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Inhaltsverzeichnis $ 1 Geschichtliche Einleitung. Das elementare Wirkungsquantum . . 5 2 Einige Anwendungen des elementaren Wirkungsquantums. Die spezifischen Warmen ................... $ 3 Der lichtelektrische Effekt und die duale Natur des Lichtes . . 3 4 Das Bohrsclie Atommodell. Seine Erfolge und seine Cnzulanglichkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 5 Die duale Katur des Elektrons. Die de Broglieschen Materiewellen. ......................... $ 6 Die wellenmasige Darstellung mechanischer Vorgange. Die Schrodinger-Gleichung. Die Quantenzahlen ............ $ 7 Die Unscharferelation von Heisenberg . ........... 3 8 Die Raumverteilung der Elektronenladung bei den verschiedenen Atomzustanden . ..................... 3 9 Die kovalente Bindung. Das H,-Molekul . . . . . . . . . . . $ 10 Das Paulische Ausschliesungsprinzip . . . . . . . . . . . . $ 11 Die Anschauungen uber die chemische Bindung bis zu den Anfangen der Quantenmechanik ............... 5 12 Mesomerie. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 13 Die Methoden der Valenzstrukturen (v.b.) und der molecular orbitals (MO). ...................... $ 14 Resonanz, Konplanaritat und sterische Hinderung . . . . . . 5 15 Hybridisierung ...................... $16 Bindungsgrad und Atomabstande . . . . . . . . . . . . . . # 17 Dipolmoment und Konstitution . . . . . . . . . . . . . . $ 18 Molekularrefraktion, magnetische Suszeptibilitat und chemische Bindung. ........................ 5 19 Einflus von Elektronenverschiebungen auf die Lage von chemischen Gleichgewichten. .................. # 20 Farbe, chemische Konstitution und Mesomerie ........ 5 21 Die chemische Reaktivitat vom Standpunkt der Elektronentheorie ......................... $ 22 Magnetische Kernresonanz und chemische Konstitution .... Namen- und Sachverzeichnis .................. 190 1 Geschichtliche Einleitung. Das elementare Wirkungsquantum Die Art, wie die geistigen Errungenschaften entstehen und sich verbreiten, gleicht in vielem dem Aufkeimen von Samen. Lange Zeit fmden latent, gewissermasen im Schutze der Dunkelheit, kaum wahrnehmbare Veranderungen statt. Wenn dann ein gewisses energetisches Mas er<strong>full</strong>t ist, kommen in Zeitspannen, welche in keinem Verhaltnis zu den langen Vorbereitungszeiten stehen, neue Tatsachen oder Verknupfungen von scheinbar nicht zusammenhangenden Erscheinungen zum Vorschein, welche einen Wendepunkt in der geschichtlichen Entwicklung der Menschheit darstellen. Es folgen Zeiten des Ausbaues und der Ruhe, bis durch das Aufkeimen neuer Gedanken die Entwicklung wieder neue Impulse erfahrt. Diese sprunghafte Entfaltung beobachtet man nicht nur zu Beginn groser Epochen, sondern auch in kleinem Ausmas innerhalb der einzelnen wissenschaftlichen Disziplinen, mit dem besonderen Merkmal, das der Rhythmus im Wechsel von Ruhe und Fortschritt in neuerer Zeit immer rascher wird. Im gegenwartigen Zeitpunkt erleben wir das Eindringen von physikalischen Vorstellungen, die in der Quantenmechanik ihren Ursprung haben, in das von einzelnen Beobachtungen und Erscheinungen ubervolle Gebaude der organischen Chemie. Sie versuchen einen ordnenden und deutenden Uberblick zu verschaffen. Bevor wir uns damit befassen, mussen wir einleitend einige physikalische Begriffe und Theorien besprechen. Einen Markstein in der Geschichte der Naturwissenschaften stellt auch die Entdeckung des universellen Wirkungsquantums durch MAX PLANCK im Jahre 1900 dar. Sie ist der Erkenntnis der diskontinuierlichen Struktur der Materie, der intuitivenEntdeckung der Atome durch DEMOKRIT und LEUKIPPOS (480 und 450 a. C.) an die Seite zu stellen, obwohl die Deutung seiner Existenz nur bedingt die Unteilbarkeit der Energie besagt. Was namlich universell unteilbar ist, ist die Wirkung, d. h. das Produkt aus Energie und Zeit, Ksragonnis, Elektronentheorie 1
2 8 1 Geschichtliche Einleitung Das elementare Wirkungsquantum 3 etwas, was kaum anschaulich vorgestellt werden kann. Das elementare Wirkungsquantum h = 6,625 . 10-27 erg . sec. ergab sich als notwendige und zugleich einzig mogliche Annahme, welche gemacht werden muste, um die Strahlungsgesetze so darzustellen, das Theorie und Erfahrung ubereinstimmen. Wahrend man bis dahin als etwas Selbstverstandliches die stillschweigende Annahme machte, das bei den Strahlungsvorgangen Aufnahme bzw. Abgabe von Energie in beliebig kleinen Mengen geschieht, eine Annahme, welche aus der makroskopischen Erfahrung stammt, muste man jetzt mit MAX PLANCK diese Kontinuitat aufgeben und eine kleinste Wirkung h = 6,625 . 10-27 erg ..sec postulieren, die bei allen noch so verschiedenartigen Vorgangen nicht unterschritten werden kann. Das Wirkungsquantum kann nicht geteilt werden, so das die Wirkung eines jeden beliebigen Vorganges aus einem ganzzahligen Vielfachen dieser elementaren Wirkungsgrose zusammengesetzt sein mus. Ist aber die Frequenz V eines Schwingungsvorganges festgelegt, so resultieren daraus ganze Energiequanten hv, welche dann fur diesen Vorgang nicht geteilt werden konnen. Die Energie eines linearen har- monischen Oscillators beispielsweise wird durch den Ausdruck E = nhv dargestellt, wobei n die Werte 0, 1, 2, 3.. . , also ganze Zahlen annehmen darf. Sofern die Frequenz v festgelegt ist, werden diskrete Energiequanta hv aufgenommen bzw. abgegeben, und niemals Energiewerte, die zwischen diesen Quanten liegen. Die Grose der Energiequanten aber ist nicht universell konstant, sondern genau proportional der Schwingungsfrequenz V. Denn es last sich ein anderer Oscillator finden, welcher mit einer anderen Frequenz V' schwingt, so das er Energiequanten hv' von etwas verschiedener Grose ausstrahlt bzw. absorbiert. Fur den Gesamtbereich aller Schwingungsvorgange existiert folglich eine kontinuierliche Reihe von Energiewerten. Was diskontinuierlich sich andert, und fur alle Vorgange universellgleich ist, ist, wie erwahnt, die Wirkung. Sie wird zahlenmasig durch das Wirkungsquantum h ausgedruckt. Diese grundlegende Annahme bedingt bei der Ausstrahlung des schwarzen Korpers einen ganz anderen funktionellen Zusammenhang zwischen ausgestrahlter Energie E2 T und Wellenlange A bzw. Temperatur T, verglichen mit der fruheren kontinuierlichen Auffassung. Wahrend im klassischen Bild dieser Zusammenhang quantitativ durch die Formel zum Ausdruck kam (C = Lichtgeschwindigkeit, k = Bolzmannsche Konstante), wonach die fur eine bestimmte Wellenlange A und Temperatur T ausgestrahlte Energie Ea T proportional der Temperatur und umgekehrt proportional der vierten Potenz der Wellenlange auftritt (I), ist der Zusammenhang, nach Einfuhrung des elementaren Wirkungsquantums, ein viel komplizierterer, wie die Plancksche Strahlungsformel (2) zeigt. Formel (1) last die Energie fur immer kleinerwerdende Wellenlange ins Unendliche wachsen (gestrichelte Kurve Abb. I), was derErfahrung widerspricht. Dagegen durchlaufen die Kurven nach der Planck- E- schen Formel (2) ein Maxi- mum, das fur jede Temperatur eine bestimmte Lage hat, die umso mehr bei kurzen Wellenlangen liegt, je hoher die Temperatur ist. Das ist das tatsachliche Verhalten des schwarzen Korpers bei der Warmestrahlung. Der Vergleich und die Diskussion der Formeln (1) und (2)last den Unterschied zwischen der klassischen und der quantentheoretisehen Auffassung des Mechanismus des Strahlungs- Vorganges deutlich hervortreten. In Formel (1) steckt das sogenannte Aquiparti- t 0 7 2 3 # 5 6 We//en//onge A i p Abb. 1. Strahlung des schwarzen Korpers tionsprinzip, wonach eine dem System von Oscillatoren zugefuhrte Energiemenge unter diesen und deren Freiheitsgraden zu gleichen Kmagounis, Elektronentheorie l*
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