Elemente, Schulbuch

18 1 ATOMbau unD PeRIODenSYSTeM Das Welle-Teilchen-Modell für Licht und elektromagnetische Strahlung Licht ist eine Form der Energie. Es breitet sich mit Lichtgeschwindigkeit aus – der größten möglichen Geschwindigkeit. Schon im Physikunterricht der Unterstufe wur- de es als elektromagnetische Welle bezeichnet. Wie der Name sagt, kann Lichtaus- breitung mit demselben Modell beschrieben werden, wie etwa die Ausbreitung von Wasserwellen oder Schallwellen, also mechanischen Wellen. Eine typische Erschei- nung solcher Wellenvorgänge, ja geradezu der Beweis für die Wellennatur sind In- terferenzerscheinungen, dh. das gegenseitige Verstärken oder Auslöschen von Wel- len je nach Phasenverschiebung. Solche Interferenzerscheinungen findet man auch beim Licht. Die Beugung am Spalt oder einem Beugungsgitter sind Beispiele dafür. Da sich Licht aber auch im Vakuum ausbreitet, kann es kein mechanischer Wellenvorgang sein. Eine rein mechanische Beschreibung des Lichtes ist unmöglich. Lichtausbreitung lässt sich nur mit demsel- ben mathematischen Modell beschreiben wie mechanische Wellenvorgänge. In Widerspruch mit dem Wellenmodell gerät man dann, wenn man die Wechselwir- kung von Licht mit Materie betrachtet. Die Energie einer Welle hängt von ihrer Fre- quenz und ihrer Amplitude ab. Durch Steigerung der Amplitude (also der Lichtinten- sität) lassen sich im Prinzip beliebig hohe Energien übertragen (unabhängig von der Frequenz). Trotzdem gelingt zB die Schwärzung von Fotopapier mit hoher In- tensität von rotem Licht nicht, während blaues Licht sofort einen Effekt ergibt, auch wenn seine Intensität und somit die Gesamtenergie deutlich kleiner ist. Dies hat zur Entwicklung des Teilchenmodells für das Licht geführt. Licht besteht aus Lichtquanten (Photonen, „Energiepaketen“). Bei der Wechselwir- kung mit Materie kann ein solches Quant entweder zur Gänze verwendet werden oder seine Energie reicht nicht aus, dann erzielt es keinen Effekt. Auch eine große Anzahl zu „kleiner“ Quanten ist dann ohne Wirkung. In obigem Beispiel besteht of- fenbar rotes Licht aus zu kleinen Quanten, blaues Licht aber aus Quanten genügen- der Energie zur Schwärzung des Fotopapiers. Elektromagnetische Strahlung kann nicht kompromisslos mit dem Teilchenmodell beschrieben werden. Lichtquanten sind keine mechanischen Teilchen wie etwa Stei- ne oder Sandkörner. Sie werden nur mit dem gleichen mathematischen Modell be- schrieben wie solche mechanischen Teilchen. Licht verhält sich hinsichtlich seiner Ausbreitung als Welle, hinsichtlich der Wechsel- wirkung mit Materie als Teilchen. Die Frequenz ( f ; aus dem Wellenmodell) und die Energie eines Quants ( E ; aus dem Teilchenmodell) stehen miteinander in einer festen Beziehung: E = h • f ( h = Planck´sches Wirkungsquantum, Konstante mit dem Wert 6,6 • 10 –34 Js). Da die Frequenz einer Welle und die Wellenlänge zueinander indirekt proportional sind, bedeutet das, dass kurzwellige Strahlung aus energiereichen und langwellige aus energieärmeren Quanten besteht. Das Gesagte gilt natürlich nicht nur für Licht, sondern für jede Art der elektromagnetischen Strahlung. Trotzdem hat dieses dua- listische (zweifache) Modell hauptsächlich bei Licht seine Bedeutung. Sehr hochfrequente elektromagnetische Wellen, wie zB g -Strahlen, bestehen aus sehr energiereichen Quanten. Diese reichen aus, um chemische Bindungen aufzu- brechen oder Atome zu ionisieren. Die Wechselwirkung mit der Materie und damit das Teilchenmodell spielen die Hauptrolle. Das Wellenmodell tritt kaum in Erschei- nung, da die Wellenlängen kleiner als Atomdurchmesser, bei der Höhenstrahlung sogar kleiner als Kerndurchmesser sind. Interferenzerscheinungen, wie zB Beugung am Gitter, sind aber nur dann gut zu beobachten, wenn der Gitterabstand in ähnli- cher Größe wie die Wellenlänge liegt. Solche Gitter lassen sich nicht mehr herstellen. Nur die Untersuchung von Kristallgittern mit Röntgenstrahlen bildet hier eine Aus- nahme (Röntgenstrukturanalyse). Die Atomlagen in Kristallen bilden regelmäßige Gitter mit Gitterabständen in der Größenordnung der Wellenlänge der Röntgen- strahlung. So lassen sich bei bekannter Röntgenwellenlänge aus dem Beugungsbild die Gitterabstände in Kristallgittern bestimmen. + Verstärkung Auslöschung + Kern Elektron Quant elektro- magnetischer Strahlung ANREGUNG RÜCKSPRUNG Atom im Grundzustand Atom im Grundzustand Atom im angeregten Zustand Diese Energie- portion wird frei Diese Energie- portion wird zugeführt Quant elektro- magnetischer Strahlung Atom im Grundzustand Diese Energie- portion wird frei Diese Energie- portion wird frei Diese Energie- portion wird frei Atom im 2. angeregten Zustand Atom im 1. angeregten Zustand Kern Elektron Abb. 18.2: Anregung und Rücksprung von Elektronen Abb. 18.1: Interferenz von Wellen Abb. 18.3: Mögliche Rücksprünge der Elektronen Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv