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Grundwissen

Energieabgabe von Atomen durch Emission von Photonen

Das Wichtigste auf einen Blick

  • Linienspektren sind die Folge davon, dass Atome nur diskrete (bestimme) Energieniveaus annehmen können.
  • Die Photonen, die von einem Atom ausgesendet werden, besitzen gerade die Energie, die zwischen zwei Energieniveaus des Atoms liegt.
  • Wenn sich benachbarte Atome stark beeinflussen (z.B. bei hohem Druck), erfolgt eine Verbreiterung des Linienspektrums bis hin zu einem kontinuierlichen Spektrum.
Aufgaben Aufgaben

Linienspektren als Folge diskreter Energieniveaus

Abb. 1 Übergänge eines Atoms von höheren in niedrigere Energiestufen durch die Emission von Photonen mit unterschiedlicher Energie

Angeregte Atome senden ein diskretes Linienspektrum aus. Dies lässt sich mit der Annahme diskreter Energieniveaus im Atom verstehen.

Beim Übergang (siehe Abb. 1) von einem energetisch höheren Energieniveau \(E_3\) zu einem energetisch niedrigerem Energieniveau \(E_2\) wird ein Photon erzeugt, das gerade die Energie \(E_{\rm{Ph}}=E_3-E_2\) besitzt, die der Energiedifferenz zwischen den beiden Energieniveaus entspricht. Das Photon verlässt dabei das Atom.

Hinweise

  • Da sich die betrachteten Energieübergänge in der Atomhülle abspielen, kann man sich vorstellen dass bei der Lichtemission ein Elektron von einem energetisch höheren Niveau auf ein energetisch niedrigeres Niveau wechselt.

  • Man darf den Wechsel im Niveauschema auf keinen Fall als Ortswechsel auffassen: Es ist keineswegs so, dass z.B. beim Übergang von Niveau 3 auf das Niveau 2 ein Elektron von einer Bahn, die weiter vom Kern entfernt ist auf eine kernnähere Elektronenbahn wechselt (wir werden später noch sehen, dass die Vorstellung von definierten Elektronenbahnen beim Atom sowieso nicht zulässig ist). Bei dem Übergang handelt es sich um einen "energetischen Abstieg".

  • In der Regel verharrt ein Atom nur eine extrem kurze Zeit (≈ 10-8 s) im angeregten Zustand.

  • Die Anregung eines Atoms kann z.B. durch die Absorption eines Photons, durch den Stoß mit einem Nachbaratom oder durch Stöße mit Elektronen erfolgen.

Verbreiterung der Emissionslinien durch Druckerhöhung

Wenn die lichtaussendenden Atome von ihren Nachbaratomen stark gestört werden (dies ist z.B. bei hohem Druck in einem Gas oder bei Festkörpern der Fall), dann senden diese Atome kein Linienspektrum, sondern ein kontinuierliches Spektrum aus. Dies beobachten wir u.a. bei der spektralen Zerlegung des Sonnen- oder auch des Glühlampenlichts.

Die folgende Abbildung zeigt das sichtbare Spektrum einer Wasserstoffentladungsröhre bei verschiedenem Gasdruck in der Röhre:

Verbreiterung der Spektrallinien bei Druckerhöhung W. Finkelnburg
Abb. 2 Verbreiterung der Emissionslinien einer Wasserstoffentladungsröhre bei Druckerhöhung

Verbreiterung der Energieniveaus im Wasserstoffatom

Abb. 3 Mögliche Übergange beim Wasserstoffatom sowohl bei diskreten Energiestufen als auch bei verbreiterten Energiebändern

Bei niederem Druck ist die gegenseitige Störung der Atome noch gering, es ist annähernd ein Linienspektrum zu beobachten (die Bezeichnungen der Wasserstofflinien ist historisch und wird in der Animation in Abb. 3 erklärt). Bei Druckzunahme verbreitern sich die Linien bis hin zu einem kontinuierlichen Spektrum.

Eine Erklärung für den Übergang vom diskreten Linienspektrum zum kontinuierlichen Spektrum liegt in der Verbreiterung der Energieniveaus bis hin zu Energiebändern.