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Grundwissen

Energiestufen im Atom

Das Wichtigste auf einen Blick

  • Atome können nur Zustände mit ganz bestimmten, diskreten Energiezuständen annehmen.
  • Entsprechend haben die von einem Atom ausgesendeten Photonen jeweils genau die Energie, die zwischen zwei solchen diskreten Energieniveaus des Atoms liegt.
  • Um ein Atom anzuregen, benötigt es ebenfalls exakt einen solchen "passenden" Energiebetrag.
  • Das Auftreten von Linienspektren kann durch diskrete Energieniveaus erklärt werden.

Linienspektrum führt zu diskreten Energieniveaus

Abb. 1 Übergang eines Atoms von einer höheren in eine niedrigere Energiestufe durch die Emission eines Photons

Die Emissionsspektren von verdünnten Gasen sind in der Regel Linienspektren. Im Photonenbild bedeutet dies, dass die Gasatome Photonen mit ganz bestimmten (diskreten) Energien aussenden. Dies lässt den Schluss zu, dass die Atome nur Zustände mit ganz bestimmten Energiebeträgen einnehmen.

Beispiel

Angeregte Wasserstoffatome senden u.a. rotes Licht aus. Die entsprechenden Photonen haben die Energie von Eph,rot = 1,9 eV. Der Energiesatz führt uns zur Annahme, dass das Wasserstoffatom bei der Emission dieser Photonen von einem angeregten Zustand (Energie E2) in einen energieärmeren Zustand (Energie E1) übergeht, der energetisch exakt 1,9 eV unter dem angeregten Zustand liegt.

Die Energieverhältnisse im Atom lassen sich durch ein sogenanntes Energie-Termschema übersichtlich darstellen.

Unterschied zur makroskopischen Erfahrungswelt

In unserer makroskopischen Erfahrungswelt gibt es meist Systeme, bei denen die Energie des Systems nahezu jeden Wert annehmen kann:

  • Ein Auto kann je nach Betätigung des Gaspedals alle kinetischen Energien zwischen Null und einem durch den Autotyp bedingten Höchstwert annehmen.
  • Die Spannenergie einer Feder kann kontinuierlich von Null bis zu einem Höchstwert verändert werden.
  • Die Lageenergie einer Kiste, die mit einem Kran hochgezogen wird, kann beliebige Werte annehmen.

Systeme mit diskreten Energiestufen

Aufbau des Modellversuchs zur Existenz von diskreten Energieniveaus im Atom
Abb. 2 Aufbau des Modellversuchs

Es gibt aber auch makroskopische Systeme mit diskreten Energiezuständen. So kannst du z.B. den Deckel eines Marmeladenglases als ein solches System ansehen. Der Deckel besitzt zwei Energiezustände: einen entspannten und einen gespannten (eingedellten) Zustand.

Hinweis: LEIFI musste nach längerer Suche feststellen, dass nur ein kleiner Teil der Deckel für den Versuch geeignet ist. Daher zeigt das Video in Abb. 3 den entsprechenden Modellversuch. Weiter kannst du dir mit der Animation in Abb. 4 gut vorstellen, wie der Versuch ablaufen sollte.

Demonstration der diskreten Energieniveaus

Abb. 4 Flaschendeckel mit zwei möglichen Zuständen (entspannt und gespannt) als mechanisches Modell für die Energiestufen in Atomen
  • Wenn die Kugel aus geringer Höhe auf den Deckel im entspannten Zustand trifft, prallt sie elastisch zurück und erreicht fast wieder die ursprüngliche Höhe.

  • Bei einer ganz bestimmten Ausgangshöhe gibt die Kugel beim Aufprall ihre gesamte kinetische Energie an den Deckel ab, der dabei verformt wird und in den gespannten Zustand "springt". In diesem Zustand speichert der Deckel Energie.

  • Wenn der Deckel von Hand dazu gebracht wird, wieder in den entspannten Zustand überzugehen, gibt er die gespeicherte Energie wieder an die Holzkugel ab.

Stabile Energiezustände am Berghang

Abb. 5 Schiefe Ebene mit drei Einbuchtungen als mechanisches Modell für die Energiestufen in Atomen

In der Animation in Abb. 5 ist ein weiteres mechanisches System vorgestellt, bei dem verschiedene diskrete Energiezustände denkbar sind (die Realisierung dürfte allerdings Probleme bereiten).

Je nach der anfänglichen Bewegungsenergie der Kugel sind in der Anordnung drei verschiedene stabile Energiezustände möglich.

Drei Energiezustände einer Streichholzschachtel

Ein weiteres Beispiel eines mechanischen Systems, das drei Energiestufen einnehmen kann, ist eine Streichholzschachtel (Abb. 6).

  • Aus beiden Anregungszuständen kann die Schachtel umfallen und dabei Energie abgeben. Du kannst das Umfallen sogar hören.
  • Aus dem ersten Anregungszustand kann die Schachtel in den Grundzustand umfallen, aus dem zweiten Anregungszustand kann die Schachtel in den ersten Anregungszustand oder den Grundzustand umfallen.
  • Zum Wiederaufrichten braucht man immer eine bestimmte Energie von außen.
Anregungszustände einer Streichholzschachtel
Abb. 6 Anregungszustände einer Streichholzschachtel

Diskrete Zustände der Normalfall in mikroskopischen Systemen

In mikrophysikalischen Systemen von Atomen oder Molekülen ist es eher die Regel, dass das System nur bestimmte (diskrete) Energiezustände annehmen kann. Wie du in der Oberstufe noch lernen wirst, spielen sich die im Folgenden betrachteten Änderungen der Energiezustände des Atoms in der Hülle (und nicht im Kern) ab. Dies bedeutet, dass es sich um Änderungen der Energie der Hüllenelektronen handelt.