Physik compact, Basiswissen 7, Schulbuch

17 13.3 Entstehung von Licht Der Übergang von einem Energieniveau zu einem niedrigeren dauert eine bestimmte Zeit. Diese Zeit- dauer legt die Länge der erregtenWelle fest. Man sagt auch, die Aussendung von Licht erfolgt in Wellenzü- gen. Experimente zeigen, dass die Energie nicht über einen unendlich langen Wellenzug verteilt, sondern „lokalisiert“ ist. Dies legt nahe, von Energiequanten ( Photonen, photons, quanta of light ) zu sprechen. Hinweis: In diesem Buch werden Lichtwellen alsWellenzü- ge dargestellt, wenn es darauf ankommt, die Begrenztheit des Wellenzuges hervorzuheben. Sonst wird immer die Darstellung einer harmonischen Welle verwendet. A1 Wiederhole die Definitionen und Zusammenhän- ge von Frequenz, Wellenlänge und Ausbreitungsge- schwindigkeit einer Welle! Beispiel Abschätzung der Länge eines emittiertenWellenzuges Im Folgenden wird angenommen, dass die Aussen- dung von Lichtquanten durch ein Atom„ungestört“ durch Nachbaratome erfolgt. Dieser Fall tritt nähe- rungsweise bei der Lichtemission in verdünnten Ga- sen ein. Die Lichtaussendung eines Energiequants dauert etwa 10 –8  s. Damit ergibt sich die Länge eines emittierten Licht- wellenzuges (gleichförmige Bewegung) aus s = v · t zu ( v = c ≈ c 0 ≈ 3 · 10 8  m · s –1 ; c Lichtgeschwindigkeit in Luft, c 0 im Vakuum) s = 3 · 10 8  · 10 –8  m = 3 m. In der Wellenlehre haben wir gelernt, wie sich aus der Frequenz f und der Ausbreitungsgeschwindig- keit c einer Welle die Wellenlänge m berechnen lässt: m = c  /  f (Für violettes Licht gilt näherungsweise: f = 10 15  Hz,  m = 3 · 10 –7  m.) Wenn wir die Länge des Lichtwellenzuges in Viel- fachen n der Wellenlänge des sichtbaren Lichtes angeben wollen, dividieren wir die Länge der Licht- welle durch die Wellenlänge und erhalten: 3 10 3 m m n s 10 7 7 $ m = = = - Emittiert ein Atom (ungestört) einen Lichtwellenzug, so ist dieser einige Meter lang. Er hat eine Ausdeh- nung von rund 10 7 Wellenlängen. Länge einesWellenzuges 1. Die Elektronen eines Atoms können nur ganz be- stimmte Energiezustände annehmen. 2. Wenn ein Atom die Energie D E aussendet, geht es von einem Zustand höherer Energie E 2 in einen Zu- stand niedriger Energie E 1 über. Dabei wird ein Pho- ton emittiert, dessen Frequenz f durch D E = E 2 – E 1 D E = h · f D E …aufgenommene/abgegebene Energie E 2 …Zustand höherer Energie E 1 …Zustand niederer Energie h …Planck´sches Wirkungsquantum h = 6,6 · 10 –34  J · s f …Frequenz der Strahlung bestimmt ist. Die Frequenzen der emittierten Strah- lung sind für das energieabgebende Atom charakte- ristisch. 3. Die Elektronenhülle eines bestimmten Atoms kann nur bestimmte Energiebeträge aufnehmen. Bei der Absorption eines Photons geht das Atom von ei- nem Zustand niedriger Energie E 1 in einen Zustand höherer Energie E 2 über. Hat die absorbierte Strah- lung eine Frequenz f so ist die aufgenommene Ener- gie D E gleich D E = E 2  – E 1 = h · f Auch die Frequenzen der absorbierten Strahlung sind für das energieaufnehmende Atom charakteristisch. In den Spektren decken sie sich mit den Frequenzen, die bei der Emission auftreten. Emission und Absorption von Energiequanten Abb. 17.2 Emission eines Photons n = 2 n = 3 n = 1 + Ze ∆ E hf = A2 Von einem Gas werden Photonen mit einer Ener- gie von 4 eV ausgesendet. Überlege: Ist das Gas sicht- bar? Hinweis: Sichtbares Licht (blaugrün) hat bei einer Wellenlänge von rund 500 nm (= 5 · 10 –7  m) eine Fre- quenz f = 6 · 10 14  Hz. (1 eV ≈ 1,6 · 10 –19  J) Wir können die unterschiedliche Farbzusammenset- zung des weißen Lichtes einer Glühlampe oder einer Quecksilberdampflampe mit dem atomistischen Mo- dell erklären: Abb. 17.1 Wellenzüge mit verschiedener Frequenz BW6/K9 Nur zu Prüfzwecke – Eigentum des Verlags öbv