Atomarer Energieaustausch

Atomphysik

Atomarer Energieaustausch

  • Warum leuchten Gase in verschiedenen Farben?
  • Wie entsteht RÖNTGEN-Strahlung?
  • Was versteht man unter einem Quantensprung?

Optische Spektren

Man unterscheidet atomare Spektren in Emission und Absorption. Bei den Emissionsspektren senden die Atome selbst die elektromagnetische Strahlung aus. Bei direkter Beobachtung erscheint ein helles Spektrum auf dunklem Grund (falls es sich um Spektren im optischen Bereich handelt).
Bei den Absorptionsspektren absorbieren die Atome aus dem auftreffenden Licht aller Wellenlängen ganz bestimmte Wellenlängen. Bei direkter Beobachtung erscheint das Spektrum dunkel auf hellem Grund.


Betrachtet man das Licht der Sonne durch einen guten Spektralapparat, so stellt man im kontinuierlichen hellen Sonnenspektrum feine dunkle Linien fest, die sogenannten Fraunhofer-Linien.

Bei Atomen, die nicht so einfach gebaut sind wie der atomare Wasserstoff und die mehrere Elektronen in der Hülle besitzen, spielt sich die Emission und Absorption im optischen Bereich ohne Beteiligung der niedrigen Niveaus ab, da diese schon voll mit Elektronen besetzt sind.

Als Beispiel sei hier das Termschema des Natriumatoms angegeben, welches 11 Elektronen besitzt. Die K-Schale (n = 1) des Natriums ist mit zwei Elektronen, die L-Schale (n = 2) mit 8 Elektronen und die M-Schale (n = 3) mit einem Elektron besetzt.
Regt man Natrium auf irgendeine Weise an (z.B. durch Erhitzen von Natriumdampf), so wird das energetisch oberste 3s-Elektron [n = 3; l = 0(s)] in ein höheres Niveau [z.B. n = 3; l = 1(p)] gehoben. Beim Rücksprung des Elektrons in sein Ausgangsniveau wird das für Natrium typische gelbe Licht der Wellenlänge 588nm ausgestrahlt (diskretes Emissionsspektrum).
Bestrahlt man den Natriumdampf mit weißem Licht, so fehlt im kontinuierlichen Spektrum das gelbe Licht, es tritt an dieser Stelle eine schwarze Linie auf (diskretes Absorptionsspektrum).
Bei den optischen Spektren fällt die Energie des emittierten Quants mit der Energie des absorbierten Quants zusammen.

In dem obigen Spektrum sind die vollbesetzten Niveaus mit n = 1 und n = 2 nicht dargestellt. Sie liegen energetisch erheblich tiefer. So liegt z.B. die K-Schale (n = 1) ca. 1keV unterhalb der Ionisierungsgrenze.

Im übrigen sollen Sie sich durch das komplizierte Termschema nicht ängstigen lassen. Es soll ihnen nur zeigen, dass bei Mehrelektronensystemen aufgrund der vier Quantenzahlen n (Hauptquantenzahl), l (Nebenquantenzahl: l ≤ n-1), m (magnetische Quantenzahl: -l ≤ m ≤ +l) und s (Spinquantenzahl: +1/2 und -1/2) viele Zustände möglich sind, zwischen denen eine Vielzahl optischer Übergänge möglich sind (bestimmte Auswahlregeln, auf die hier nicht eingangen wird, schließen einige Übergänge aus).

Röntgen-Spektren (nur für Experten)

Optische Emissionsspektren kann man erzielen, indem man Atome von außen mit einer Energie von einigen eV anregt. Bei Mehrelektronensystemen regt man dabei Elektronen des Atoms an, die schon auf Niveaus mit einer höheren Hauptquantenzahl sitzen (bei Natrium regt man z.B. das 3s-Elektron an).

Will man bei höheren Atomen Elektronen aus den tieferliegenden Niveaus (z.B. n = 1) anregen, so braucht man mehr Energie. Schon die einfache bohrsche Theorie (die natürlich auf höhere Atome nicht anwendbar ist) besagt, dass für die Energie im n-ten Quantenzustand gilt:

\[{E_{{\rm{ges}}{\rm{,n}}}} = - {Z^2} \cdot 13,6 \cdot \frac{1}{{{n^2}}}{\rm{eV}}\]

Die Kernladungszahl Z (die bei höheren Atomen wohl durch eine korrigierte Kernladungszahl Zeff zu ersetzen ist) geht beim Energieterm quadratisch ein, was dazu führt, dass der energetische Abstand der niederen Niveaus bei Atomen höherer Ordnungszahl im keV-Bereich liegt. Die dazugehörigen Übergänge liegen dann im Röntgenbereich.

Bei der Anregung von "inneren" Elektronen und "äußeren" Elektronen besteht neben dem verschiedenen Energiebereich noch ein anderer wesentlicher Unterschied:
Ein "äußeres" Elektron hat in seiner energetischen Nachbarschaft stets freie Niveaus, auf die es angehoben werden kann. Dies ist für die "inneren" Elektronen der Atome höherer Ordnungszahl nicht der Fall, da bei genügend hohem Z bereits alle tieferen Niveaus besetzt sind. Will man z.B. ein Elektron aus einem Niveau mit n = 1 anregen, so muss man es auf das erste noch unbesetzte Niveau heben und dies kann schon sehr nahe an der Ionisierungsgrenze liegen.

Röntgenabsorptionsspektrum:
Am besten sieht man die Verhältnisse, wenn man das Röntgenabsorptionsspektrum für ein Atom höherer Ordnungszahl betrachtet. In der folgenden Abbildung ist das Absorptionsspektrum von Platin mit Z = 78 dargestellt. Man gewinnt es, indem man eine Platinfolie mit Röntgenstrahlung verschiedener Wellenlänge durchstrahlt und jeweils die Intensität der durchgelassenen Strahlung registriert (z.B. mit einem Film). Ist die Intensität der durchgelassenen Strahlung gering, so ist der Absorptionskoeffizient a von Platin groß.

Ergebnisse (verallgemeinert):

  • Röntgenabsorptionsspektren sind im Gegensatz zu optischen Absorptionsspektren keine Linienspektren, sondern weitgehend kontinuierlich.
  • An den sogenannten Absorptionskanten steigt der Absorptionskoeffizient sprunghaft an, um dann zu hohen Energien kontinuierlich abzunehmen.
  • Bei den optischen Spektren fallen die Emissions- und Absorptionslinien energetisch zusammen. Bei den Röntgenspektren liegt die jeweilige Absorptionskante energetisch höher als die zugehörigen Emissionslinien.

Erklärung der Röntgenabsorption:
Man kann das Röntgenabsorptionsspektrum recht gut verstehen, wenn man von einem Schalenmodell des Atoms ausgeht und sich das obige komplexe Absorptionsspektrum in verschiedene Teilspektren zerlegt denkt. In das unten skizzierte Absorptionsspektrum sind bereits (stark vereinfachte) Termschemata des Platins an verschiedenen Stellen eingezeichnet. Dabei ist für die L- und M-Schale bereits eine Feinstruktur vorgegeben.

Betrachtung des violetten Anteils des Absorptionsspektrums:
Röntgenphotonen deren Wellenlängen rechts von der K-Kante liegen, haben eine zu geringe Energie um K-Elektronen auf ein noch unbesetztes Niveau heben zu können, sie gelangen nahezu ohne Absorption durch das Platinblech.
Bei Energiesteigerung der Photonen ist schlagartig eine Anregung der K-Elektronen möglich, die Photonen werden absorbiert, der Absorptionskoeffizient steigt sprunghaft an (Fall b).
Steigert man die Photonenenergie weiter, so ist sogar eine Anregung der K-Elektronen bis ins Kontinuum möglich und als Folge ergibt sich ein kontinuierliches Absorptionsspektrum (Fall a). Mit zunehmender Energie sinkt offensichtlich die Wahrscheinlichkeit für die Absorption, was daran liegt, dass der Wirkungsquerschnitt für den Photoeffekt, der bei dieser Absorption der entscheidende Prozess ist, mit zunehmender Photonenenergie sinkt.

Betrachtung des grünen Anteils des Absorptionsspektrums:
Es gelten die gleichen Überlegungen wie für die Anregung aus der K-Schale, jedoch erfolgt hier die Anregung von L-Elektronen, die energetisch nicht so weit von der Ionisierungsgrenze entfernt sind. Daher liegen die L-Kanten energetisch niedriger als die K-Kante. Da auf der L-Schale mehr Elektronen sitzen als auf der K-Schale ist die Absorptionswahrscheinlichkeit und somit der Absorptionskoeffizient höher.

Aus dem deutlichen energetischen Abstand der Absorptionskanten kann man auf den deutlichen energetischen Abstand der Schalen im Atom schließen (vergleichen Sie hierzu die entsprechenden Musteraufgaben).

Röntgenemissionsspektrum:
Wenn durch Absorption Lücken auf den Schalen mit niedriger Hauptquantenzahl entstanden sind, werden diese von Elektronen aus höheren Schalen wieder aufgefüllt. Dabei kommt es zur Emission der für das jeweilige Material charakteristischen Röntgenlinien, deren Quantenenergie stets niedriger ist als die entsprechende Kante. Eine Animation zur Röntgenemission finden Sie auf der folgenden Grundwissens-Seite.

Hinweis:
Im nebenstehenden Termschema ist die Feinstruktur der Schalen nicht berücksichtigt.

 


Entladungslampe - Simulation (JAVA-Appplet der der University of Colorado / PhET)

Dieses JAVA-Applet stellt die atomaren Vorgänge in den Gasatomen einer Entladungslampe (z.B. Neonröhre) dar.

Über die Kartenreiter (links oben) hat man die Wahl, ob man zunächst die Verhältnisse bei einem Atom (für den Anfang empfehlenswert) oder bei mehreren Atomen betrachten will.

Mit dem Schieberegler in der Batterie (oben Mitte) lässt sich die Energie der Elektronen beim Zusammenstoß mit dem Atom bestimmen.

Bei der Elektronenerzeugung durch die Glühkathode hat man die Wahl zwischen der Erzeugung nur eines Elektrons oder mehrerer Elektronen im zeitlichen Abstand.

In dem Auswahlfenster rechts oben können Sie das Füllgas auswählen (vorgegeben sind Wasserstoff, Quecksilber, Natrium und Neon).

Bei den Optionen (rechts unten) kann man ein Spektrometer, welches das Licht der Entladungslampe analysiert, hinzuschalten.

Mit "Schnörkel" ist gemeint, dass die Übergänge mit Lichtemission im Termschema angezeigt werden.

Mit "Zeitlupe" lassen sich die Vorgänge verlangsamt darstellen.

Mit dem Button links unten können die Leuchterscheinungen realer Entladungslampen eingeblendet werden.

Die Zahl, die in das Atom geschrieben ist (im oberen Bild die Zahl 2) gibt an, in welchem Zustand sich das Atom gerade befindet. Dabei bedeutet "1" den Grundzustand des Atoms. Die Zahl "2" bedeutet dann den ersten angeregten Zustand.

Phosphoreszenz - Lumineszenz

Beim Nachweis der ultravioletten Strahlung benutzten wird einen Zinksulfid(ZnS)-Schirm. Er leuchtete jenseits des violetten Endes des sichtbaren Spektrums grünlich auf. Offensichtlich wurde durch den ZnS-Schirm eine für unser Auge nicht sichtbare Strahlung in sichtbare Strahlung gewandelt. Auch nach dem Abschalten der UV-Quelle war das grünliche Leuchten noch für kurze Zeit zu sehen. Der Überbegriff für diese Erscheinung ist Lumineszenz. In dem Fall, wo die sichtbare Leuchterscheinung noch eine Weile anhält, spricht man von einer Sonderform der Lumineszenz, der sogenannten Phosphoreszenz (nach dem langanhaltenden Leuchten von Phosphor, das aber nicht durch Lichteinstrahlung, sondern durch eine chemische Reaktion zustande kommt).

Aufgabe

Nenne zwei Beispiele aus dem täglichen Leben, bei denen Phosphoreszenz zu beobachten ist.

Beim Schwarzlichttheater werden als Lichtquellen Schwarzlichtlampen (UV-Lampen) benutzt, die ausschließlich weiße oder speziell gefärbte Gegenstände zum Leuchten bringen. Dunkle Farben sind bei dieser Beleuchtung nicht zu sehen. Auf diese Weise können mit schwarz gekleideten Akteuren überraschende Effekte erzielt werden.

 

Auch in Discos verwendet man gelegentlich Schwarzlicht. Die in unseren Waschmitteln enthaltenen "Weißmacher" wandeln das UV-Licht in sichtbares Licht um. In dem mit dem für uns unsichtbaren UV-Licht ausgeleuchteten Raum werden so die Personen sichtbar.

 

Schaltet man die UV-Quelle ab und leuchten die bestrahlten Materialien nicht mehr für längere Zeit nach, so spricht man von Fluoreszenz (nach dem Namen des Minerals Fluorit, bei dem man den Effekt zuerst studiert hat).

Aufgabe:

Nenne ein Beispiel aus dem täglichen Leben bei dem die Fluoreszenz ausgenutzt wird.

Sowohl bei der Fluoreszenz als auch bei der Phosphoreszenz kommt es offenbar zur Wandlung von UV-Licht (sehr energiereiche Photonen) in sichtbares Licht (weniger energiereiche Photonen). Diese Phänomene, welche unter dem Oberbegriff (Photo-)Lumineszenz zusammengefasst werden sollen anhand eines Termschemas näher, aber stark vereinfacht, betrachtet werden:

Franck-Hertz-Versuch - Simulation (Shockwave-Applet der Kansas State University)

Unter der Adresse http://web.phys.ksu.edu/vqm/software/online/vqm/html/FranckHertz.html finden Sie eine aufwändige Animation zum Franck-Hertz-Versuch.

Einstellmöglichkeiten:

  • Gasart (Gas): Auswahl zwischen Neon (Ne) und Quecksilber (Mercury , Hg)
  • Heizspannung (Filament Voltage): Regler verschieben
  • Gitterspannung (Grid Voltage): Regler sehr langsam verschieben
  • Die Registrierung erfolgt einmal an den Messgeräten und falls der Knopf "Plot" gedrückt ist, in dem Diagramm.
  • Für eine neue Messung kann das Diagramm gelöscht werden (Clear).
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