Physik compact, Basiswissen 7, Schulbuch

19 13.4 Laser lonisationsenergie Einem Elektron eines Atoms kann unter günstigen Be- dingungen so viel Energie zugeführt werden, dass es das Atom verlässt. Die Energie, die nötig ist, um einem Atom ein Elektron zu „entreißen“, nennt man Ionisati- onsenergie. In den Termschemata der Atome ist die Ablöseenergie jene Energie, die man einem Elektron eines bestimmten Energiezustandes zuführen muss, damit es das Atom verlassen kann. Unter lonisationsenergie eines Atoms versteht man immer diejenige Energie, die zur Abtrennung des am leichtesten ablösbaren Elektrons (aus dem Grundzu- stand des Atoms) erforderlich ist. Sie ist zahlenmäßig gleich der Bindungsenergie des Elektrons, das sich im energetischen Grundzustand des Atoms auf dem höchsten Energieniveau befindet. A1 Verschaffe dir Informationen über Max Planck! A2 Berechne die Energiedifferenz von zwei Energie- zuständen, für die das ausgesandte Licht im sichtba- ren Bereich (500 nm) liegt! A3 Welche Strahlung höchster Frequenz könnte ein Wasserstoffatom ausstrahlen? Bei welcher Wellenlän- ge ist dies der Fall? A4 Im Natriumatom kann ein Elektron vom ersten angeregten Zustand ( E = –3,04 eV) auf den Grundzu- stand ( E = –5,14 eV) fallen. Berechne die Wellenlänge des dabei emittierten Lichtes! A5 Versuche zu begründen, warum für ein Elektron auf einem tieferen Energieniveau mehr Ablösearbeit nötig ist! 13.3.2 Laser Im Kapitel 13.3 haben wir die Lichtentstehung als einen Vorgang verstehen gelernt, der durch Energie- abgabe der Elektronen eines Atoms verursacht wird. Diese Energieabgabe in Form von Lichtemissionen erfolgt bei den vielen Atomen eines Körpers zeitlich unterschiedlich und unbeeinflusst. Wenn die Licht­ aussendung eines energiereicheren Atoms durch Licht selbst angeregt wird, dann spricht man von einer stimulierten Emission oder auch von einer induzierten Emission. Mit ihrer Hilfe können Laser gebaut werden. Stoffe, in denen eine derartige stimulierte Emission stattfinden kann, heißen Lasermaterialien oder la- serwirksame Materialien. Bemerkung: Das Wort LASER ist ein Kunstwort. Es lei- tet sich von L ight A mplification by S timulated E mission of R adiation ab. Festkörperlaser Zum Bau eines Lasers verwendet man Stoffe, die eine bemerkenswerte Eigenschaft aufweisen: Ihre Atome besitzen Energieniveaus, die sehr unterschiedlich lan­ ge mit Elektronen besetzt werden können. Befindet sich ein Elektron in einem angeregten Ener- gieniveau, so verlässt es dieses schon nach 10 –8  s und wechselt unter Energieaussendung auf ein tieferes Energieniveau. Bei Lasermaterialien verharren die Elektronen in einem mittleren Energieniveau durch- schnittlich aber etwa 10 –4  s, also ca. 10 000 mal (!) län- ger als imhöheren Energieniveau. Ein solches Energie- niveau wird metastabiles Energieniveau genannt. Man versetzt daher die Elektronen zunächst unter Energiezufuhr auf das höhere Energieniveau ( Pum- pen, pumping ). Von dort wechseln die Elektronen nach durchschnittlich 10 –8  s auf das Zwischenniveau, in dem sie aber 10 –4  s lang verbleiben. Die Elektronen sammeln sich daher weitgehend auf diesem metasta- bilen Zwischenniveau an. In laserwirksamen Materia- lien ist somit ein mittleres Energieniveau vorüberge- hend viel zahlreicher besetzt als das Grundniveau. 13.4 13.4.1 Abb. 19.1 Termschema: Die Ablöseenergie eines Atoms hängt von der Art des Atoms und vom Energiezustand des Elektrons im Atom ab. (Im Beispiel des Na-Atoms bezeichnen die Buchstaben K, L, M, ... mögliche Energieniveaus). K L M N O P E E E E K L M N O P K L M N O P K L M N O P Grundzustand E = 5,14 eV E = 1073 eV E = 31 eV ∆ E ∆ E ∆ E Abb. 19.2 Grundzustand und angeregte Zustände in einem Lasermaterial. Energie E E 0 E 1 E 2 Grundzustand höherer Energiezustand (Pumpniveau) Zwischenzustand (metastabil, ein Elektron verbleibt zB 10 000 mal länger in diesem Energiezustand als im höheren) Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv