Big Bang 7, Schulbuch

Licht als Träger von Energie 35 RG 7.2 G 7.2 Kompetenzbereich Atomphysik 79 Fotoeffekts benutzt hat ( F3 ). Photonen transportieren jene Energie, die beim „Sprung“ eines Elektrons auf ein tieferes Energieniveau frei wird. Licht ist der Transport von Energie! Je größer die abgegebene Energie ist, desto größer ist die Frequenz des Photons. Unendliche Orbitalvielfalt Mit zunehmender Hauptquantenzahl schieben sich die Energieniveaus immer enger zusammen. Die Ionisierungs- energie entspricht einer Hauptquantenzahl von n = ∞ (siehe Abb. 35.5). Es ist also theoretisch möglich, ein Elektron auf unendlich viele Orbitale zu heben, bevor es sich komplett vom Kern ablöst. Du hast schon einige „gängige“ Orbital- formen kennen gelernt (siehe etwa Abb. 34.19, S. 72 oder Tab. 34.2, S. 75). In Abb. 35.3 siehst du ein sehr exotisches Orbital, dessen Energie nur mehr 0,7eV unter der Ionisati- onsenergie liegt. i Abb. 35.3: Wasserstofforbital mit den Quantenzahlen n = 11, l = 5 und m = 3: Die Form ist exakt berechnet, die Farben sind künstlerische Freiheit. Bedenke: „Ein Elektron sieht nicht aus!“ Zeitlupenquantensprung Wenn man einen Quantensprung in Zeitlupe ansieht, (Abb. 35.4) dann merkt man, dass er eigentlich eher mit einer Schwingung vergleichbar ist als mit einem Sprung. Das Orbital eines Elektrons kann mit einer stehenden Wahr- scheinlichkeitswelle beschrieben werden ( F3 ; Kap. 34.3, S. 70). Wenn das Elektron auf ein anderes Orbital übergeht, dann ü berlagern sich diese beiden Wahrscheinlichkeitswel- len. Das Ergebnis ist eine Schwingung mit der Differenz der Frequenzen. i In Abb. 35.4 siehst du den Übergang der Wahrscheinlich- keitswelle vom 2p- in den 1s-Zustand (wie in Abb. 35.2 c schematisch dargestellt). Quantensprünge erfolgen nicht in Nullzeit, sondern dauern etwa 10 –8 s. Die überlagerte Wahr- scheinlichkeitswelle schwingt mit jener Frequenz, die dann auch das Photon besitzt. Bei sichtbarem Licht liegt diese Frequenz in der Größenordnung von 10 14 bis 10 15 Hz. Der Übergang dauert daher einige Millionen Schwingungen lang! Abb. 35.4: Änderung der Aufenthaltswahrscheinlichkeit eines Elekt- rons, das vom angeregten Zustand 2p (a) wieder auf den Grund- zustand 1s (f) „zurückschwingt“. Hier sind zwei Schwingungen dargestellt (b bis e). Tatsächlich dauert der Übergang einige Millionen Schwingungen lang. Dreizehnkommasechs Unter bestimmten Bedingungen bekommt ein Elektron so viel Energie, dass man es komplett vom Atom ablösen kann. Das ist zum Beispiel beim Fotoeffekt der Fall (Kap. 33.3, S. 57). Man erzeugt dabei ein Ion. Daher nennt man die dazu notwendige Energie auch Ionisierungsener- gie . Bei Wasserstoff beträgt sie 2,2 · 10 –18 J. Diese Zahl ist ziemlich unhandlich. Um sehr kleine Energien anzugeben, wie sie in der Quanten- mechanik oft vorkommen, hat man daher die Einheit Elektronvolt (eV) geschaffen. Die Umrechnung lautet: 1 eV = 1,6 · 10 –19 J. Die Ionisierungsenergie von Wasserstoff beträgt also 13,6 eV ( F6 ) . Du musst zugeben, dass die Zahl nun wesentlich handlicher ist. i Abb. 35.5: a) Das Elektron des Wasserstoffs befindet sich im 1s-Orbital, also im Grundzustand. b) Das Elektron wird vom Atomkern abge- löst. Dazu braucht man 2,2 · 10 –18 J oder 13,6 eV. Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv