Erklärung — das Elektron im Kasten
Was der Potenzialtopf modelliert
Einfachstes Modell für ein gebundenes Elektron: ein eindimensionaler Kasten der Breite \(L\) mit unendlich hohen Wänden.
- Undurchdringliche Wände:das Elektron kann nicht hinaus; die Wellenfunktion \(\psi\) (6.2.2) ist an beiden Wänden null → dort je ein Knoten.
- Freie Bewegung innen:innen wirkt keine Kraft; die gesamte Energie ist kinetisch.
- Bewusst grob:das echte Atom hat keine steilen Wände; das Modell zeigt aber den Kern: Einsperren erzwingt Quantisierung.
Nur stehende Wellen passen
Mit Knoten an beiden Wänden passen nur bestimmte Wellen in den Topf — wie bei der eingespannten Saite (5.2.2).
Herleitung:
- Bäuche zählen:Zustand \(n\) hat genau \(n\) Bäuche und \(n-1\) Knoten im Inneren (plus die zwei an den Wänden).
- Kein Zwischenwert:z. B. 2,5 Halbwellen hätten an einer Wand keinen Knoten → nur diskrete \(\lambda_n\) erlaubt.
Von der Wellenlänge zur Energiestufe
Aus der Wellenlänge folgt über de Broglie die Energie.
Herleitung:
- Nullpunktsenergie:der tiefste Zustand ist \(n=1\), nicht \(n=0\): das Elektron ruht nie, es hat mindestens \(W_1>0\).
Das Elektron sitzt im Kasten der Breite \(L\). Beobachte, wie \(\lambda_n\) und \(W_n\) reagieren.
Zustand n=2: zwei Bäuche, ein Knoten in der Mitte. Die Welle passt genau in den Topf.
| Wellenlänge \(\lambda_n\) | – |
| Energie \(W_n\) | – |
| Grundenergie \(W_1\) | – |
| Bäuche | – |
\(W_n=\dfrac{n^{2}h^{2}}{8\,m\,L^{2}}\)
\(L\): Topfbreite, \(n=1,2,3,\dots\), \(m\): Elektronenmasse. Ein engerer Topf hebt alle Stufen an (\(W\sim 1/L^2\)). Kurzform für ein Elektron: \(W_n\approx n^2\cdot\dfrac{0{,}376\,\text{eV}}{(L/\text{nm})^2}\) — \(L\) in Nanometern eingesetzt, \(W_n\) direkt in eV.
So berechnest du die Energiestufen
Ein Elektron sitzt in einem Topf der Breite \(L=1\,\text{nm}\). Wie groß sind \(W_1\) und \(W_2\)?
So liest du die stehende Welle
Im Applet ist \(n=3\) und \(L=1{,}2\,\text{nm}\) eingestellt. Wie viele Bäuche und Knoten hat die Welle, und wie groß ist \(\lambda_3\)?
Allgemeine Hinweise
Saite als Eselsbrücke
Denk an die Gitarrensaite: An beiden Enden ein Knoten, dazwischen ganzzahlig viele Bäuche. Das gleiche Muster gilt für das Elektron im Topf.
n zählt die Bäuche
Die Quantenzahl \(n\) ist einfach die Zahl der Bäuche. \(n=1\) ist der Grundzustand mit einem einzigen Bauch — nicht null.
L unten, n oben
Im Nenner steht \(L^2\), im Zähler \(n^2\). Enger Topf → hohe Energien; breiter Topf → dicht liegende Stufen. Vorzeichen sind hier alle positiv.
