Atomarer Energieaustausch

Wie genau die innere Struktur von Atomen aus Atomkern und Elektronen in der Atomhülle aussieht ist uns im Moment noch unbekannt. Deshalb stellen wir Atome zuerst einmal nur abstrakt dar und zeichnen sie als Kugeln ohne jegliche innere Struktur.

Da wir aber wissen, dass die Atome aufgrund der Struktur aus positiv geladenem Atomkern und negative geladenen Elektronen in der Atomhülle Energie besitzen, zeichnen wir in die abstrakte Darstellung der Kugel eine vertikale und nach oben orientierte Energieachse ein. Abb. 1 zeigt eine derartige Darstellung eines Atoms.

Die Skalierung der Energieachse und insbesondere die Festlegung ihres Nullpunktes ist - wie du von der potentiellen Energie in der Mechanik und der Elektrizitätslehre weisst - willkürlich. Wir von LEIFIphysik haben uns wie viele Schulbücher auch auf folgende Festlegung des Nullpunktes der Energie eines Atoms geeinigt:

Wir legen fest, dass dem System aus Atomkern und Elektronen in der Atomhülle der Energiewert "0" zugeordnet werden soll, wenn

• ein Elektron aus der Atomhülle den Einflussbereich des Atoms verlassen hat, d.h. keine elektrische Kraft mehr zwischen dem (negativ geladenen) Elektron und dem (positiv geladenen) Rest des Atoms mehr wirkt, und
• dieses Elektron relativ zum Atomkern ruht.

Diesen Zustand eines Atoms bezeichnen wir als einfach positiv ionisiert. Abb. 2 zeigt die abstrakte Darstellung dieses Zustands: Das Restatom ist wegen seiner positiven Ladung rot, das Elektron wegen seiner negativen Ladung blau und außerhalb des Restatoms dargestellt.

Jedes Atom besitzt einen Zustand, in den es immer wieder zurückkehrt, wenn keine äußeren Einflüsse auf das Atom wirken. In diesem Zustand, den wir als Grundzustand bezeichnen, befinden sich alle Elektronen im Atom, genauer in dessen Atomhülle. Die Energie, die ein Atom im Grundzustand besitzt, bezeichnen wir mit \(E_1\).

Wo liegt nun diese Energie \(E_1\) des Grundzustands auf der Energieachse?

Da ein negativ geladenes Elektron vom positiv geladenen Atomkern angezogen wird, muss dem Atom von außen Energie zugeführt werden, um es zu ionisieren, d.h. das Elektron komplett aus dem Atom zu entfernen. Die Energie \(E_1\) des Grundzustands muss somit "unterhalb" des Nullpunktes im negativen Bereich der Energieachse liegen.

Abb. 3 zeigt die abstrakte Darstellung eines Atoms mit der Energieachse und deren Nullpunkt sowie der Energie \(E_1\) des Grundzustands.

Hinweis

Der exakte Wert der Energie des Grundzustands eines Atoms lässt sich für alle Atome experimentell ermitteln. Das Ziel aller modernen Atommodelle ist es aber, diesen Wert aus theoretischen Annahmen berechnen zu können.

Die Absorptions- und Emissionsspektren von verdünnten Gasen sind in der Regel Linienspektren. Im Photonenbild bedeutet dies, dass die Gasatome nur Photonen mit ganz bestimmten, diskreten Energien absorbieren bzw. emittieren. Aus diesen experimentellen Erkenntnissen schließen wir:

• Atome können zur prinzipiell vorhandenen Energie noch zusätzliche Energie aufnehmen und diese zusätzliche Energie auch wieder abgeben.
• Atome können diese zusätzliche Energie nur in ganz bestimmte Energieportionen aufnehmen bzw. abgeben.

Aus dem Vergleich der Absorptions- und Emissionsspektren schließen wir weiter, dass die Enegieportionen, die ein Atom aufnehmen kann, genau so groß wie die Energieportionen sind, die ein Atom wieder abgibt. Dies alles lässt sich nur so erklären, dass die Energie eines Atoms nicht beliebige, sondern nur ganz bestimmte Werte \(E_1\), \(E_2\), \(E_3\), ... annehmen kann. Die Energieaufnahme und -abgabe spielt sich dann nur zwischen diesen diskreten Energiewerten ab.

Abb. 4 zeigt die abstrakte Darstellung eines Atoms mit seiner Energieachse und den verschiedenen Energieniveaus:

• Die geringste Energie mit dem Wert \(E_1 \) besitzt das Atom im Grundzustand.
• Die nächstgroße mögliche Energie hat den Wert \(E_2\), wir nennen diesen Zustand den ersten Anregungszustand.
• Die nächstgroße mögliche Energie hat den Wert \(E_3\), wir nennen diesen Zusatnd den zweiten Anregungszustand.
• ...
• Besitzt das Atom Energie mit dem Wert \(0\), ist es ionisiert und verliert sein Elektron.

Wenn ein Atom eine passende Energieportion aufnimmt, ändert sich sein Energiezustand von einem niedrigeren auf ein höheres Energieniveau. Gibt ein Atom eine Energieportion ab, ändert sich sein Energiezustand ebenfalls, nun aber von einem höheren zu einem niedrigeren Energieniveau.

Hinweise

Oft werden die verschiedenen Zustände eines Atoms durch unterschiedliche Größen, Farben, Formen ... oder durch ein mehr oder weniger starkes Zittern oder Pulsieren dargestellt. Alle diese Darstellungen haben keinerlei Bezug zur Realität.

Auch oft werden die verschiedenen Zustände eines Atoms durch unterschiedliche große Bahnen eines Elektrons dargestellt, auf denen es um den Atomkern kreist. Möglicherweise bewegt es sich dabei auch noch mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten. Eine Energieaufnahme oder -abnahme wird dabei durch den Wechsel zwischen zwei dieser Bahnen dargestellt. Aber auch diese Darstellung ist nicht mehr zeitgemäß: wir werden später noch sehen, dass die Vorstellung von definierten Elektronenbahnen beim Atom überhaupt nicht zulässig ist.