Big Bang HTL 4, Schulbuch

Thermodynamik und moderne Physik (IV. Jg., 8. Sem.) 129 Licht als Träger von Energie 14 Jedem Menschen ist sein optischer Sinn so vertraut, dass er sich eigentlich kaum den Kopf darüber zerbricht. Wann hast du schon einmal daran gedacht, dass du Gegenstände wie dieses Buch oder den Tisch nur deshalb sehen kannst, weil sie pau- senlos Energie abgeben? Diese Energie wird in „Portionen“ ausgesendet und man nennt sie Lichtteilchen oder Photonen. In diesem Kapitel geht es darum, wie Photonen entstehen, warum die Spektren von verschiedenen Stoffen unterschiedlich aussehen und um faszinierende Laser. 14.1 Die Natur macht Sprünge Der Quantensprung In der Physik bezeichnet man als Quantensprung die Ände- rung des Energieniveaus eines Quants, also etwas extrem Winziges. Dieser Begriff wurde im Alltag übernommen, wobei sich aber die Bedeutung auf absurde Weise ins Ge- genteil verkehrt hat und er nun einen riesigen, sprunghaf- ten Fortschritt in einem bestimmten Bereich bezeichnet. In diesem Abschnitt geht es aber natürlich um den physikali- schen Quantensprung. Die Elektronen in einem Atom können nur ganz bestimmte Energiezustände einnehmen. Wenn sie die niedrigstmög- liche Energie besitzen, spricht man vom Grundzustand (Abb. 14.2 a). Durch Stöße anderer Teilchen, Wärme- oder Lichtstrahlung können die Elektronen auf ein höheres Energieniveau gehoben werden. Man spricht dann von einem angeregten Zustand (b). Die zugeführte Energie wird vom Elektron aber nur extrem kurz gespeichert. Dann „springt“ es wieder auf das Grundniveau zurück (c) und gibt die vorher gespeicherte Energie in Form eines Photons ab. Licht ist entstanden! Wie viele Photonen sendet eine 10-W-LED-Lampe pro Sekunde aus? Rund a) 1 Million, b) 1 Milliarde, c) 1 Billion, d) noch viel mehr. Gib einen Tipp ab! L In Abb. 14.1 siehst du das Spektrum des weißen Lichts, sowie die Spektren von drei Gasen. Warum haben diese nur ganz bestimmte Linien? 1905 fand A LBERT E INSTEIN eine theoretische Erklärung für den Fotoeffekt. Wie lautet diese? Und welche Energie kann man einem Photon auf Grund seiner Frequenz zuordnen? Lies nach in Kap. 12.2! F1 F2 Abb. 14.1: a) Spektrum des weißen Lichts, das alle Farben beinhaltet; Spektren von b) Wasserstoff; c) Helium und d) Neon. F3 Abb. 14.2: Schematische Darstellung der untersten Energieniveaus der Elektronen in einem Heliumatom (zu den Orbitalbezeichnungen siehe NAWI II): a) Die Elektronen befinden sich im Grundzustand. b) Ein Elektron wird auf ein höheres Orbital gehoben. c) Das Elektron „springt“ wieder zurück und gibt die vorher aufgenom- mene Energie in Form eines Photons ab. Info: Zeitlupenquantensprung –> S. 130 Ein Elektron in einem isolierten Atom kann nicht beliebige Mengen Energie aufnehmen (absorbieren) und wieder ab- geben (emittieren), sondern nur ganz bestimmte. Die Ener- giemenge ∆ E ist quantisiert und hängt von den Differenzen der möglichen Energieniveaus der Elektronen ab. Der Zu- sammenhang zwischen der abgegebenen Energie des Pho- tons und seiner Frequenz ergibt sich durch jene Gleichung, die E INSTEIN bereits 1905 für die Erklärung des Fotoeffekts be- nutzt hat ( F3 ). Photonen transportieren jene Energie, die beim „Sprung“ eines Elektrons auf ein tieferes Energieni- veau frei wird. Licht ist der Transport von Energie! Die Ener- gie des Photons ist proportional zur Frequenz. Formel: Energie-Differenz = Photonen-Energie ∆ E = E = h · f ∆ E … Differenz der Energieniveaus [J] E … Photonenenergie [J] h … Planck’sches Wirkungsquantum [Js] h = 6,63·10 –34 Js f … Frequenz des Lichts [s –1 ] Der Unterschied der Energieniveaus macht klar, warum Gase beim Leuchten nur ganz bestimmte Farben und nicht das ganze Spektrum aussenden: Jedes Atom ermöglicht sei- nen Elektronen nur ganz bestimme Quantensprünge ( F2 ). In Abb. 14.4 ist das am Beispiel des Wasserstoffs dargestellt. Ein Linienspektrum ist eine Art „Fingerabdruck“ eines Ele- ments. Die Energie zwischen den Niveaus wird, wie fast im- mer in der Quantenmechanik, in Elektronvolt und nicht in Joule angegeben. Um zum Beispiel das Wasserstoff-Elektron vom Kern abzulösen, sind 13,6 eV notwendig. Info: CLIL – Thirteen point six –> S. 130 F 2i932t Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv