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Aufgabe

Anregung eines Atoms durch Absorption

Schwierigkeitsgrad: leichte Aufgabe

Abb. 1 Anregung eines Atoms durch Absorption

Die Animation in Abb. 1 zeigt zu Beginn links ein Atom (rot) und rechts das Termschema dieses Atoms, d.h. die Zusammenstellung aller Energieniveaus (Terme) des Atoms in übersichtlicher zeichnerischer Darstellung.

a)

Erläutere das Termschema des Atoms.

Starte nun die Animation.

b)

Erläutere, was beim Zusammentreffen des Atoms mit dem "blauen" und dem "grünen" Photon geschieht.

c)

Erläutere, was beim Zusammentreffen des Atoms mit dem "roten", dem "gelben" und dem "violetten" Photon geschieht.

d)

Erläutere das am Ende der Animation dargestellte Absorptionsspektrum. Gehe dabei insbesondere auf die Farben der fünf in der Animation dargestellten Photonen ein.

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a)

Im Termschema des Atoms sind drei Energieniveaus mit den Energien \(E_{1}\), \(E_{2}\) und \(E_{3}\) dargestellt.

Beim tiefsten Niveau mit der Energie \(E_{1}\) handelt es sich um den Grundzustand, beim nächsthöheren Niveau mit der Energie \(E_{2}\) handelt es sich um den ersten Anregungszustand und beim nächsthöheren Niveau mit der Energie \(E_{3}\) um den zweiten Anregungszustand.

Das Atom befindet sich zu Beginn im Grundzustand.

b)

Die Energie \(E_{\rm{Ph,blau}}\) des "blauen" Photon ist genau gleich der Differenz \(\Delta E_{13} = E_3 - E_1\) der Energien des Grundzustands und des zweiten Anregungszustands. Deshalb kann das Atom das "blaue" Photon absorbieren, dessen Energie \(E_{\rm{Ph,blau}} = \Delta E_{13}\) aufnehmen und in den zweiten Anregungszustand übergehen (und kurz danach wieder in den Grundzustand übergehen). Das "blaue" Photon existiert nach dem Zusammentreffen nicht mehr.

Die Energie \(E_{\rm{Ph,grün}}\) des "grünen" Photon ist kleiner als die des "blauen" Photons, aber genau gleich der Differenz \(\Delta E_{12} = E_2 - E_1\) der Energien des Grundzustands und des ersten Anregungszustands. Deshalb kann das Atom das "grüne" Photon absorbieren, dessen Energie \(E_{\rm{Ph,grün}} = \Delta E_{12}\) aufnehmen und in den ersten Anregungszustand übergehen (und kurz danach wieder in den Grundzustand übergehen). Das "grüne" Photon existiert nach dem Zusammentreffen nicht mehr.

c)

Die Energien \(E_{\rm{Ph,rot}}\) und \(E_{\rm{Ph,gelb}}\) des "roten" und des "gelben" Photons sind kleiner als die Differenz \(\Delta E_{12} = E_2 - E_1\) der Energien des Grundzustands und des ersten Anregungszustands. Deshalb geschieht keine Absorption dieser Photonen durch das Atom, das im Grundzustand bleibt. Die Photonen bewegen sich mit unveränderten Energien weiter.

Die Energie \(E_{\rm{Ph,violett}}\) des "violetten" Photons ist größer als die Differenz \(\Delta E_{13} = E_3 - E_1\) der Energien des Grundzustands und des zweiten Anregungszustands. Deshalb geschieht ebenfalls keine Absorption dieses Photons durch das Atom, das im Grundzustand bleibt. Das Photon bewegt sich mit unveränderter Energie weiter.

d)

Da das Atom "blaue" und "grüne" Photonen absorbiert, fehlen im Licht z.B. einer Halogenlampe, mit dem das Atom bestrahlt wird, nach dem Durchgang durch das Atom die Photonen der Farben "blau" und "grün". Diese "fehlenden" Photonen sind als schwarze Streifen im Absorptionsspektrum erkennbar.

Da das Atom "rote", "gelbe" und "violette" Photonen nicht absorbiert, können diese Photonen das Atom ungestört durchqueren. Im Absorptionsspektrum sind demnach die Farben "rot", "gelb" und "violett" erkennbar.

 

Grundwissen zu dieser Aufgabe

Atomphysik

Atomarer Energieaustausch