Spektren, Energieniveaus und Atommodelle
Früher leuchteten viele Straßenlaternen in Nordrhein-Westfalen gelb. In ihnen strahlte Natriumdampf, und im Spektrum dieser Lampen fällt fast nur eine einzige gelbe Linie auf. Warum sendet ein leuchtendes Gas nur ganz bestimmte Farben aus, und was sagt uns das über den Bau der Atomhülle? Am Ende der Seite beantworten wir die Frage.
Kontinuierliche Spektren, Linienspektren und Fraunhofer'sche Linien
Ein glühender Draht, eine Glühlampe oder die Sonnenoberfläche senden ein kontinuierliches Spektrum aus: Alle Farben gehen lückenlos ineinander über. Ein dünnes, leuchtendes Gas (Natriumdampflampe, Neonröhre, Wasserstofflampe) zeigt dagegen ein Linienspektrum mit einzelnen, scharfen Linien. Das nennt man auch Emissionsspektrum.
Schickt man weißes Licht durch ein kaltes Gas, fehlen im Spektrum genau die Farben, die das Gas selbst aussenden würde. Man sieht dunkle Linien auf hellem Grund: das Absorptionsspektrum.
Die dunklen Linien im Sonnenlicht entdeckte Joseph von Fraunhofer in München (Fraunhofer'sche Linien). Gustav Kirchhoff und Robert Bunsen erklärten sie in Heidelberg: Die kühleren Gase der Sonnenatmosphäre absorbieren aus dem kontinuierlichen Licht der Sonnenoberfläche genau ihre eigenen Linien. Aus den Wellenlängen kann man mithilfe einer Spektraltafel schließen, welche Stoffe vorhanden sind. Das ist die Spektralanalyse. Auch die Flammenfärbung (zum Beispiel beim Silvesterfeuerwerk) beruht darauf: Jedes Element hat seine charakteristischen Linien.
Joseph von Fraunhofer entdeckte im Sonnenspektrum dunkle Linien. Gustav Kirchhoff und Robert Bunsen erklärten sie später in Heidelberg mit der Spektralanalyse. Eine…
Joseph von Fraunhofer entdeckte im Sonnenspektrum dunkle Linien. Gustav Kirchhoff und Robert Bunsen erklärten sie später in Heidelberg mit der Spektralanalyse. Eine Spektraltafel gibt für einige Stoffe die Wellenlängen ihrer Linien an:
| Stoff | Wellenlängen in nm |
|---|---|
| Wasserstoff | 486,1; 656,3 |
| Natrium | 589,0 |
| Calcium | 393,4 |
| Eisen | 527,0 |
| Sauerstoff (Moleküle) | 687; 760 |
Im Sonnenspektrum werden dunkle Linien bei folgenden Wellenlängen gemessen: $393\,\mathrm{nm}$, $486\,\mathrm{nm}$, $527\,\mathrm{nm}$, $589\,\mathrm{nm}$, $656\,\mathrm{nm}$, $687\,\mathrm{nm}$ und $760\,\mathrm{nm}$. Die Linien bei $687\,\mathrm{nm}$ und $760\,\mathrm{nm}$ werden bei tiefem Sonnenstand stärker.
- a) Erklären Sie die Entstehung der dunklen Linien im Sonnenspektrum.
- b) Ordnen Sie den Linien anhand der Spektraltafel Stoffe zu und begründen Sie Ihre Zuordnung.
- c) Begründen Sie, dass die Linien bei $687\,\mathrm{nm}$ und $760\,\mathrm{nm}$ vermutlich in der Erdatmosphäre entstehen.
Photonenenergie in J und eV
Licht der Frequenz $f$ besteht aus Photonen (Lichtquanten) mit der Energie
$$E = h \cdot f = \frac{h \cdot c}{\lambda}$$mit dem Planck'schen Wirkungsquantum $h = 6{,}626 \cdot 10^{-34}\,\mathrm{Js}$ und der Lichtgeschwindigkeit $c = 3{,}00 \cdot 10^{8}\,\mathrm{\tfrac{m}{s}}$. Je kürzer die Wellenlänge, desto energiereicher das Photon.
In der Atomphysik rechnet man meist in Elektronvolt: $1\,\mathrm{eV} = 1{,}602 \cdot 10^{-19}\,\mathrm{J}$. Praktisch ist der Zahlenwert
$$h \cdot c \approx 1240\,\mathrm{eV \cdot nm}$$Damit gilt $E\,[\mathrm{eV}] \approx \dfrac{1240}{\lambda\,[\mathrm{nm}]}$.
Natriumdampflampen wurden früher häufig als Straßenlaternen eingesetzt. Ihr Licht ist gelb. Im Spektrum fällt vor allem eine Linie der Wellenlänge…
Natriumdampflampen wurden früher häufig als Straßenlaternen eingesetzt. Ihr Licht ist gelb. Im Spektrum fällt vor allem eine Linie der Wellenlänge $\lambda = 589\,\mathrm{nm}$ auf.
- a) Erklären Sie, weshalb ein leuchtendes Gas wie Natriumdampf ein Linienspektrum und kein kontinuierliches Spektrum aussendet.
- b) Berechnen Sie Frequenz und Energie der Photonen dieser Linie in $\mathrm{J}$ und in $\mathrm{eV}$.
- c) Beschreiben Sie den Unterschied zwischen einem Emissionsspektrum und einem Absorptionsspektrum desselben Gases.
Energieniveaus des Wasserstoffatoms
Warum gibt es nur Linien? Wenn ein Atom Licht nur bei bestimmten Wellenlängen aussendet, dann kann es auch nur bestimmte Energiebeträge abgeben. Also kann die Atomhülle nur diskrete Energiewerte annehmen. Die Energieniveaus sind wie Stufen einer Treppe: Zwischen den Stufen gibt es keinen erlaubten Zustand.
Für das Wasserstoffatom gilt (die Formel wird hier nur benutzt, nicht hergeleitet):
$$E_n = -\frac{13{,}6\,\mathrm{eV}}{n^2}, \qquad n = 1, 2, 3, \dots$$$n$ heißt Hauptquantenzahl. Die Energie ist negativ, weil das Elektron gebunden ist. Der Nullpunkt $E = 0$ gehört zum freien, ruhenden Elektron.
Wichtige Begriffe:
-
Grundzustand: $n = 1$, tiefstes Niveau, $E_1 = -13{,}6\,\mathrm{eV}$.
-
Angeregte Zustände: $n = 2, 3, \dots$
-
Ionisierungsenergie: Energie, die man dem Elektron im Grundzustand mindestens zuführen muss, um es vom Atom zu lösen ($n \to \infty$): $13{,}6\,\mathrm{eV}$. Aus dem Zustand $n = 2$ braucht man nur noch $3{,}40\,\mathrm{eV}$.
Die Energiewerte des Wasserstoffatoms werden durch $E_n = -\dfrac{13{,}6\,\mathrm{eV}}{n^2}$ mit der Hauptquantenzahl $n = 1, 2, 3, \dots$ beschrieben. a) Berechnen Sie…
Die Energiewerte des Wasserstoffatoms werden durch $E_n = -\dfrac{13{,}6\,\mathrm{eV}}{n^2}$ mit der Hauptquantenzahl $n = 1, 2, 3, \dots$ beschrieben.
- a) Berechnen Sie die Energien $E_1$, $E_2$ und $E_3$ und zeichnen Sie ein Energieniveauschema mit diesen drei Niveaus.
- b) Geben Sie an, welche Energie mindestens nötig ist, um ein Wasserstoffatom im Grundzustand zu ionisieren.
- c) Berechnen Sie die Energie und die Wellenlänge des Photons, das beim Übergang von $n = 3$ nach $n = 2$ emittiert wird.
Übergänge: Emission, Absorption und Ionisation
Wechselt ein Elektron von einem Niveau zu einem anderen, wird die Energiedifferenz als Photon abgegeben (Emission) oder aufgenommen (Absorption):
$$E_\mathrm{Photon} = |E_m - E_n| = h \cdot f = \frac{h \cdot c}{\lambda}$$-
Emission: vom höheren zum tieferen Niveau, ein Photon wird ausgesandt.
-
Absorption: vom tieferen zum höheren Niveau, es wird nur ein Photon absorbiert, dessen Energie genau zur Niveaudifferenz passt.
-
Ionisation: Ist die Photonenenergie größer als die Ionisierungsenergie, wird das Atom ionisiert. Der Überschuss steckt in der kinetischen Energie des Elektrons: $E_\mathrm{kin} = E_\mathrm{Photon} - E_\mathrm{Ion}$.
Alle Übergänge in das Niveau $n = 2$ bilden die Balmer-Serie (sichtbarer Bereich), die in $n = 1$ die Lyman-Serie (UV). Die Serien sind nur Beispiele, auswendig lernen musst du sie nicht.
Wasserstoffatome im Grundzustand werden mit monochromatischen Photonen bestrahlt. Es werden vier Versuche mit den Photonenenergien $10{,}2\,\mathrm{eV}$,…
Wasserstoffatome im Grundzustand werden mit monochromatischen Photonen bestrahlt. Es werden vier Versuche mit den Photonenenergien $10{,}2\,\mathrm{eV}$, $11{,}0\,\mathrm{eV}$, $12{,}09\,\mathrm{eV}$ und $15{,}0\,\mathrm{eV}$ durchgeführt. Für das Wasserstoffatom gilt $E_n = -\dfrac{13{,}6\,\mathrm{eV}}{n^2}$.
- a) Entscheiden Sie für jeden der vier Versuche begründet, ob die Photonen absorbiert werden können.
- b) Bestimmen Sie für das Photon mit $15{,}0\,\mathrm{eV}$ die kinetische Energie des freigesetzten Elektrons.
- c) Ein Atom wurde durch das Photon mit $12{,}09\,\mathrm{eV}$ angeregt. Geben Sie alle Wellenlängen an, die bei der Rückkehr in den Grundzustand emittiert werden können, und begründen Sie, welche davon im sichtbaren Bereich liegen.
In einer Wasserstofflampe werden im sichtbaren Bereich die folgenden Linien der Balmer-Serie gemessen: | Linie | Wellenlänge in nm | |---|---| | 1 | 656 | | 2 | 486 | |…
In einer Wasserstofflampe werden im sichtbaren Bereich die folgenden Linien der Balmer-Serie gemessen:
| Linie | Wellenlänge in nm |
|---|---|
| 1 | 656 |
| 2 | 486 |
| 3 | 434 |
Alle drei Linien entstehen bei Übergängen in das Niveau $n = 2$.
- a) Berechnen Sie die Photonenenergien der drei Linien in $\mathrm{eV}$.
- b) Bestimmen Sie mithilfe von $E_n = -\dfrac{13{,}6\,\mathrm{eV}}{n^2}$ für jede Linie die Hauptquantenzahl $n$ des Ausgangsniveaus.
- c) Berechnen Sie die kürzeste Wellenlänge, die bei Übergängen in das Niveau $n = 2$ auftreten kann (Seriengrenze).
Wasserstoffatome befinden sich im ersten angeregten Zustand ($n = 2$). Sie werden mit ultraviolettem Licht der Wellenlänge $\lambda = 300\,\mathrm{nm}$ bestrahlt. Es…
Wasserstoffatome befinden sich im ersten angeregten Zustand ($n = 2$). Sie werden mit ultraviolettem Licht der Wellenlänge $\lambda = 300\,\mathrm{nm}$ bestrahlt. Es gilt $E_n = -\dfrac{13{,}6\,\mathrm{eV}}{n^2}$.
- a) Zeigen Sie, dass ein Photon dieser Wellenlänge ein Wasserstoffatom im Zustand $n = 2$ ionisieren kann, ein Wasserstoffatom im Grundzustand ($n = 1$) dagegen weder ionisieren noch anregen kann.
- b) Berechnen Sie die kinetische Energie und die Geschwindigkeit des freigesetzten Elektrons beim Ionisieren aus dem Zustand $n = 2$.
- c) Im Sonnenspektrum sind die Balmer-Linien des Wasserstoffs zu sehen, obwohl sich in der kühleren Sonnenatmosphäre die meisten Wasserstoffatome im Grundzustand befinden. Erklären Sie, weshalb für diese Linien dennoch Atome im Zustand $n = 2$ nötig sind und wie diese entstehen können.
- d) Begründen Sie, weshalb die Absorptionslinien des Wasserstoffs aus dem Grundzustand im Sonnenspektrum bei einer Messung auf der Erdoberfläche nicht beobachtet werden.
Der Franck-Hertz-Versuch
Linienspektren deuten auf diskrete Niveaus hin. James Franck und Gustav Hertz zeigten 1914 in Berlin (später arbeitete Franck in Göttingen), dass die Niveaus auch beim Stoß mit Elektronen auftreten. In einer Röhre mit Quecksilberdampf beschleunigt eine Spannung $U_\mathrm{B}$ Elektronen. Ein kleines Gegenfeld vor der Auffangelektrode lässt nur Elektronen mit genügend Restenergie durch.
Beobachtung: Der Strom $I_\mathrm{A}$ steigt mit $U_\mathrm{B}$ an und bricht dann bei $4{,}9\,\mathrm{V}$ ein, danach wieder bei $9{,}8\,\mathrm{V}$, $14{,}7\,\mathrm{V}$ usw.
Deutung:
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Ein Elektron hat nach dem Durchlaufen von $U_\mathrm{B}$ die kinetische Energie $e \cdot U_\mathrm{B}$. Bei $4{,}9\,\mathrm{V}$ sind das $4{,}9\,\mathrm{eV}$.
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Bis dahin stoßen die Elektronen nur elastisch (fast ohne Energieverlust).
-
Bei $4{,}9\,\mathrm{eV}$ können sie ein Hg-Atom unelastisch anregen und geben dabei genau $4{,}9\,\mathrm{eV}$ ab. Sie kommen nicht mehr gegen das Gegenfeld an, der Strom bricht ein.
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Bei $9{,}8\,\mathrm{V}$ regen sie zweimal an: einmal nach etwa $4{,}9\,\mathrm{V}$ Beschleunigung (bei etwa halber Strecke), danach werden sie erneut beschleunigt und regen ein zweites Mal an. Daher der Abstand von $4{,}9\,\mathrm{V}$ zwischen den Einbrüchen.
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Die angeregten Hg-Atome senden $4{,}9\,\mathrm{eV}$-Photonen aus, das entspricht $\lambda \approx 253\,\mathrm{nm}$ (UV). Diese Linie findet man im Hg-Spektrum.
Beim Franck-Hertz-Versuch in Göttingen werden Elektronen in einer mit Quecksilberdampf gefüllten Röhre durch die Spannung $U_\mathrm{B}$ beschleunigt. Gemessen wird der…
Beim Franck-Hertz-Versuch in Göttingen werden Elektronen in einer mit Quecksilberdampf gefüllten Röhre durch die Spannung $U_\mathrm{B}$ beschleunigt. Gemessen wird der Strom $I_\mathrm{A}$ der Elektronen, die eine Gegenelektrode erreichen. Die Kennlinie $I_\mathrm{A}(U_\mathrm{B})$ steigt zunächst an. Der Strom bricht deutlich ein bei den Beschleunigungsspannungen $4{,}9\,\mathrm{V}$, $9{,}8\,\mathrm{V}$ und $14{,}7\,\mathrm{V}$. Zwischen diesen Spannungen steigt der Strom jeweils wieder an. Der Strom sinkt bei den Einbrüchen nicht auf null.
- a) Interpretieren Sie die Lage der Stromeinbrüche mithilfe diskreter Energieniveaus der Quecksilberatome.
- b) Erklären Sie, weshalb bei $9{,}8\,\mathrm{V}$ ein zweiter Einbruch auftritt und der Strom bei den Einbrüchen nicht auf null sinkt.
- c) Die angeregten Quecksilberatome senden Photonen aus. Berechnen Sie die Wellenlänge der Strahlung beim Übergang in den Grundzustand und begründen Sie, weshalb man sie mit bloßem Auge nicht sieht.
Für ein einatomiges Gas „X" wurde das folgende Energieniveauschema ermittelt, wobei die Energien auf den Grundzustand bezogen sind: | Niveau | Energie in eV | |---|---|…
Für ein einatomiges Gas „X" wurde das folgende Energieniveauschema ermittelt, wobei die Energien auf den Grundzustand bezogen sind:
| Niveau | Energie in eV |
|---|---|
| $E_0$ (Grundzustand) | 0 |
| $E_1$ | 4,9 |
| $E_2$ | 6,7 |
| $E_3$ | 8,8 |
| Ionisierung | 10,4 |
Zunächst werden Elektronen mit der kinetischen Energie $5{,}5\,\mathrm{eV}$ durch das Gas geschossen, anschließend mit $7{,}0\,\mathrm{eV}$. Die Atome befinden sich vor den Stößen im Grundzustand. Es sollen nur unelastische Stöße betrachtet werden, bei denen ein Atom genau ein Niveau anregt.
- a) Bestimmen Sie für beide Elektronenenergien, welche Niveaus angeregt werden können und welche kinetische Energie die Elektronen nach dem Stoß jeweils höchstens noch besitzen.
- b) Berechnen Sie die Wellenlängen aller Linien, die ein Gas aussendet, dessen Atome bis zum Niveau $E_2$ angeregt wurden.
- c) Berechnen Sie die Wellenlängen der Absorptionslinien, die bei Durchstrahlung des Gases im Grundzustand mit weißem Licht im Absorptionsspektrum entstehen, und geben Sie an, welche davon im sichtbaren Bereich liegen.
- d) Skizzieren und beschreiben Sie den Verlauf der Franck-Hertz-Kurve für dieses Gas im Bereich von $0\,\mathrm{V}$ bis $10\,\mathrm{V}$ und begründen Sie, ab welcher Spannung ein zweiter Stromeinbruch möglich wäre, wenn man – wie beim Franck-Hertz-Versuch üblich – davon ausgeht, dass die Elektronen bei jedem unelastischen Stoß das Niveau $E_1$ anregen.
Atommodelle und ihre Grenzen
Die Vorstellung vom Atom hat sich mit neuen Experimenten immer wieder geändert. Jedes Modell erklärt manches und scheitert an anderem:
| Modell | Kernaussage | Grenze |
|---|---|---|
| Dalton | Atome sind kleine, unteilbare Kugeln | Kann Elektronen und Ionen nicht erklären |
| Thomson | positive Kugel mit eingebetteten Elektronen | Rutherford-Streuversuch: einzelne große Ablenkungen |
| Rutherford | winziger, positiver Kern, Elektronen in der Hülle | Elektron müsste strahlen und in den Kern stürzen; keine Linienspektren |
| Bohr | Elektron auf bestimmten Bahnen mit festen Energien | Gilt nur gut für Wasserstoff; Bahn und Ort sind nicht scharf |
| Quantenmechanisch | Orbitale als Aufenthaltswahrscheinlichkeit | Aktuelles Modell |
Rutherford'scher Streuversuch: $\alpha$-Teilchen durchqueren eine dünne Goldfolie. Die meisten fliegen fast geradeaus, einzelne werden um mehr als $90^\circ$ abgelenkt. Daraus folgt: Die Masse und positive Ladung sitzen in einem sehr kleinen Kern (Radius etwa $10^{-14}\,\mathrm{m}$, Atomradius etwa $10^{-10}\,\mathrm{m}$), der Rest ist fast leer.
Bohr'sches Atommodell: Das Elektron hat nur bestimmte erlaubte Energiewerte $E_n$. Beim Übergang zwischen ihnen wird ein Photon emittiert oder absorbiert. Das erklärt die Linienspektren des Wasserstoffs und passt zum Franck-Hertz-Versuch.
Orbitale: Im quantenmechanischen Modell hat das Elektron keine Bahn. Das Orbital zeigt, wo man das Elektron mit welcher Wahrscheinlichkeit nachweisen kann (Nachweiswahrscheinlichkeit). Die Energiewerte $E_n$ des Wasserstoffatoms bleiben erhalten.
Die Vorstellung vom Atom hat sich historisch gewandelt. Material: Thomson-Modell: Das Atom ist eine gleichmäßig positiv geladene Kugel, in der die Elektronen eingebettet…
Die Vorstellung vom Atom hat sich historisch gewandelt. Material:
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Thomson-Modell: Das Atom ist eine gleichmäßig positiv geladene Kugel, in der die Elektronen eingebettet sind. Vorhersage für Streuversuche mit $\alpha$-Teilchen: nur geringe Ablenkungen.
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Rutherford'scher Streuversuch: $\alpha$-Teilchen treffen auf eine dünne Goldfolie. Die meisten durchqueren die Folie nahezu ungehindert, einzelne werden um mehr als $90^\circ$ abgelenkt. Der Radius eines Goldkerns beträgt etwa $7{,}0\,\mathrm{fm}$, der Atomradius etwa $0{,}14\,\mathrm{nm}$.
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Bohr'sches Atommodell: Das Elektron bewegt sich auf Bahnen mit diskreten Energien. Das Modell beschreibt die Linien des Wasserstoffspektrums.
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Orbitalmodell: Das Elektron im Grundzustand des Wasserstoffatoms wird mit einer Nachweiswahrscheinlichkeit beschrieben, die in einem Abstand von etwa $53\,\mathrm{pm}$ vom Kern am größten ist. Es gibt keine scharfen Bahnen.
- a) Erläutern Sie, welche Schlüsse aus dem Rutherford'schen Streuversuch auf den Aufbau des Atoms gezogen werden und weshalb das Thomson-Modell dadurch widerlegt wird.
- b) Berechnen Sie das Verhältnis von Atomradius zu Kernradius.
- c) Vergleichen Sie das Bohr'sche Atommodell mit dem Orbitalmodell bezüglich der Aussagen über den Aufenthalt des Elektrons.
- d) Beurteilen Sie anhand dieser Entwicklung die Eigenschaften und Grenzen naturwissenschaftlicher Modelle.
Zurück zum Anfang: Die Natriumdampflampe leuchtet gelb, weil die Elektronen der Natriumatome nur bestimmte Energieniveaus annehmen können. Beim Übergang zwischen zwei Niveaus senden sie Photonen mit fester Energie aus, bei Natrium überwiegend mit $589\,\mathrm{nm}$ (etwa $2{,}1\,\mathrm{eV}$).
Auf einen Blick
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Leuchtende Gase zeigen Linienspektren, kaltes Gas vor einer Lichtquelle zeigt ein Absorptionsspektrum mit denselben Wellenlängen (Fraunhofer'sche Linien). Damit kann man Stoffe identifizieren (Spektralanalyse).
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Photonenenergie: $E = h \cdot f = h \cdot c/\lambda$, mit $h \cdot c \approx 1240\,\mathrm{eV \cdot nm}$ und $1\,\mathrm{eV} = 1{,}602 \cdot 10^{-19}\,\mathrm{J}$.
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Wasserstoff: $E_n = -13{,}6\,\mathrm{eV}/n^2$. Grundzustand $n = 1$, Ionisierungsenergie $13{,}6\,\mathrm{eV}$.
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Übergang: $E_\mathrm{Photon} = |E_m - E_n|$. Absorption nur bei passender Energie, bei Ionisation bleibt der Überschuss als $E_\mathrm{kin}$ des Elektrons.
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Franck-Hertz-Versuch: Stromeinbrüche im Abstand von $4{,}9\,\mathrm{V}$ belegen diskrete Niveaus des Quecksilberatoms (unelastische Stöße).
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Atommodelle (Dalton, Thomson, Rutherford, Bohr, Orbitalmodell) haben jeweils Stärken und Grenzen; Orbitale zeigen die Nachweiswahrscheinlichkeit des Elektrons.