EL-MO I Elemente, Schulbuch

KM-5: Modellbildung Absorptions- und Emissionsspektren 21 21 Die Atomspektren Weißes Licht, das von einem heißen Körper ausgesendet wird, lässt sich durch ein Beugungsgitter oder ein Prisma spektral zerlegen. Alle Wellenlängen sind lückenlos vertreten (Abb 21–1a). Absorptionsspektren Lässt man weißes Licht durch ein Gas (zB Metalldampf) fallen und zerlegt man es nachher spektral, so fehlen bestimmte Wellenlängen. Diese werden offenbar von den Atomen absorbiert. Ein so entstandenes Spektrum nennt man Absorp- tionsspektrum (Abb. 21–1b). Die fehlenden Wellenlängen sind genau die, deren Quantenenergie exakt zu den Energieniveau-Unterschieden in der Elektronenhülle passen. Licht wird also absorbiert, wenn ein Elektron ein Quant verschluckt und mit dieser Energie auf einen energetisch höher liegenden, erlaubten Zustand gelangt. Alle ande- ren Quanten, die nicht die passende Energie besitzen, werden nicht absorbiert. Emissionsspektren Dieser angeregte Zustand des Atoms ist äußerst kurzlebig (10 –8 s). Dann kehrt das Elektron wieder auf tiefer liegende erlaubte Zustände zurück. Die Energie- differenz gibt es wieder in Form eines elektromagnetischen Quants ab. Diese von angeregten Atomen abgegebenen Quanten bilden das Emissionsspekt- rum. Es ist dadurch gekennzeichnet, dass nur bestimmte Wellenlängen vertre- ten sind. Das Emissionsspektrum ist für das jeweilige Element charakteristisch (Abb. 21–1c). Natürlich werden die Lichtquanten nicht alle in derselben Richtung emittiert, in der vorher die Anregung erfolgt ist. Daher können sowohl Absorptions- wie Emissionsspektrum beobachtet werden. Möglichkeiten der Anregung Die Anregung von Atomen muss nicht durch Absorption von Lichtquanten er- folgen. Auch durch Elektronenstoß ist Anregung möglich. Darauf beruhen die heute viel verwendeten Leuchtstoffröhren und die bunten Reklameröhren. Die Neonröhre zB sendet rotes Licht aus. Auch durch Erhitzen kann eine Anregung erfolgen. Darauf beruht die gelbe Flammenfärbung von Natrium und seinen Verbindungen. Bei der Emission, die der Anregung folgt, muss der Grundzustand nicht in einem Schritt erreicht werden (Abb. 21–2). Es ist zB möglich, dass ein unsichtbares UV-Quant eine Anregung über mehre- re Stufen bewirkt, beim schrittweisen Zurückfallen des Elektrons in den Grund- zustand dann aber Quanten des sichtbaren Lichtes emittiert werden. Darauf beruht die Fluoreszenz, die bei vielen Mineralien auftritt. Leuchtstoffröhren funktionieren nach demselben Prinzip: Durch Anregung von Hg-Dampf wird zunächst UV-Licht erzeugt. Dieses wird mit Hilfe des Leuchtstoffes, mit dem die Röhren innen ausgekleidet sind, in sichtbares Licht umgewandelt. Auch die optischen Aufheller, die in kleinen Mengen in Vollwaschmitteln ent- halten sind und auf Baumwollfasern haften bleiben, wandeln UV-Licht durch Fluoreszenz in sichtbares Licht aus dem blauen Bereich um. Dadurch entsteht der Eindruck eines besonders strahlenden Weißtons der Wäsche. Identifizierung von Atomen Mit Hilfe der Absorptions- und Emissionsspektren lassen sich Atome identifi- zieren. Dies ist eine sehr rasche und empfindliche Analysenmethode. So wird zB bei der Edelstahlherstellung in kürzester Zeit aus dem Emissionsspektrum die Zusammensetzung der Stahlschmelze ermittelt. Aus der Spektralanalyse des Lichtes von Fixsternen weiß man genau über die in den Sternen vertretenen Elemente Bescheid. Dies hat zu sehr gut begründe- ten Theorien über Aufbau und Entstehung des Weltalls geführt. Die Beobachtung der Spektren war der Grund für die Entwicklung der Modelle der Elektronenhülle. Niels Bohr (1885 – 1962) hat sein Schalenmodell entwi- ckelt, um die Spektren damit erklären zu können. Abb. 021–1: Die verschiedenen Spektren Spektrum des weißen Lichtes Prisma Lichtquelle weißes Licht Prisma Lichtquelle weißes Licht Probe Absorptions- spektrum Emissions- spektrum Prisma Brenner Probe Abb. 021–2: Mögliche Rücksprünge für Elektronen Quant elektro- magnetischer Strahlung Atom im Grundzustand Diese Energie- portion wird frei Diese Energie- portion wird frei Diese Energie- portion wird frei Atom im 2. angeregten Zustand Atom im 1. angeregten Zustand Kern Elektron a b c Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv