualismus zwangsläufig folgt. Es geht nicht anders. Es ist also nicht nur so, dass man die Unschärfe braucht, um das Atom zu verstehen. Die Unschärfe ist auf jeden Fall und immer da, sie ist eine Eigenschaft des Universums. Man kommt nicht um sie herum!

[@Corey91666]

@@MartinApolin Danke für die Antwort. Bereite mich gerade auf eine Physik-Prüfung vor die mündlich abgehalten wird und bin daher dabei herauszufinden, wie man diese Dinge einigermaßen gut erklären kann. Es macht Sinn, dass man das Planetenmodell aus diesem Grund nicht zur Erklärung heranziehen kann. Allerdings beschäftigen mich in meinen Unterlagen auch die Bohrschen Postulate bezüglich des Bahndrehimpulses L und der Übergangsfrequenz, die verwendet wurden um die spektroskopischen Beobachtungen zu bestätigen. Dabei wird eigentlich auch definiert, dass die Bewegung der Elektronen auf den Kreisbahnen strahlungsfrei erfolgt. Man hat also unter Umständen schon vor Heisenberg diesen Umstand berücksichtigt. Daher habe ich das in dem Fall auch versucht. Man kann aus dem Kräftegleichgewicht der Coulomb-Kraft und der Zentrifugalkraft die Relation von potentieller Energie und kinetischer Energie herleiten und entsprechend beide Energieterme für die Gesamtenergie formulieren. Daher lässt sich ähnlich wie in ihren Videos beschreiben, dass die Gesamtenergie entsprechend einem Minimum entsprechen muss und daher auch nur bestimmte Radien möglich sind, da dieser in den entsprechenden Gleichungen logischer Weise zu finden ist. Es ist aber längst nicht so detailliert beschrieben, weshalb ich auch Ihre Ressourcen nutze. Letztlich kommt man vermutlich über kurz oder lang so auch auf eine Erklärung, wobei ich diesen Weg nicht in seiner Gänze durchgegangen ist. Da aber beispielsweise der Zusammenhang von 2Ekin = -Epot daraus ableitbar ist, kann ich mir beispielsweise auch ihren Graphen bezüglich des Atomradius mit der Gegenüberstellung der kin. und pot. Energie gut vorstellen. Ihre Videos zur Quantenmechanik habe ich übrigens demnächst alle durch und finde sie hochinformativ und sehr gut ausgearbeitet. Daumen hoch !

[@MartinApolin]

@Corey91666 Danke! Und alles Gute bei der Prüfung!

[@friedop.8877]

..super erklärt und vor allem anschaulich und nachvollziehbar. Frage. Sind sie Physiklehrer und gleichzeitig Pädagoge??

[@MartinApolin]

@friedop.8877 Danke für die Blumen! Genau, ich arbeite als Physik-Lehrer, habe aber auch in Physik-Didaktik promoviert.

[@christianb.66]

Amorph?!..

[@MartinApolin]

Nicht in RTM!

[@YXZmossi]

Nach 3 jahre forschung denke ich Quantenmechanik zu verstehen aber wie feynman gesagt hat, habe ich gelogen.😢

[@DoenerKritiker]

Physik LK Leibnizgymnasium jemand hier?

[@itsdripordrown7702]

Ja

[@MartinApolin]

😂

[@UnderDarkSkies]

Dieses Video und das davor sind wahrscheinlich die letzten, wo alles noch halbwegs anschaulich ist. Man kämpft dagegen an das "Shut up and calculate" zu akzeptieren und vielleicht doch noch eine anschauliche Erklärung zu finden. Der pseudowissenschaftlichen Phantasie sind da keine Grenzen gesetzt. 😂

[@MartinApolin]

Ja, leider muss man das aber zähneknirschend akzeptieren. Und es wird immer schlimmer, je weiter man sich in die Themen hineingräbt! 🤷🏻‍♂️

[@UnderDarkSkies]

@@MartinApolin Ich habe immer das Gefühl, es könnte sich alles doch noch anschaulich erklären, wenn man von der Idee wegkommt, dass Teilchen per Zufall hin und her springen, sondern dass es sich tatsächlich um kontinuierlich ab- und zunehmende Energieballungen handelt, die in Wechselwirkung stehen, aber darüber haben sich garantiert schon andere tiefere Gedanken gemacht... 😅

[@MartinApolin]

Man muss sich leider auch von der Vorstellung trennen, dass das Teilchen hin und her springt. Etwas pointiert kann man sagen, dass nicht einmal das Teilchen selbst weiß, wo es sich befindet, außer es wird durch die Messung gezwungen, sich zu deklarieren. Dann kollabiert gewissermaßen die Wellenfunktion, und das Teilchen erscheint an einer bestimmten Stelle. Der Kollaps der Wellenfunktion ist ein großes Mysterium auch unter Quantenmechanikern!

[@maiktime1118]

gilt das "shut up and calculate" nur aus der Sicht des Schülers oder auch im Physikstudium?

[@MartinApolin]

Das gilt auf jedem Niveau, weil sich die meisten quantenmechanischen Effekte dem bildlichen Vorstellungsvermögen entziehen.

[@MetapherTasse]

Ich habe fast garnichts verstanden!!!!!!!

[@MartinApolin]

Ist auch ein sehr schwieriges Thema!