Big Bang 7, Schulbuch

zw265u 78 RG 7.2 G 7.2 Kompetenzbereich Atomphysik Licht als Träger von Energie 35 Dir ist dein optischer Sinn so vertraut, dass du dir darüber keine Gedanken machst. Wann hast du schon einmal daran ge- dacht, dass du Gegenstände wie dieses Buch oder den Tisch nur deshalb sehen kannst, weil sie pausenlos Energie abgeben? Diese Energie wird in Portionen ausgesendet, und man nennt sie Lichtteilchen oder Photonen. In diesem Kapitel geht es da- rum, wie diese entstehen und warum die Spektren von verschiedenen Stoffen unterschiedlich aussehen. Außerdem werden wir uns mit dem faszinierenden Laser und einigen seiner Anwendungen befassen. 35.1 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, wo- bei sich aber die Bedeutung auf absurde Weise ins Gegen- teil verkehrt hat. Hier bezeichnet man nämlich als Quanten- sprung einen riesigen, sprunghaften Fortschritt in einem bestimmten Bereich. In diesem Abschnitt geht es aber natürlich um den physikalischen Quantensprung – der über- dies nicht einmal ein richtiger Sprung ist, sondern einem Schwingen gleicht. 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. 35.1 siehst du das Spektrum des weißen Lichts sowie die Spektren von drei Gasen. Warum haben diese nur ganz bestimmte Linien? Das Orbital eines Elektrons kann mit einer stehenden Wahrscheinlichkeitswelle beschrieben werden! Was ist damit gemeint? Lies nach in Kap. 34.3 ab S. 70! Welcher Zusammenhang besteht zwischen den Quantenzahlen und den Energieniveaus der Orbitale? Und welche Ausnahme bildet dabei der Wasserstoff? Lies nach in Kap. 34.5 ab S. 75! 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. 33.3 ab S. 57! Was versteht man unter einem Elektronvolt? F1 E1 F2 E2 Abb. 35.1: a) Spektrum des weißen Lichts, das alle Farben beinhaltet; weiters Spektren von b) Wasserstoff, c) Helium und d) Neon F3 W1 F4 W1 F5 W1 F6 W1 Die Elektronen in einem Atom können nur ganz bestimmte Energiezustände einnehmen. Wenn sie die niedrigstmög- liche Energie besitzen, spricht man vom Grundzustand (Abb. 35.2 a). Durch Stöße anderer Teilchen, Wärme- oder Lichtstrahlung können die Elektronen auf ein höheres Energieniveau gehoben werden. Man spricht dann von einem angeregten Zustand. Die zugeführte Energie wird vom Elektron aber nur extrem kurz gespeichert (b). Dann „springt“ es wieder auf das Grundniveau zurück (c) und gibt die vorher gespeicherte Energie in Form eines Photons ab. Licht ist entstanden! Abb. 35.2: Schematische Darstellung der untersten Energieniveaus der Elektronen in einem Heliumatom (siehe auch Abb. 34.26, S. 75): a) Die Elektronen befinden sich im Grundzustand. b) Ein Elektron wird vom 1s-Orbital auf das 2p-Orbital gehoben. c) Das Elektron „springt“ wieder zurück und gibt die vorher auf- genommene Energie in Form eines Photons ab. Jede Änderung des Energiezustandes eines Quants – also egal ob hinauf oder hinunter – nennt man einen Quanten- sprung . Dieser Ausdruck ist noch auf die Zeit des Bohr’schen Atommodells zurückzuführen (Kap. 34.1, S. 66). Wenn man ihn heute verwendet, dann sollte man sich über zwei Dinge im Klaren sein: Erstens springt das Elektron nicht von einer Stelle an eine andere, sondern von einem Energieniveau auf das andere. Das Elektron macht also einen Energie- und keinen Orts-Sprung. Zweitens hat diese Veränderung des Orbitals eher etwas von einer Schwingung als von einem Sprung. Info: Zeitlupenquantensprung 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 Zusammenhang zwischen der abgegebenen Energie des Photons und seiner Frequenz ergibt sich durch jene Gleichung, die E INSTEIN bereits 1905 für die Erklärung des Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv