Erklärung — vom Schema zur Linie
Das Energieniveauschema
Alle bisher gemessenen Wasserstoff-Niveaus (7.1.1) passen in eine einfache Formel: \(W_n=-\tfrac{13{,}6\,\text{eV}}{n^2}\).
- Negative Werte:das Elektron ist gebunden; \(W=0\) heißt gerade frei (7.1.1).
- Unten am weitesten:\(n=1\) liegt bei \(-13{,}6\,\text{eV}\); der Abstand zu \(n=2\) ist mit \(10{,}2\,\text{eV}\) der größte.
- Verdichtung zur Grenze:für großes \(n\) liegen die Stufen dicht unter \(W=0\) → die Linien einer Serie häufen sich an der Seriengrenze (7.2.1).
Emission — jede Linie ist ein Sprung
Mit der Niveauformel lässt sich jede Linie ohne Tabelle berechnen.
Herleitung:
- Anschluss Franck-Hertz:auch die Anregung durch Elektronenstoß (7.3.1) ist ein Sprung im Schema — für Quecksilber mit \(\Delta W=4{,}9\,\text{eV}\).
Serien — sortiert nach dem Zielniveau
Im Schema sieht man, warum das Zielniveau (7.2.1) den Spektralbereich bestimmt.
- Lyman-Serie (\(\to n=1\)):mindestens \(10{,}2\,\text{eV}\) → Ultraviolett.
- Balmer-Serie (\(\to n=2\)):\(1{,}89\) bis \(3{,}40\,\text{eV}\) → sichtbar (bis nahes UV).
- Paschen-Serie (\(\to n=3\)) und höher:höchstens \(1{,}51\,\text{eV}\) → Infrarot.
Ein Pfeil zeigt den Übergang zwischen einem oberen und einem unteren Niveau, rechts erscheinen Energiedifferenz, Wellenlänge und Serie. Der Farbstreifen unten rechts zeigt, in welchem Bereich die Linie liegt — nur die Balmer-Serie (Ziel \(n=2\)) fällt ins Sichtbare.
Übergang 3→2: ΔW=1,89 eV, λ=656 nm (sichtbar). Gehört zur Balmer-Serie – der einzigen im sichtbaren Bereich.
| Übergang | – |
| Energiedifferenz \(\Delta W\) | – |
| Wellenlänge \(\lambda\) | – |
| Serie | – |
| Bereich | – |
\(W_n=-\dfrac{13{,}6\,\text{eV}}{n^2}\qquad \Delta W=W_\text{hoch}-W_\text{tief}\qquad \lambda=\dfrac{hc}{\Delta W}=\dfrac{1240\,\text{eV⋅nm}}{\Delta W}\)
\(n=1,2,3,\dots\): Quantenzahl · \(\Delta W\): Photonenenergie. Zusammengefasst: \(\Delta W=13{,}6\,\text{eV}\cdot\big(\tfrac{1}{n_\text{tief}^2}-\tfrac{1}{n_\text{hoch}^2}\big)\).
So liest du eine Linie aus dem Schema
Ein Elektron springt von \(n=3\) auf \(n=1\). Welche Wellenlänge hat die Linie, und in welchem Bereich liegt sie?
So ordnest du eine Linie ihrer Serie zu
Eine Wasserstofflinie hat \(\lambda=410\,\text{nm}\) (violett). Zu welchem Übergang gehört sie?
Allgemeine Hinweise
Serie am Zielniveau ablesen
Die Serie erkennst du am unteren Niveau, nicht am oberen. Alles nach \(n=2\) ist Balmer — egal ob der Sprung bei \(n=3\), \(4\) oder \(7\) startet.
Großes ΔW = kleines λ
Energie und Wellenlänge sind invers. Rechne im Zweifel \(\lambda=\tfrac{1240}{\Delta W}\) nach, statt zu raten — der größte Sprung ergibt die kürzeste Welle.
Vorzeichen beachten
Die Niveaus sind negativ. \(\Delta W=W_\text{hoch}-W_\text{tief}\) wird trotzdem positiv, weil \(W_\text{hoch}\) (kleinerer Betrag) größer ist als \(W_\text{tief}\).
