Erklärung — diskrete Energien
Was „Quantisierung“ bedeutet
Ein Elektron in der Atomhülle kann nicht jede beliebige Energie haben: Erlaubt sind nur bestimmte Werte — wie die Stufen einer Treppe statt einer Rampe.
- Formelzeichen:Energie heißt W, weil E die elektrische Feldstärke ist (1.2.1).
- Diskrete Niveaus:nummeriert mit der Quantenzahl \(n=1,2,3,\dots\); \(n=1\) ist der Grundzustand, alle höheren sind angeregte Zustände.
- Nichts dazwischen:Energien zwischen zwei Stufen sind verboten — auch nicht kurzzeitig.
- Nach oben enger:die Stufen rücken mit wachsendem \(n\) dichter zusammen bis zur Ionisierungsgrenze \(W_\infty=0\); darüber ist das Elektron frei. Gebundene Zustände haben deshalb negative Energie.
Der Nachweis: das Linienspektrum
Dass die Energien diskret sind, verrät das Licht, das Atome aussenden.
- Photon:Atome geben Licht in Portionen ab, den Photonen. Ein Photon der Frequenz \(f\) trägt die Energie \(W_\text{Ph}=h\cdot f\) — mit derselben Konstante \(h\) wie bei de Broglie (6.1.2).
- Jede Linie = ein Übergang:springt ein Elektron von einem höheren Niveau \(n\) auf ein tieferes \(m\), sendet es ein Photon mit genau der Energiedifferenz aus → feste Frequenz → scharfe Spektrallinie.
- Wenige Linien statt Kontinuum:bei beliebigen Energien wäre das Spektrum lückenlos; einzelne Linien beweisen die diskreten Stufen.
- Fingerabdruck:jedes Element hat sein eigenes Linienmuster (mehr dazu in 7.2.1).
Die Energiebilanz eines Übergangs
Für jeden Sprung gilt die Energieerhaltung.
Herleitung:
- Emission:Sprung von \(n\) (hoch) nach \(m\) (tief); die frei werdende Energie steckt vollständig im Photon.
- Absorption:ein Photon mit genau dieser Energie hebt das Elektron nach oben; passt die Energie nicht, geht es vorbei.
- Ionisierung:ein Photon mit mindestens \(|W_n|\) löst das Elektron ganz aus dem Atom (\(W\ge 0\)).
Gemessene Energieniveaus des Wasserstoffatoms (\(W_n=-\tfrac{13{,}6\,\text{eV}}{n^2}\)). Beobachte, wie sich \(\Delta W\), die Wellenlänge und die Farbe des Photons ändern.
Übergang von n=3 auf n=2: das Elektron fällt und sendet ein rotes Photon aus.
| Übergang | – |
| Energie \(\Delta W\) | – |
| Wellenlänge \(\lambda\) | – |
| Bereich | – |
\(\Delta W = W_n - W_m\qquad \lambda=\dfrac{1240\,\text{eV⋅nm}}{\Delta W}\)
\(W_n>W_m\): Start- und Zielniveau · \(h=6{,}626\cdot10^{-34}\,\mathrm{Js}\) (6.1.2) · \(f=\tfrac{c}{\lambda}\) (5.1.4) · \(h\cdot c=1240\,\text{eV⋅nm}\): \(\Delta W\) in eV einsetzen, \(\lambda\) kommt in nm heraus.
So berechnest du Energie und Wellenlänge
Ein Elektron fällt im Wasserstoffatom von \(n=3\) (\(W_3=-1{,}51\,\text{eV}\)) auf \(n=2\) (\(W_2=-3{,}40\,\text{eV}\)). Welche Energie und Wellenlänge hat das Photon?
So unterscheidest du Emission und Absorption
Ein Photon mit \(2{,}55\,\text{eV}\) trifft ein Wasserstoffatom, dessen Elektron im Zustand \(n=2\) ist. Was passiert?
Allgemeine Hinweise
Treppe, keine Rampe
Merke dir das Bild: Energieniveaus sind Stufen. Zwischen ihnen gibt es keine erlaubten Werte — das Elektron springt, es gleitet nicht.
ΔW ist nicht Wn
Ein Photon trägt die Differenz zweier Niveaus, nicht die Energie eines einzelnen. Immer zuerst \(W_n-W_m\) bilden.
Vorzeichen beachten
Die Niveauenergien sind negativ (gebunden). Bei \(-1{,}51-(-3{,}40)\) hebt sich das doppelte Minus auf → \(\Delta W\) wird positiv.
