Auf dem Weihnachtsmarkt in Köln leuchten die gelben Natriumdampflampen der Straßenlaternen, die Neonröhre am Imbiss glüht rötlich-orange. Schickt man das Licht der Sonne durch ein Prisma, erhält man dagegen einen lückenlosen Regenbogen. Warum sendet ein leuchtendes Gas nur ganz bestimmte Farben aus? Dieses Muster ließ sich mit der klassischen Physik nicht erklären und war der erste ernsthafte Hinweis darauf, dass die Energie in der Atomhülle nicht jeden beliebigen Wert annehmen kann.
Kontinuierliche Spektren und Linienspektren
Üben★☆☆Nicht begonnen
Die Analyse des von Stoffen ausgesandten oder absorbierten Lichts ist ein grundlegendes Werkzeug, um die Atomhülle zu verstehen. a) Erklären Sie den wesentlichen…
Die Analyse des von Stoffen ausgesandten oder absorbierten Lichts ist ein grundlegendes Werkzeug, um die Atomhülle zu verstehen.
a) Erklären Sie den wesentlichen physikalischen Unterschied zwischen einem kontinuierlichen Spektrum und einem diskontinuierlichen Spektrum (Linienspektrum).
b) Begründen Sie, warum das Emissionsspektrum eines Gases bei niedrigem Druck aus diskreten Linien besteht, und erläutern Sie, in welchem Zusammenhang diese Linien mit denen seines Absorptionsspektrums stehen.
Ein Laserpointer, wie er häufig bei Demonstrationen im Unterricht verwendet wird, sendet sichtbare rote elektromagnetische Strahlung mit einer Wellenlänge von…
Ein Laserpointer, wie er häufig bei Demonstrationen im Unterricht verwendet wird, sendet sichtbare rote elektromagnetische Strahlung mit einer Wellenlänge von $656{,}3\,\mathrm{nm}$ aus. Berechnen Sie mithilfe dieser Angaben:
a) die Frequenz dieser elektromagnetischen Strahlung in SI-Einheiten.
b) die Energie, die ein einzelnes vom Laser ausgesandtes Photon trägt.
Das Bohr'sche Atommodell: gequantelte Energieniveaus
Nach der klassischen Physik strahlt jede beschleunigte Ladung Energie ab. Das Elektron müsste daher in etwa $10^{-11}\,\mathrm{s}$ in den Kern stürzen. Atome sind aber stabil. Wie lässt sich das erklären?
Üben★☆☆Nicht begonnen
Im Bohr'schen Atommodell für das Wasserstoffatom hängt die Energie jedes Elektronenniveaus von der Hauptquantenzahl $n$ ab, und zwar gemäß: $$En = -\frac{2{,}18 \cdot…
Im Bohr'schen Atommodell für das Wasserstoffatom hängt die Energie jedes Elektronenniveaus von der Hauptquantenzahl $n$ ab, und zwar gemäß:
Erhitzt man Natriumdampf in einer Flamme, leuchtet er gelb bei $589{,}0\,\mathrm{nm}$. Kaltes Natriumgas, von weißem Licht durchstrahlt, absorbiert genau diese Wellenlänge. Wie kommt es, dass dasselbe Element beides mit gleicher Photonenenergie tut? Ganz einfach: Beide Vorgänge betreffen denselben Energieabstand zwischen zwei Niveaus.
Endet ein Übergang bei $n_f = 1$, spricht man von der Lyman-Serie (UV), bei $n_f = 2$ von der Balmer-Serie (teilweise sichtbar), bei $n_f = 3$ von der Paschen-Serie (IR).
Der Franck-Hertz-Versuch
Dass die Niveaus wirklich diskret sind, zeigten James Franck und Gustav Hertz in Göttingen: Elektronen werden in Quecksilberdampf beschleunigt. Der Anodenstrom bricht bei Beschleunigungsspannungen ein, die Vielfachen von etwa $4{,}9\,\mathrm{V}$ entsprechen. Interpretation: Die Elektronen geben bei inelastischen Stößen genau $4{,}9\,\mathrm{eV}$ an Hg-Atome ab und regen sie an. Kleinere Energien nehmen die Atome nicht auf, die Stöße sind dann elastisch. Das beweist diskrete Energieniveaus.
Üben★★☆Nicht begonnen
Das folgende Schema zeigt die ersten drei Energieniveaus des Wasserstoffatoms und zwei mit A und B bezeichnete Elektronenübergänge: . Beantworten Sie anhand des…
Das folgende Schema zeigt die ersten drei Energieniveaus des Wasserstoffatoms und zwei mit A und B bezeichnete Elektronenübergänge:
. Beantworten Sie anhand des Diagramms und der gegebenen Daten:
a) Begründen Sie, ob die Übergänge A und B Absorptions- oder Emissionsvorgängen entsprechen.
b) Berechnen Sie die Energie (in $\mathrm{eV}$) und die Wellenlänge (in $\mathrm{nm}$) des am Übergang A beteiligten Photons ($3 \rightarrow 2$) und geben Sie mit Begründung an, welcher der beiden Übergänge (A oder B) Strahlung mit der kleineren Wellenlänge aussendet.
In einer Gasentladungslampe mit atomarem Wasserstoff findet ein massenhafter Elektronenübergang vom vierten gequantelten Niveau ($n=4$) in den Grundzustand ($n=1$)…
In einer Gasentladungslampe mit atomarem Wasserstoff findet ein massenhafter Elektronenübergang vom vierten gequantelten Niveau ($n=4$) in den Grundzustand ($n=1$) statt.
a) Berechnen Sie die Energie, die ein einzelnes Wasserstoffatom bei dieser Abregung abgibt, und bestimmen Sie die Frequenz des ausgesandten Photons.
b) Berechnen Sie die insgesamt abgegebene Energie in $\mathrm{kJ\cdot mol^{-1}}$, wenn ein ganzes Mol Wasserstoffatome diese Abregung gleichzeitig durchläuft.
Das Bohr'sche Modell erklärt das Wasserstoffspektrum, hat aber klare Grenzen.
Im quantenmechanischen Atommodell gibt es keine Bahnen mehr. Stattdessen beschreiben Orbitale die Nachweiswahrscheinlichkeit des Elektrons im Raum. Die Entwicklung verlief von Dalton über Thomson und Rutherford (Kern-Hülle-Modell) und Bohr bis zum quantenmechanischen Modell. Jedes Modell erklärt manche Beobachtungen und scheitert an anderen.
Üben★★☆Nicht begonnen
Das Bohr'sche Atommodell war ein Meilenstein, da es den Begriff der Quantelung in den Atombau einführte und die Linien des Wasserstoffspektrums erfolgreich erklärte;…
Das Bohr'sche Atommodell war ein Meilenstein, da es den Begriff der Quantelung in den Atombau einführte und die Linien des Wasserstoffspektrums erfolgreich erklärte; dennoch zeigte es bald unüberwindbare Grenzen.
a) Erklären Sie zwei konkrete Mängel des Bohr'schen Modells: seine Unfähigkeit, Atomsysteme mit mehr als einem Elektron zu beschreiben, und die mit hochauflösenden Spektroskopen beobachtete Feinstruktur der Spektren.
b) Begründen Sie, warum es der Heisenberg'schen Unschärferelation widerspricht, dem Elektron eine Bahn mit gleichzeitig bestimmtem Ort und Impuls zuzuschreiben. Grenzen Sie diese Einschränkung davon ab, dass eine stehende de-Broglie-Welle sehr wohl eine Deutung der Bohr'schen Quantelung liefern kann.
Die Ionisierungsenergie einer gasförmigen Teilchenart ist die Mindestenergie, die nötig ist, um ihr äußerstes Elektron aus dem Anfangszustand bis zur Ruhe im Unendlichen…
Die Ionisierungsenergie einer gasförmigen Teilchenart ist die Mindestenergie, die nötig ist, um ihr äußerstes Elektron aus dem Anfangszustand bis zur Ruhe im Unendlichen zu entfernen.
a) Berechnen Sie auf Grundlage des Bohr'schen Modells für Wasserstoff ($E_n = -\frac{2{,}18 \cdot 10^{-18}}{n^2}\,\mathrm{J}$) die Ionisierungsenergie eines Wasserstoffatoms im Grundzustand ($n=1$) in Joule und den entsprechenden Wert für ein Mol Atome in $\mathrm{kJ\cdot mol^{-1}}$.
b) Befindet sich eine gasförmige Probe von Wasserstoffatomen zuvor angeregt im Niveau $n=3$, bestimmen Sie die maximale Wellenlänge (in $\mathrm{nm}$), die ein monochromatischer Lichtstrahl haben muss, um die Atome aus diesem angeregten Niveau zu ionisieren, und ordnen Sie mit Begründung den Bereich des elektromagnetischen Spektrums zu, zu dem sie gehört.
In einem optischen Spektrometer wird eine Emissionslinie des Wasserstoffatoms im sichtbaren Bereich (Balmer-Serie, Endniveau $n_f = 2$) mit einer experimentellen…
In einem optischen Spektrometer wird eine Emissionslinie des Wasserstoffatoms im sichtbaren Bereich (Balmer-Serie, Endniveau $n_f = 2$) mit einer experimentellen Wellenlänge von $\lambda = 434{,}1\,\mathrm{nm}$ registriert.
a) Berechnen Sie die Energie des ausgesandten Photons in Joule und bestimmen Sie mithilfe der Bohr'schen Beziehung $E_n = -\frac{2{,}18 \cdot 10^{-18}}{n^2}\,\mathrm{J}$ die Hauptquantenzahl des Anfangsniveaus $n_i$, aus dem das Elektron stammte.
b) Begründen Sie streng anhand der passenden Energiebilanz, ob ein einfallendes Photon mit einer Energie von $3{,}00\,\mathrm{eV}$ von einem Wasserstoffatom im Zustand $n=2$ absorbiert werden könnte.
Eine Wasserstoff-Entladungsröhre sendet ultraviolette Strahlung der Lyman-Serie aus, bei der alle Übergänge im Grundzustand $n_f = 1$ enden. Betrachtet werden zwei…
Eine Wasserstoff-Entladungsröhre sendet ultraviolette Strahlung der Lyman-Serie aus, bei der alle Übergänge im Grundzustand $n_f = 1$ enden. Betrachtet werden zwei bestimmte Linien: Übergang 1 aus $n=2$ und Übergang 2 aus $n=3$.
a) Berechnen Sie die Energie der bei den beiden Übergängen ausgesandten Photonen (in $\mathrm{J}$) und ihre zugehörigen Wellenlängen (in $\mathrm{nm}$).
b) Begründen Sie, warum die Bohr'schen Gleichungen die Hauptniveaus und Spektrallinien des einfach positiv geladenen Heliumions $\mathrm{He}^+$ näherungsweise beschreiben, wenn man den Faktor $Z^2$ in der Energie ($Z=2$) berücksichtigt und Feinstruktur sowie Massenkorrekturen vernachlässigt, aber die Emissionsfrequenzen des neutralen Heliumatoms ($\mathrm{He}$) nicht berechnen können.
Vom Anfang zurück: Natriumdampflampe und Neonröhre senden nur wenige Linien aus, weil die Energieniveaus der Atomhülle gequantelt sind. Jede Linie entspricht Photonen der Energie $|E_f - E_i|$ eines bestimmten Übergangs, beim Wasserstoff im Sichtbaren etwa den Übergängen aus $n = 3, 4, 5, 6$ nach $n=2$ (Balmer-Serie).
Auf einen Blick
Los geht's! 3 Aufgaben der Stufe mittel in diesem Abschnitt