Eigenschaften von Atomen und Molekeln PDF
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D'Ans-Lax Taschenbuch für Chemiker und Physiker Bandill Eigenschaften von Atomen und Molekeln Herausgegeben von Professor Dr. Klaus Schäfer und Dr. Claudia ~nowietz Springer-Verlag Berlin Heidelberg GmbH 1970 ISBN 978-3-662-35993-8 ISBN 978-3-662-36823-7 (eBook) DOI 10.1007/978-3-662-36823-7 Das Werk ist urhebettechtlich geschützt. Die dadurch begründeten Rechte, insbesondere die der Übersetzung, des Nachdruckes, der Entnahmevon Abbildungen, der Funksendung, der Wiedergabe auf photomechanischem oder ähnlichem Wege und der Speicherung in Datenverarbeitungsanlagen bleiben auch bei nur auszugsweiser Verwertung, vorbehalten. Bei VervieHältigung für gewerbliche Zwecke ist gemäß §54 UrhG eine Vergütung an den Verlag zu zahlen, deren Höhe mit dem Verlag zu vereinbaren ist. © by Springer-Ve rlag Berlin Heidelberg 1970. Library of Congress Catalog Card Number 64-16887 U:rspriinglich e:rschienen bei Springer-Ve rlag Berlin · Heidelberg 1970 Softcover reprint of the bardeover 1st edition 1970 Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Werk berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, daß solche Namen im Sinne der Warenzeichen-und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von jedel:lllalltl benutzt werden dürften Titel Nr. 1269 Vorwort Gegenüber der letzten Auflage des Taschenbuchs ist der in dem vor liegenden Band enthaltene Teil über die Physik und Chemie der Atome und Molekeln wesentlich erweitert und gänzlich neu geschrieben worden. Der Band wurde in ·6 größere Abschnitte eingeteilt, von denen der erste einen Überblick übet die Atomkerne und ihre wesentlichen Eigenschaften einschließlich der wichtigsten Kernreaktionen gibt. Es folgen dann im zweiten Abschnitt ausführliche Angaben über Atom-und Molekelspektren sowie .über die aus diesen zu gewinnenden molekularen Daten; dabei werden neben den IR und Raman-Spektren auch Mikrowellenspektren, Bandenspektren usw. eingehend erörtert. Weitere auch für makroskopische Eigenschaften direkt bedeutsame Eigenschaften wie die Ionenradien, Ionisierungsspannungen, Wirkungs querschnitte, Polarisierbarkeiten und die Dipolmomente der Atome und Molekeln bilden den wesentlichen Inhalt der Abschnitte 3 und 4, während im Abschnitt 5 zunächst der nach den Statistiken (Boltzmann-Statistik, Bose-Einstein-und Fermi-Dirac-Statistik) maßgebende von der Tempera tur abhängende Zusammenhang zwischen molekularen und direkt beob achteten makroskopischen Eigenschaften behandelt wird. Hier finden sich Tabellen über Molekulargeschwindigkeiten, Stoßintegrale usw. Den Abschluß des Kapitels bildet eine größere Tabelle über kristallographische Gitterstrukturen. Der letzte Abschnitt des Buches (Kapitel 6) bringt eine ausführliche Tabelle der Spektrallinien für analytische Zwecke. Die meisten Tabellen werden durch grundsätzliche Erörterungen ein geleitet, die nicht nur der Benutzung der Einzeltabellen dienen, sondern außerdem kurz an die wichtigsten theoretischen Zusammenhänge erinnern sollen. In allen diesen Abschnitten wurde die Anordnung der Elemente und der anorganischen Verbindungen alphabetisch nach den chemischen Symbolen vorgenommen, während die organischen Verbindungen nach dem Hilisehen System geordnet sind. Für die Atomspektren ist eine an dere Anordnung gewählt, deren Zurückführung auf die normale Anordnung durch das Schema auf Seite 666 erleichtert wird. Für die neu berechneten Tabellen der Stoßintegrale und der Virial koeffizienten als Funktionen der zwischenmolekularen Kräfte sind wir den Herren Dr. B. SCHRAMM und Dr. R. LICHTENTHALER zu Dank ver pflichtet. Heidelberg, Mai 1970 Die Herausgeber Inhaltsverzeichnis 1. Grundkonstanten und Kerneigenschaften 1 1. Grundkonstanten des Atomismus 12. Elementarteilchen . . . . . . . 3 121. Einleitung . . . . . . . . 3 122. Elementarteilchentabelle I (langlebige "stabile" Partikel) 4 123. Elementarteilchentabelle II (Auswahl sehr kurzlebiger an- geregter Partikelzustände) . . . . . . . . . . . . . . 6 13. Isotopengewichte, Massendefekte, Packungsanteil und Kern- eigenschaften . . . . . . . . . . . . . 8 14. Natürliche und künstliche Radioaktivität. 19 141. Zerfallsreihen . . . . . . . . . . . 19 142. Kernreaktionen . . . . . . . . . . 25 15. Kernmagnetische Resonanz und chemische Verschiebung . 76 2. Periodensysteme und Spektren . . . . . . . . . 89 21. Periodensysteme und Grundterme . . . . . . 89 211. Periodensysteme und Nullpunktsvolumina 89 212. Grundterme und Verteilung der Elektronen der Atome 93 22. Spektren . . . . . . . . . . . . . 95 221. Röntgenspektren . . . . . . . . . . . . . . . 95 222. Absorption von Röntgenstrahlen. . . . . . . . . 100 223. Streukoeffizient . . . . . . . . . . . . . . . . 104 224. Atomterme, Atomspel,ttren und Oszillatorenstärken 105 225. Termschemata . . . . . . . . . . . . . . . . 167 226. Infrarot-und Ramanspektren . . . . . . . . . . 181 2261. Eigenschwingungen (auch Trägheitsmomente, Kern abstände und Kraftkonstanten) ausgewählter Mole- kein aus Raman-und Ultrarotspektren ...... 187 2262. Ausgewählte Linien des Raman- und IR-Spektrums einfacher Molekeln 216 227. Mikrowellenspektren . . . . . . . . . . . . . . . . . 221 228. Molekülspektren . . . . . . . . . . . . . . . . . . 226 2281. Aus Bandenspektren ermittelte Molekülzustände 1Hld deren Schwingungen . . . . . . . · . . . . . . . 232 2282. Aus Bandenspek=trIe n ermittelte Grundschwingungs- wellenzahlen w, in cm-1 und Kernabstände rein A von zweiatomigen Molekülen . . . . . . . . . . . 238 229. Fluorescenz und Photochemie. Fluorescenz von Molekülen. 240 2291. Fluorescenz von zweiatomigen Molekülen . . . . 240 2292. Fluorescenz mehratomiger anorganischer Moleküle 241 2293. Fluorescenz organischer Moleküle . 242 2294. Chemiluminescenz . . . . . . . . . . . . . . 24 5 VIII Inhaltsverzeichnis J. Größe und elektronischer Aufbau von Atomen,, Ionen und Molekeln 246 31. Ionisierungsspannungen und Elektronenaffinitäten. . . 246 311. Ionisierungsspannungen von Atomen und Molekeln 246 312. Elektronenaffinitäten . . . . . . . . . . . . . 251 313. Eingeprägte Spannungen (Elektromotorische Kräfte) von reversiblen galvanischen Elementen in wässerigen Lösungen 252 3131. Standardpotentiale (bei 25°C) . . . . . . . . . 252 314. Leitfähigkeit von Ionen (für c~o) in wässeriger Lösung .. 257 32. Ionenradien 258 321. Ionenradien, Elektronenaustrittspotential tp und langwellige Grenze Ä • • • • • • • • • • • • • • • • • • 258 322. Bandabstand und Beweglichkeit von Halbleitern 260 33. Atomfaktoren und Wirkungsquerschnitte in Gasen . 260 331. Atomfaktoren. . . . . . . . . . . . . 260 332. Wirkungsquerschnitte in Gasen . . . . . 261 34. Kernabstände und Valenzwinkel in Molekülen . 268 4. Elektrische und optische Konstanten 292 41. Polarisierbarkeiten . . . . . . 292 41 1. Depolarisationsgrad . . . . 299 41 t t. Einzelwerte anorg. Verbindungen und Elemente 299 42. Dipolmomente . . . . . . . . . . . . . . . . . . 301 421. Relaxationszeit von Dipolmolekülen in Flüssigkeiten 356 43. Konstanten. . . . . . . 361 431. Kerr-Konstanten . . 361 432. Cotton-Mouton-Effekt 363 · 433. Faraday-Effekt . . . 365 5. Zusammenhang der molekularen Eigenschaften mit makroskopi schen Phänomenen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 70 51. Mechanik molekularer Teilchen und Quantenstatistik. . . . . 370 51 t. Zwischenmolekulare Kräfte und Abweichung vom idealen Gasgesetz . . . . . . . . . . . . . . . . . . 380 52. Kinetische Gastheorie . . . . . . . . . . . . . . . 400 521. Molekulargeschwindigkeiten in mfsec nach den Gln. (3), (5), (6) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 402 522. Prozentsatz der Gasmolekeln mit Molekulargeschwindig- keiten > W min • . • • 404 523. Transportphänomene 404 524. Stoßintegrale für m = 6. . . . . 408 525. Stoßintegrale für m = 7. . . . . 409 53. Kristallographische Gitterstrukturen . 410 531. Übersichtstabelle Raumgruppensymbole 410 532. Anorganische Verbindungen. . . . . . 417 5321. Gitterenergien und Madelungsche Zahlen 496 533. Organische Verbindungen . . . . . . . . 498 6. Verzeichnis der Spektrallinien für analytische Zwecke 527 Atomspektren-Übersicht (Seitenzahlen) 666 Sachregister . . . . . . . . . . . . 667 1. Grundkonstanten und Kerneigenschaften 11. Grundkonstanten des Atomismus Kurzzeichen oder Zahlenwerte Definitionsgleichung Atommasseneinheit, u 1,66043 ·10-24 g relative, der Atom massenskala 12C = 12 Avogadrosche Kon- NA 6,02252·1()23 mol-1 stante (Zahl der Moleküle im Mol) a:-Teilchen: Ruhmasse m01 6, 6442. 10-24 g 4,0015 u Ruhenergie m".cB 3,7273·10SMeV 5.9715·10-3 erg 1,4263 · w-10 caiiT 2e Spezifische Ladung 4,8227 ·104 Cg-1 m". e.k 9,273 ·10-24 Am2 Bohrsches Magneton PB= 4:nm, 9,273 ·10-21 ergfüersted k2 Bohrscher Wasser- ao stoffradius 4:n1m.e1 Boltzmannsche Entro- k= Ro 1, 380 54 ·10-16 erggrd-1 piekonstante NA 3,29736 · 1o -24 caliTgrd-1 Campton-Wellenlänge k 2,4262 · 1o -to cm Äce=-- des Elektrons meCo k des Protons Äcp=-- 1,3214 ·10-13 cm mpc0 Deuteron: Ruhemasse md 3.3433 ·10-24 g 2,0135 u Ruhenergie mdc~ 1,87 563 ·t.OS MeV 3,0048 ·10-3 erg 7, 1 768 · 1o -11 caiiT Spezifische Ladung 4, 7920 · 1Q 4 Cg-1 1 Chemiker-Taschenbuch, Bd. 3 3-2 11. Grundkonstanten des Atomismus Kurzzeichen oder Zahlenwerte Definitionsgleichung Elektrische Elementar- e 1,60203 ·10-19 c ladung 4,8030 10-10 (cgs) s Elektron: Radius klass. 'Ye 2,8178·10-13 cm Ruhmasse me 9,10891 · 10-28 g 0, 54860. 10-3 u Ruhenergie m.,c~ 0,51101 MeV 8,1866 ·10-7 erg 1,9553 ·10-14 caliT e Spezifische Ladung 1, 7 589 ·10' Cg-1 me Energieäquivalent 1 g 5,60986·1026 MeV der Masse 8,987 55 ·1020 erg 2,14664 ·1ol3 caliT Gravitationskonstante G 6,670·1o-8 cm3g-1s-2 k·e Kernmagneton JlN=--=Jls·me/mp 5,0504 ·10-27 Am2 4:n:mp 5,0504 ·10-24 ergfüersted Kryptonlinie 86Kr(5d5~2P10) 6057,8021 ·10-3 cm Lichtgeschwindigkeit Co 2,99793 ·1010 cms-1 im Vakuum NA Loschmidtsche Kon- 2,68699·1019 cm-3 Vo stante (Zahl der Moleküle in cm3) Neutron: Ruhmasse m,. 1,67481 ·1o-24 g 1,0086 u Ruhenergie m,.·c2 9.3954·1o2 MeV 1,50525 ·10-3 erg 3.59521·10-11 caliT Plancksches Wirkungs- k 6,6256·10-27 erg s quantum 4,13557 ·10-15 eVs Proton: Ruhmasse mp 1,67252·10-24 g 1,00728 u Ruhenergie mp·c~ 9,3826·102 MeV 1,50319·10-3 erg 3.59030·10-11 caliT e Spezifische Ladung 9,5794·1ü4 Cg-1 mp mp Ruhmasse Proton 1836,1 zu Ruhmasse me Elektron Gyromagnetisches 'Yp 2,6752·10' Am2/Js Verhältnis 121. Einleitung 3-3 Kurzzeichen oder Zahlenwerte Definitionsgleichung Quantenmechanische 1i =_!!__ 1,0544·10-21 erg·s Einheit des Dreh- 2n 6,5818·10-18 eVs impulses Rydberg-Konstante für Wasserstoff RH 1,0967757 ·1o5 cm-1 für oo große Kern- Roo 1,097373 ·1o5 cm-1 masse Sommerfeldsehe Fein- cx 7, 2972o · 1o -a strukturkonstante 1/cx 137,039 12. Elementarteilchen 121. Einleitung Die Vorstellung, die sog. Elementarteilchen als Zustände (Energie zustände) mehr oder weniger großer Stabilität zu betrachten, aus denen sich dann die schwereren Atome zusammensetzen, ist z. Z. noch nicht vollständig durchführbar. Man versucht jedoch lnit Erfolg, die Energie werte der verschiedenen Elementarpartikel ähnlich wie in der Optik zu Singletts, Dubletts, Tripletts usw. zusammenzufassen, die sich nur gering fügig in ihrer Energie ( = mc2) unterscheiden. Bei diesem Vorgehen spielen für die Kernphysik charakteristische Quantenzahlen eine Rolle, die lnit gewissen Symmetrieoperationen zusammenllängen; im einfachsten Fall sind dies Drehoperationen, welche zu Drehimpulsquantenzahlen ähnlich wie in der Atomhülle führen. Weitere Quantenzalllen sind neben dem normalen Kernspin, der dem Elektrone~ analog ist: Der sog. Isospin I mit seiner Komponente I •. Ebenso wie beim Drehimpuls und dem normalen Spin hat nur eine Kompanentente physikalische Bedeutung. Die Komponente I• besitzt z.B. für Neutron (n) und Proton (p) die Werte - 1/2 und +1/2, für die Antiteilchen (ii) und (p) die Werte +1/2 und d-u1b{l8e•t tP).r oEtoinn Munudlt iNpleeutttr obnes tbeihldt ejne wdeainlsa cahu se i(n2 Il s+o s1p) inKdoumblpeottn e(nktuernz. IDsoie Pionen, welche offenbar ein Triplett :rc+, n° und 1r bilden, haben demnach den Isospin 1 usw. Bei einem zusammengesetzten Atomkern mit N-Neutronen und Z-Protonen gilt für die resultierende Isospinkomponente (1) Die Baryonenzahl B. Diese hat für die schweren Elementarteilchen, welche der Fermi-Dirac-Statistik genügen (s. Tabelle 51) den Wert+ 1, für die Antiteilchen den Wert -1 und für die Mesonen, welche der Bose-Ein stein-Statistik genügen, den Wert o. Daneben wird auch noch eine Lep- i•
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