Elemente und Moleküle, Schulbuch

15 1.4 DIe eLeKtRoNeNHÜLLe Welle-teilchen-Modell und Atomspektren 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. 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. Licht verhält sich hinsichtlich seiner Ausbreitung als Welle, hinsichtlich der Wechsel - wirkung mit Materie als Teilchen. Da die Frequenz einer Welle und die Wellenlänge zueinander indirekt proportional sind ( E = h • f , h = Planck´sches Wirkungsquantum), 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 elektromag - netischen Strahlung. Sehr hochfrequente elektromagnetische Wellen, wie zB g - Strahlen, bestehen aus sehr energiereichen Quanten. Diese reichen aus, um chemi - sche Bindungen aufzubrechen oder Atome zu ionisieren. Weißes Licht, das von einem heißen Körper ausgesendet wird, lässt sich durch ein Beugungsgitter oder ein Prisma spektral zerlegen. Alle Wellenlängen sind lückenlos vertreten. Lässt man weißes Licht durch ein Gas (zB Metalldampf) fallen und zerlegt man es nachher spektral, so fehlen bestimmte Wellenlängen. Diese werden offenbar von den Atomen absorbiert. Ein so entstandenes Spektrum nennt man Absorpti- onsspektrum . (Abb. 16.1) Die fehlenden Wellenlängen sind genau die, deren Quantenenergie exakt zu den Energieniveau-Unterschieden in der Elektronenhülle passen. Licht wird also absor - biert, wenn ein Elektron ein Quant verschluckt und mit dieser Energie auf einen energetisch höher liegenden, erlaubten Zustand gelangt. Alle anderen Quanten, die nicht die passende Energie besitzen, werden nicht absorbiert. Dieser angeregte Zustand des Atoms ist äußerst kurzlebig (10 –8 s). Dann kehrt das Elektron wieder auf tiefer liegende erlaubte Zustände zurück. Die Energiedifferenz gibt es wieder in Form eines elektromagnetischen Quants ab. Diese von angeregten Atomen abgegebenen Quanten bilden das Emissionsspektrum (Abb. 16.2). Es ist da- durch gekennzeichnet, dass nur bestimmte Wellenlängen vertreten sind. Das Emissi- onsspektrum ist für das jeweilige Element charakteristisch. Natürlich werden die Lichtquanten nicht in derselben Richtung emittiert, in der vorher die Anregung erfolgt ist. Daher können sowohl Absorptions- wie Emissionsspektrum beobachtet werden. Auch durch Erhitzen kann eine Anregung erfolgen. Darauf beruht die gelbe Flam- menfärbung von Natrium und seinen Verbindungen. Bei der Emission, die der An- regung folgt, muss der Grundzustand nicht in einem Schritt erreicht werden. (Abb. 15.2) Es ist zB möglich, dass ein unsichtbares UV-Quant eine Anregung über mehre - re Stufen bewirkt, beim schrittweisen Zurückfallen des Elektrons in den Grundzu- stand dann aber Quanten des sichtbaren Lichtes emittiert werden. Darauf beruht die Fluoreszenz , die bei vielen Mineralien auftritt, die aber auch in der Leuchtstoff - röhre zum Umwandeln des für die Beleuchtung nutzlosen UV-Lichtes in sichtbares Licht ausgenutzt wird. Ein ähnlicher Leuchtstoff wird in der Bildröhre des Fernseh - apparats durch Elektronenstoß angeregt und gibt dann sichtbares Licht ab. Auch die optischen Aufheller, die in kleinen Mengen in modernen Vollwaschmitteln ent- 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 Spektrum des weißen Lichtes Prisma Lichtquelle weißes Licht Abb. 15.1: Anregung und Rücksprung von Elektronen Abb. 15.2: Mögliche Rücksprünge der Elektronen Abb. 15.3: Spektrum des weißen Lichtes Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv