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Ein Wasserstoffatom ist ein Atom des chemischen Elements Wasserstoff Symbol H Das Atom besteht aus einem einfach positiv geladenen Atomkern mit einem Proton und bei naturlich vorkommenden Isotopen null bis zwei Neutronen und einem negativ geladenen Elektron Elektron und Atomkern sind aufgrund ihrer entgegengesetzten elektrischen Ladung aneinander gebunden Coulombsches Gesetz Das Wasserstoffatom nach dem Bohrschen AtommodellDas Wasserstoffatom ist das am einfachsten aufgebaute aller Atome und bietet den Schlussel zum Verstandnis des Aufbaus und der Eigenschaften aller Atome Es ist das einzige Atom fur das die quantenmechanische Schrodinger Gleichung analytisch d h in mathematisch geschlossener Form gelost werden kann Die Spektrallinien des Wasserstoffatoms sind mit hoher Genauigkeit berechenbar und konnen mit den gemessenen Werten verglichen werden wie z B das bekannteste Linienmultiplett die Balmer Serie Inhaltsverzeichnis 1 Das Wasserstoffatom als Paradebeispiel der Entwicklung der Atomphysik 1 1 Vor 1913 1 2 1913 1925 1 3 Ab 1925 1 3 1 Quantenmechanik 1 3 2 Relativistische Quantenmechanik 1 3 3 Quantenelektrodynamik 1 3 4 Dynamische Gruppe 1 3 5 Pfadintegral 2 Experimentelle Untersuchungen der optischen Linienspektren 3 Losung der Schrodinger Gleichung Wasserstoffproblem 3 1 Mathematische Details 4 Weitere Entwicklung 4 1 Relativistische Effekte 4 2 Spin 4 3 Quantenfeldtheoretische Effekte 5 Wasserstoff ahnliche Atome 6 Literatur 7 Weblinks 8 Anmerkungen 9 EinzelnachweiseDas Wasserstoffatom als Paradebeispiel der Entwicklung der Atomphysik BearbeitenDie am Wasserstoffatom nach und nach abgeleiteten Prinzipien der Atomphysik bilden heute die Grundlage zur Beschreibung aller Atome 1 Vor 1913 Bearbeiten William Prout vermutete 1815 dass die Atome aller Materie aus Wasserstoffatomen aufgebaut seien Zur Begrundung fuhrte er an dass Wasserstoff nach John Dalton das kleinste aller Atomgewichte habe auch heute richtig und die Atomgewichte anderer Elemente ein ganzzahliges Vielfaches davon seien dies war allerdings schon nach damaligem Kenntnisstand falsch zur Begrundung siehe Isotope 2 Nach heutiger Ansicht findet dieser Aufbauprozess tatsachlich bei der Nukleosynthese in Supernovae statt Johann Balmer fand 1885 zwischen den Wellenlangen der vier sichtbaren Spektrallinien des Wasserstoffatoms einen mit einfachen ganzen Zahlen darstellbaren mathematischen Zusammenhang die Balmer Formel Er war nach der Entdeckung durch Robert Wilhelm Bunsen und Gustav Robert Kirchhoff 1860 dass jedes Element spezifische Spektrallinien zeigt davon ausgegangen dass eine Erklarung hierfur am ehesten im Fall des Wasserstoffs zu finden sein musste weil dieser das leichteste Atomgewicht und das einfachste Linienspektrum zeigt Balmer nutzte seine Formel um die genaue Lage weiterer Linien im Ultravioletten vorherzusagen und erfuhr dann zu seiner Uberraschung dass diese in Sternspektren bereits genau dort gefunden worden waren 3 Joseph John Thomson identifizierte 1897 das Elektron als universellen Bestandteil aller Materie 4 und formulierte 1903 ein Atommodell mit einer masselosen positiven Ladung von der Grosse des Atoms und einer genugenden Anzahl von Elektronen um die Atommasse zu erklaren fur das H Atom nicht weniger als etwa 2000 5 Die Elektronen sollten in der positiven Ladung verteilt sein wie die Rosinen im Kuchen und um ihre Ruhelage schwingen konnen was die Emission und Absorption von Licht bestimmter Frequenzen im Rahmen der klassischen Physik erklarbar machte ebenso wie die Streuung von Licht und Rontgenstrahlung Besonders beachtet wurde dass dieses Modell auch die Aufspaltung der Lichtfrequenz im Magnetfeld wenigstens in den Fallen erklaren konnte in denen man eine dreifache Aufspaltung sah normaler Zeeman Effekt 1896 Unerklarlich blieb wie eine solche Anordnung so stabil sein konnte wie es die Atome offensichtlich sind Zudem erwies sich ab 1906 die Streuung von Rontgenstrahlung viel schwacher als vorhergesagt was fur eine viel kleinere Anzahl Elektronen im Atom sprach fur Wasserstoff hochstens einige wenige Arthur Haas zeigte 1910 zum ersten Mal dass unter Zuhilfenahme der 1900 entdeckten Planck Konstante h eine Formel aufgestellt werden kann die fur den Radius und die Bindungsenergie des Wasserstoffatoms richtige Werte ergibt 6 Das war die erste Anwendung der bis dahin fast ausschliesslich fur Lichtwellen und andere harmonische Schwingungen benutzten planckschen Formel E h f displaystyle E h f nbsp auf ein Problem der Mechanik des Atoms und wurde aus genau diesem Grund auch weitgehend abgelehnt Haas betrachtete ein Elektron Ladung e auf einer Kreisbahn auf der Oberflache einer positiv geladenen Kugel mit der Ladung e und setzte versuchsweise dessen potentielle Energie Epot und Umlauffrequenz f beide nach der klassischen Physik ermittelt in das Verhaltnis E p o t h f displaystyle E mathrm pot h f nbsp Das Ergebnis entspricht schon genau dem Grundzustand des bohrschen Modells 1913 1925 Bearbeiten Niels Bohr zeigte 1913 in seinem bohrschen Atommodell dass mit der Annahme eines kleinen positiven schweren Atomkerns nach Ernest Rutherfords Entdeckung 1911 und weiteren Annahmen spater verfeinert und bohrsche Postulate genannt die Energien des H Atoms auch in angeregten Zustanden zutreffend berechnet werden konnen Obwohl diese Postulate radikale Bruche mit der klassischen Physik bedeuteten setzte sich das Modell schnell durch denn es konnte nicht nur die Balmer Formel sondern auch das Spektrum des ionisierten Helium Atoms ein Elektron umkreist einen Atomkern mit doppelter Ladung und vierfacher Masse richtig erklaren einschliesslich des kleinen Effekts der verschiedenen Kernmassen sowie die Energien der harten Rontgenstrahlung der schwereren Elemente Arnold Sommerfeld erweiterte 1916 das Modell um elliptische Bahnen zum bohr sommerfeldschen Atommodell Er entdeckte dabei die drei raumlichen Quantenzahlen und die Richtungsquantelung des Drehimpulses sodass er die ungeradzahlige Aufspaltung der Energieniveaus im Magnetfeld erklaren konnte Durch Berucksichtigung der speziellen Relativitatstheorie konnten weitere Feinheiten der Spektrallinien des H Atoms gedeutet werden Das Modell versagte aber genau wie das bohrsche Modell bei Atomen mit mehreren Elektronen Ab 1925 Bearbeiten Quantenmechanik Bearbeiten Der Durchbruch zur heutigen Modellvorstellung gelang 1925 26 mit der Entdeckung der Quantenmechanik durch Werner Heisenberg Matrizenmechanik und Erwin Schrodinger Wellenmechanik Bewegungsgleichungen in neuer Form machen darin die bohrschen Postulate uberflussig Prufstein der neuen Theorien war die exakte Berechnung des H Atoms Mit der Matrizenmechanik gelang dies erstmals Wolfgang Pauli Die erste Berechnung nach der Wellenmechanik s u die zusatzlich zu den Energien die geometrische Form der Elektronenorbitale liefert wurde von Schrodinger selbst prasentiert Systeme mit mehr als einem Elektron konnen zwar auch hier nicht mehr mathematisch exakt behandelt werden Naherungsmethoden machen aber moglich das Verhalten von Atomen mit vielen Elektronen mit hoher Genauigkeit zu berechnen Das quantenmechanische Modell fuhrte zum Schalenmodell und damit zum Verstandnis des Aufbaus des Periodensystems der Elemente und der Bildung von Molekulen in der chemischen Bindung Relativistische Quantenmechanik Bearbeiten Als Paul Dirac 1927 die relativistisch korrekte Formulierung der Quantenmechanik veroffentlichte konnte er damit nicht nur weitere Feinheiten der Spektrallinien des Wasserstoffatoms erklaren sondern auch die vorher unverstandlichen Eigenschaften des Elektrons wie Spin und anomales magnetisches Moment Damit war auch die geradzahlige Aufspaltung der Energieniveaus im anomalen Zeeman Effekt verstanden Zudem ergab sich aus der Diracgleichung die neue Vorhersage von Antiteilchen Quantenelektrodynamik Bearbeiten Die im Rahmen der Quantenelektrodynamik theoretisch erwartete Vakuumpolarisation durch virtuelle Teilchen Antiteilchenpaare wurde an H Atomen 1947 erstmals anhand einer extrem kleinen Aufspaltung eines Energieniveaus Lamb Verschiebung nachgewiesen Dies verhalf der Quantenelektrodynamik insbesondere dem darin erforderlichen Verfahren der Renormierung zum Durchbruch Dass die Quantenelektrodynamik auch fur die klassische elektrostatische Anziehung eine Erklarung durch Austausch virtueller Photonen bietet wurde 1952 durch Hans Bethe und E Salpeter anhand einer erneuten genauen Berechnung der Energieniveaus des H Atoms gezeigt Bethe Salpeter Gleichung Dynamische Gruppe Bearbeiten Wolfgang Pauli hatte bei seiner ersten Behandlung 7 des Wasserstoffatoms in der heisenbergschen Matrizenmechanik einen Weg gefunden die genauen Eigenschaften des Coulomb Potentials einfach durch eine zusatzliche Konstante den Laplace Runge Lenz Vektor zu berucksichtigen Das entspricht mathematisch einer Rotationssymmetrie in 4 Dimensionen Symmetriegruppe O 4 Durch Erweiterung zur Dynamischen Symmetriegruppe O 4 2 konnte Hagen Kleinert 1968 nicht nur die Energieterme sondern auch die Dipol Matrixelemente fur alle atomaren Ubergange in einer irreduziblen Gruppendarstellung vereinen 8 Pfadintegral Bearbeiten Im Jahre 1979 fand Hagen Kleinert eine Losung fur das Wasserstoffatom in Feynmans Pfadintegral Zugang zur Quantenmechanik 9 10 und erweiterte damit den Anwendungsbereich dieser in der modernen Quantenmechanik wichtigen Methode Experimentelle Untersuchungen der optischen Linienspektren Bearbeiten nbsp Energieniveaus und nach Serien geordnete Ubergange des WasserstoffsSeit 1862 werden die Spektrallinien im Absorptions und Emissionsspektrum des Wasserstoffatoms untersucht Sie werden verursacht durch den Ubergang des gebundenen Elektrons von einem hoheren in ein niedrigeres Niveau Emission oder umgekehrt Absorption Dabei werden die moglichen Linien klassifiziert nach dem Grundniveau und benannt nach ihren jeweiligen Entdeckern Mathematisch werden die Ubergange seit 1888 durch die Rydberg Formel beschrieben Albert A Michelson fand 1892 dass die Spektrallinien feine Aufspaltungen zeigen Diese konnten teilweise erst 1916 durch das bohr sommerfeldsche Atommodell erklart werden vollstandig ab 1926 durch die Quantenmechanik Name der Serie Grundniveau Wellenlangenbereich EntdeckungsjahrLyman Serie 1 ultraviolett 1906Balmer Serie 2 sichtbar bis ultraviolett 1885Paschen Serie 3 infrarot 1908Brackett Serie 4 infrarot 1922Pfund Serie 5 infrarot 1924Losung der Schrodinger Gleichung Wasserstoffproblem BearbeitenDie einfachste Schrodinger Gleichung fur ein geladenes Teilchen im Coulombfeld einer Punktladung wird als Wasserstoffproblem bezeichnet Diese dreidimensionale partielle Differentialgleichung kann aufgrund der Kugelsymmetrie der elektromagnetischen Wechselwirkung in drei unabhangige Gleichungen separiert werden Jede der drei Einzelgleichungen kann mathematisch exakt gelost werden Eine der Gleichungen ergibt die Form der Abstandsabhangigkeit der Elektronenwellenfunktion in den Energiezustanden und die Energiewerte des Elektrons im Wasserstoffatom Es ist ublich die verschiedenen diskreten Energiewerte uber die Hauptquantenzahl n displaystyle n nbsp als E n displaystyle E n nbsp zu bezeichnen Der tiefste Energiezustand A 1 heisst E 1 displaystyle E 1 nbsp Die beiden anderen Gleichungen enthalten die Winkelabhangigkeit der Wellenfunktion mit der Bahndrehimpulsquantenzahl ℓ displaystyle ell nbsp und der magnetischen Quantenzahl m displaystyle m nbsp Das Wasserstoffatom ist eines der wenigen quantenmechanischen Systeme die sich exakt berechnen lassen Die Losung der Schrodinger Gleichung fur das Wasserstoffatom ist auch deshalb ein Standardbeispiel der universitaren Physik und Chemieausbildung Mathematische Details Bearbeiten nbsp Verschiedene Orbitale des Wasserstoffs mit m 0Fur das System von einem Elektron Masse m e displaystyle m mathrm e nbsp Ort r e displaystyle vec r mathrm e nbsp Ladung e displaystyle e nbsp und dem Atomkern Masse m k displaystyle m mathrm k nbsp Ort r k displaystyle vec r mathrm k nbsp Ladung Z e displaystyle Z cdot e nbsp wobei Z displaystyle Z nbsp ganzzahlig ist wobei die Coulombwechselwirkung die potentielle Energie bestimmt gilt zunachst die zeitunabhangige Schrodingergleichung ℏ 2 2 m e D e ℏ 2 2 m k D k Z e 2 4 p e 0 r e r k PS r e r k E PS r e r k displaystyle left frac hbar 2 2m mathrm e Delta mathrm e frac hbar 2 2m mathrm k Delta mathrm k frac Ze 2 4 pi varepsilon 0 vec r mathrm e vec r mathrm k right Psi vec r mathrm e vec r mathrm k mathrm E Psi vec r mathrm e vec r mathrm k nbsp Die Laplace Operatoren D e D k displaystyle Delta mathrm e Delta mathrm k nbsp sind jeweils die zweiten raumlichen partiellen Ableitungen nach den Koordinaten r e displaystyle vec r mathrm e nbsp bzw r k displaystyle vec r mathrm k nbsp Unter Ubergang in das Schwerpunktsystem und Betrachtung der Relativbewegung r r e r k displaystyle vec r vec r mathrm e vec r mathrm k nbsp von Elektron und Atomkern ergibt sich nach Separation folgende Schrodingergleichung ℏ 2 2 m D Z e 2 4 p e 0 r PS r E PS r displaystyle left frac hbar 2 2 mu Delta frac Ze 2 4 pi varepsilon 0 r right Psi vec r mathrm E Psi vec r nbsp Es ist m m e m k m e m k displaystyle mu frac m mathrm e m mathrm k m mathrm e m mathrm k nbsp die reduzierte Masse des Systems Diese lasst sich aufgrund m e m k displaystyle m mathrm e ll m mathrm k nbsp durch m m e displaystyle mu approx m mathrm e nbsp nahern Diese Gleichung ist ansonsten identisch zu der Schrodingergleichung eines Teilchens in einem kugelsymmetrischen Potential Die Separation dieser Gleichung in Kugelkoordinaten r displaystyle r nbsp Abstand vom Mittelpunkt ϑ displaystyle vartheta nbsp Breitenwinkel und f displaystyle varphi nbsp Langenwinkel fuhrt zu drei Gleichungen die von jeweils nur einer der Koordinaten abhangen Eine vollstandige Losung PS r displaystyle Psi vec r nbsp ergibt sich als das Produkt der Losungen dieser drei Gleichungen nbsp 3D Wasserstoff Orbitale der PS n l m displaystyle Psi nlm nbsp Eigenfunktionen mit farbcodierter PhaseJede Losung PS displaystyle Psi nbsp der Schrodingergleichung fur das Wasserstoffatom wird durch die drei ganzen Zahlen n l m displaystyle n l m nbsp gekennzeichnet Sie werden Quantenzahlen genannt genauer raumliche Quantenzahlen im Unterschied zur spater hinzukommenden Spin Quantenzahl m s 1 2 displaystyle m s mathord pm tfrac 1 2 nbsp Dabei ist die Haupt oder Energiequantenzahl n displaystyle n nbsp eine beliebige positive Zahl die Drehimpulsquantenzahl l displaystyle l nbsp nimmt fur gegebenes n displaystyle n nbsp die Werte von 0 displaystyle 0 nbsp bis n 1 displaystyle n 1 nbsp an und die magnetische Quantenzahl m displaystyle m nbsp durchlauft fur gegebenes l displaystyle l nbsp die 2 l 1 displaystyle 2l 1 nbsp ganzen Zahlen von l displaystyle l nbsp bis l displaystyle l nbsp Die Losungsfunktion ist dann PS n l m r ϑ f R n l r Y l m ϑ f displaystyle Psi nlm r vartheta varphi R nl r Y lm vartheta varphi nbsp mit R n l r 2 Z n a 0 3 n l 1 2 n n l e r 2 r l L n l 1 2 l 1 r displaystyle R nl r sqrt left frac 2Z na 0 right 3 frac n l 1 2n n l mathrm e rho 2 rho l L n l 1 2l 1 rho nbsp r 2 Z r n a 0 displaystyle rho frac 2Zr na 0 nbsp darin ist a 0 4 p e 0 ℏ 2 m e e 2 displaystyle a 0 tfrac 4 pi varepsilon 0 hbar 2 m mathrm e e 2 nbsp der Bohrsche Radius des H Atoms L n l 1 2 l 1 r displaystyle L n l 1 2l 1 rho nbsp sind die zugeordneten Laguerre Polynome Y l m ϑ f displaystyle Y lm vartheta varphi nbsp sind die Kugelflachenfunktionen Die Radialfunktion R n l r displaystyle R nl r nbsp ist fur alle Werte der magnetischen Quantenzahl m displaystyle m nbsp dieselbe Die winkelabhangigen Funktionen Y l m ϑ f displaystyle Y lm vartheta varphi nbsp sind von der Hauptquantenzahl n displaystyle n nbsp unabhangig Fur die niedrigsten Orbitale ergibt sich damit PS 100 4 Z 3 a 0 3 e Z r a 0 1 4 p PS 200 Z 3 8 a 0 3 Z r a 0 2 e Z r 2 a 0 1 4 p PS 210 Z 3 24 a 0 3 Z r a 0 e Z r 2 a 0 3 4 p cos ϑ PS 2 1 1 Z 3 24 a 0 3 Z r a 0 e Z r 2 a 0 3 8 p sin ϑ e i f displaystyle begin aligned Psi 100 amp sqrt 4Z 3 over a 0 3 mathrm e Zr a 0 cdot sqrt 1 over 4 pi Psi 200 amp sqrt Z 3 over 8a 0 3 left Zr over a 0 2 right mathrm e Zr 2a 0 cdot sqrt 1 over 4 pi Psi 210 amp sqrt Z 3 over 24a 0 3 left Zr over a 0 right mathrm e Zr 2a 0 cdot sqrt 3 over 4 pi cos vartheta Psi 2 1 pm 1 amp mp sqrt Z 3 over 24a 0 3 left Zr over a 0 right mathrm e Zr 2a 0 cdot sqrt 3 over 8 pi sin vartheta mathrm e pm i varphi end aligned nbsp Die Energieeigenwerte sind H PS n l m E n PS n l m displaystyle H Psi nlm E n Psi nlm nbsp mit E n e 4 m e 2 4 p e 0 2 ℏ 2 Z 2 n 2 1 2 m e c a 2 Z 2 n 2 Z 2 n 2 Ry e 2 4 p e 0 Z 2 2 a 0 n 2 displaystyle E n frac e 4 m mathrm e 2 4 pi varepsilon 0 2 hbar 2 cdot frac Z 2 n 2 frac 1 2 m mathrm e c cdot alpha 2 frac Z 2 n 2 frac Z 2 n 2 text Ry frac e 2 4 pi varepsilon 0 cdot frac Z 2 2a 0 cdot n 2 nbsp mit der Lichtgeschwindigkeit c displaystyle c nbsp der Feinstrukturkonstante a 1 137 displaystyle alpha approx frac 1 137 nbsp und der Rydberg Energie 1 Ry 13 6 eV textstyle 1 text Ry approx 13 6 text eV nbsp Die Eigenwerte fur Drehimpulsquantenzahl und magnetische Quantenzahl sind durch L 2 PS n l m ℏ 2 l l 1 PS n l m displaystyle hat L 2 Psi nlm hbar 2 l l 1 Psi nlm nbsp und L z PS n l m ℏ m PS n l m displaystyle hat L z Psi nlm hbar m Psi nlm nbsp gegeben Die Drehimpulsquantenzahl misst hierbei den Bahndrehimpuls des Elektrons und die magnetische Quantenzahl seine Projektion auf eine beliebig festgelegte Richtung die im Allgemeinen als z bezeichnet wird z steht dabei fur die z Achse In dieser einfachsten Behandlung des Wasserstoffatoms sind die Energiewerte nur von der Hauptquantenzahl n displaystyle n nbsp abhangig Alle Zustande PS n l m r ϑ f displaystyle Psi nlm r vartheta varphi nbsp mit gleichem n displaystyle n nbsp und damit auch alle ihre moglichen Linearkombinationen besitzen hier die gleiche Energie Man sagt daher sie sind entartet bezuglich der Quantenzahlen l displaystyle l nbsp und m displaystyle m nbsp Die Entartung bezuglich m displaystyle m nbsp gilt allgemein fur jedes kugelsymmetrische Potential weil dann die Energie eines Eigenzustands nicht von der Orientierung des Drehimpulses bezuglich der z displaystyle z nbsp Achse abhangen kann Die Entartung bezuglich l displaystyle l nbsp hingegen ist eine Besonderheit des 1 r displaystyle tfrac 1 r nbsp Potentials Sie erklart die besonders grosse elektrische Polarisierbarkeit linearer Stark Effekt des angeregten Wasserstoffatoms In Atomen mit mehreren Elektronen ist die l displaystyle l nbsp Entartung schon aufgrund der Veranderung der Potentialform durch die abstandsabhangige Abschirmung der Kernladung durch die anderen Elektronen aufgebrochen was fur den Aufbau des Periodensystems der Elemente von grosser Bedeutung ist Die l displaystyle l nbsp Entartung gilt jedoch in guter Naherung immer wenn ein Elektron sich in grossem Abstand von allen anderen befindet also in einem Rydberg Zustand Weitere Effekte Spin Relativitatstheorie ergeben eine geringfugige Aufhebung der l displaystyle l nbsp Entartung auch schon im H Atom Weitere Entwicklung Bearbeiten nbsp Aufspaltungen der Energieniveaus des WasserstoffatomsDie Schrodinger Gleichung gibt eine in erster Naherung ausgezeichnete Beschreibung des Wasserstoffatoms Sie vernachlassigt allerdings einige Sachverhalte die experimentell nachweisbar sind und im Rahmen einer relativistischen Behandlung streng formal hergeleitet werden konnen Einige dieser Korrekturen konnen durch Modifikation der nichtrelativistischen Gleichung erklart werden Relativistische Effekte Bearbeiten Die Schrodinger Gleichung ist eine nichtrelativistische Gleichung und verwendet den klassischen Ausdruck fur die kinetische Energie Zur korrekten Beschreibung muss man deshalb eine relativistische Gleichung fur die zeitliche Entwicklung verwenden Beim Wasserstoffatom ist der Energieunterschied aber nicht sehr gross daher kann man die Effekte storungstheoretisch im Rahmen der Schrodinger Gleichung behandeln um genauere Werte fur die Energieeigenwerte zu erhalten Spin Bearbeiten Der Spin des Elektrons ist ebenfalls ein nicht klassischer Effekt der sich in der relativistischen Dirac Gleichung verstehen lasst welche fur Fermionen mit Spinwert 1 2 displaystyle tfrac 1 2 nbsp zugeschnitten ist Aufgrund seines Spins besitzt das Elektron ein magnetisches Moment das mit anderen magnetischen Momenten und Magnetfeldern wechselwirken kann Die Wechselwirkung mit dem magnetischen Moment welches das Elektron durch seine Bewegung um den Atomkern erzeugt wird dabei als Spin Bahn Kopplung bezeichnet Dieser und andere Effekte bewirken eine teilweise Aufspaltung der entarteten Energieniveaus die Feinstruktur des Wasserstoffatoms Berucksichtigt man noch die Wechselwirkung von Spin und Bahndrehimpuls mit dem Kernspin ergibt sich eine noch feinere Aufspaltung die sogenannte Hyperfeinstruktur In Anwesenheit von Magnetfeldern beobachtet man aufgrund des Spins des Elektrons den anomalen Zeeman Effekt Quantenfeldtheoretische Effekte Bearbeiten Auch die Beschreibung eines Elektrons mit Hilfe der relativistischen Diracgleichung bei sogenannter minimaler Kopplung an ein elektromagnetisches Feld lasst viele physikalische und mathematische Probleme ungelost Erst relativistische Quantenfeldtheorien konnten alle heute bekannten und messbaren Eigenschaften des Wasserstoffatoms und auch der aller anderen Atome erklaren und prinzipiell aus Naturkonstanten und Elementarteilcheneigenschaften berechenbar machen Die QFT sind Vielteilchentheorien in denen mittels zweiter Quantisierung alle Krafte durch Wechselwirkungsteilchen erklart werden wodurch neue Effekte wie die Vakuumfluktuationen beschrieben werden Diese bedingen zum Beispiel die Lamb Verschiebung engl lamb shift der Energieniveaus was erstmals im Lamb Retherford Experiment nachgewiesen wurde sowie Korrekturen am gyromagnetischen Faktor Auch die spontane Emission von Photonen aus angeregten Zustanden des Atoms konnte samt der Ubergangswahrscheinlichkeiten erst mit Hilfe der Quantenelektrodynamik richtig erklart werden Die Quantenelektrodynamik eine Quantenfeldtheorie in der die Wirkung des elektromagnetischen Feldes letztendlich auf Photonen die Licht Teilchen zuruckgefuhrt wird liefert momentan das genaueste Modell der Elektronenhulle des Wasserstoffatoms Wasserstoff ahnliche Atome BearbeitenDurch die Einbeziehung von Myonen negativ geladenen instabilen Elementarteilchen mit ungefahr 10 der Masse eines Protons konnen kurzlebige Strukturen erstellt werden die sich chemisch wie ein Wasserstoffatom verhalten 11 Da Myonen nur in sekundarer kosmischer Strahlung naturlich vorkommen und ihre Lebensdauer lediglich 2 ms betragt werden solche Atome kunstlich an Teilchenbeschleunigern hergestellt Myonischer Wasserstoff ist ein gebundener Zustand aus einem Proton und einem Myon Da die Masse des Myons uber 200 mal grosser ist als die des Elektrons befindet es sich weit naher am Proton Solche Atome eignen sich zur Untersuchung der Eigenschaften des Protons Myonium besteht aus einem Elektron und einem positiv geladenen Antimyon das die Rolle des Protons also des Atomkerns einnimmt Auf Grund seiner Kernladungszahl von 1 e handelt es sich bei Myonium chemisch um Wasserstoff Wegen der geringen Atommasse von 0 1 u 1 10 von H treten Isotopeneffekte bei chemischen Reaktionen besonders stark in Erscheinung so dass damit Theorien fur Reaktionsmechanismen gut uberpruft werden konnen 11 Ein wasserstoff ahnliches Atom mit einer Masse von 4 1 u entsteht wenn in einem 4He Atom eines der Elektronen durch ein Myon ersetzt wird Auf Grund seiner gegenuber dem Elektron wesentlich hoheren Masse ist das Myon dicht am He Kern lokalisiert und schirmt eine der beiden Elementarladungen des Kerns ab Zusammen bilden He Kern und Myon effektiv einen Kern mit einer Masse von 4 1 u und einer Ladung von 1 e so dass es sich chemisch um Wasserstoff handelt 11 Ein weiteres wasserstoffahnliches Atom ist Positronium Literatur BearbeitenAbraham Pais Inward Bound Of Matter and Forces in the Physical World Clarendon Press Oxford 1986 Jorn Bleck Neuhaus Elementare Teilchen Moderne Physik von den Atomen bis zum Standard Modell Springer Heidelberg 2010 ISBN 978 3 540 85299 5 David J Griffiths Introduction to Quantum Mechanics 2 Auflage Prentice Hall International Upper Saddle River NJ 2004 ISBN 0 13 111892 7 Abschnitt 4 2 setzt sich genauer mit dem Wasserstoffatom auseinander B H Bransden Charles J Joachain Physics of Atoms and Molecules Longman London 1982 ISBN 0 582 44401 2 Hagen Kleinert Path Integrals in Quantum Mechanics Statistics Polymer Physics and Financial Markets 5th Edition 5 Auflage World Scientific Publishing Co Pte Ltd 2009 ISBN 981 4273 55 4 auch online lesbar Weblinks Bearbeiten nbsp Wiktionary Wasserstoffatom Bedeutungserklarungen Wortherkunft Synonyme Ubersetzungen Multimedia Prasentationen zum Wasserstoff AtomAnmerkungen Bearbeiten Der tiefste Energiezustand Grundzustand wird sonst in der Quantenmechanik meistens mit E 0 displaystyle E 0 nbsp bezeichnet Einzelnachweise Bearbeiten Ausfuhrlicher und mit weiteren vorgeschlagenen Modellen in Helge Kragh Before Bohr Theories of atomic structure 1850 1913 RePoSS Research Publications on Science Studies 10 Arhus Department of Science Studies University of Aarhus siehe F Dannemann Die Naturwissenschaften in ihrer Entwicklung und in ihrem Zusammenhange Bd 3 Verlag W Engelmann 1922 S 198 J J Balmer Notiz uber die Spektrallinien des Wasserstoffs Annalen der Physik Bd 25 1885 S 80 87 online bei wiley Bd 261 Heft 5 J J Thomson Phil Mag Bd 44 1897 S 547 J J Thomson Phil Mag Bd 6 1903 S 673 A E Haas Phys Zeitschr Bd 11 1910 S 537 W Pauli Uber das Wasserstoffspektrum vom Standpunkt der neuen Quantenmechanik In Zeitschrift fur Physik 36 Jahrgang 1926 S 336 363 doi 10 1007 BF01450175 Hagen Kleinert Group Dynamics of the Hydrogen Atom In Lectures in Theoretical Physics edited by W E Brittin and A O Barut Gordon and Breach N Y 1968 1968 S 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