Atome haben eine innere Struktur und besitzen Energie
Seit dem Beginn des 20. Jahrhunderts ist bekannt, dass Atome eine innere Struktur haben. Diese Erkenntnis beruht vor allem auf den Versuchen zweier Physiker:
- Der Engländer Joseph J. THOMSON (1856 - 1940) entdeckte 1897 – etwa zeitgleich mit dem deutschen Physiker Emil WIECHERT (1861 - 1928) – negativ geladene Elektronen als Bestandteil der Atome.
- Der Neuseeländer Ernest RUTHERFORD (1871 - 1937) entdeckte 1911 das außerordentlich kleine, positiv geladene Zentrum des Atoms, den Atomkern.
Der positiv geladene Atomkern und die negativ geladenen Elektronen der sogenannten Atomhülle sind im Atom voneinander getrennt. Aus der Elektrizitätslehre wissen wir, dass ein System aus entgegengesetzt geladenen Teilchen, die voneinander getrennt sind, elektrische Energie besitzt. Deshalb gehen wir davon aus, dass auch Atome aufgrund ihrer inneren Struktur Energie besitzen.
Diese Energie, die im System aus Atomkern und Elektronen der Atomhülle vorhanden ist, liegt in zwei Formen vor:
- Da der positiv geladene Atomkern und die negativ geladenen Elektronen voneinander getrennt sind, herrscht zwischen ihnen ein elektrisches Feld. Somit muss in Atomen Energie in Form von elektrischer Feldenergie vorhanden sein.
- Damit der positiv geladene Atomkern und die negativ geladenen Elektronen voneinander getrennt bleiben, müssen der Atomkern und insbesondere die Elektronen auf irgendeine Art und Weise in Bewegung sein. Aufgrund dieser Bewegung muss auch kinetische Energie vorhanden sein.
Hinweise
- Wir zeigen hier ganz bewusst keine graphische Darstellung der Struktur eines Atoms, da sich praktisch alle diese Darstellungen als falsch herausgestellt haben.
- Du darfst die Energie, von der wir hier sprechen, nicht mit der sogenannten Kernenergie verwechseln. Diese ist im System aus Protonen und Neutronen im Atomkern vorhanden.
Entscheidend ist nicht die Struktur, sondern die Energie eines Atoms
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.
Atome können nicht alle beliebigen, sondern nur bestimmte Energiezustände annehmen
Im Jahr 1913 formulierte der dänische Physiker Nils BOHR (1885-1962) die grundlegenden Eigenschaften der Energiezustände von Atomen in Form eines Postulats.
Energiezustände in Atomen - 1. BOHRsches Postulat in moderner Formulierung
Ein Atom kann nicht alle klassisch möglichen Energiezustände annehmen, sondern nur ausgewählte von ihnen. Diese bezeichnet man als die stationären Zustände oder Energieniveaus des Atoms.
In stationären Zuständen sendet das Atom keine elektromagnetische Strahlung aus, sondern behält seine Energie.
Abb. 4 zeigt die abstrakte Darstellung eines Atoms mit seiner Energieachse und den verschiedenen stationären Zuständen / 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 Zustand den zweiten Anregungszustand.
- ...
- Besitzt das Atom Energie mit dem Wert \(0\), ist es ionisiert und verliert sein Elektron.
Die Energiewerte des Grundzustands und der stationären Zustände lassen sich für alle Atome experimentell sehr genau ermitteln. Das Ziel aller (modernen) Atommodelle ist es aber, diese Werte aus theoretischen Annahmen exakt berechnen zu können.
Hinweise
- Oft werden die verschiedenen stationären 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 stationären 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. 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.
Atome können Energie aufnehmen und abgeben, aber nur in ganz bestimmten Portionen
BOHR formulierte in einem zweiten Postulat, wie zwischen den verschiedenen Energiezuständen von Atomen gewechselt werden kann.
Wechsel der Energiezustände in Atomen - 2. BOHRsches Postulat in moderner Formulierung
Ein Atom kann von einem stationären Zustand in einen anderen wechseln. Dieser als Quantensprung bezeichnete Vorgang liegt außerhalb des Gültigkeitsbereichs der klassischen Mechanik und der Elektrodynamik.
Beim Quantensprung zwischen zwei stationären Zuständen mit verschiedener Energie wird die aufgenommene oder abgegebene Energie ausschließlich durch die Energiedifferenz \(\Delta E\) der beiden Zustände bestimmt.
Wenn ein Atom Energie aufnimmt ("angeregt wird"), ändert sich sein Energiezustand von einem niedrigeren auf ein höheres Energieniveau. Diese Energieaufnahme kann durch zwei Prozesse stattfinden:
- Energieaufnahme durch Stöße mit Elektronen oder anderen Atomen
- Energieaufnahme durch (Resonanz)Absorption von Photonen
Wenn ein Atom Energie abgibt ("sich abregt"), ändert sich sein Energiezustand ebenfalls, nun aber von einem höheren zu einem niedrigeren Energieniveau. Diese Energieabgabe kann nur durch einen Prozess stattfinden:
- Energieabgabe durch Emission von Photonen
Die genannten Prozesse der Energieaufnahme und Energieabgabe erläutern wir in den folgenden drei Artikeln genauer.
In mikrophysikalischen Systemen von Atomen oder Molekülen ist es eher die Regel, dass das System nur bestimmte (diskrete) Energiezustände annehmen kann. Dies widerspricht unserer makroskopischen Erfahrungswelt, in der es fast nur Systeme gibt, 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.
Es gibt aber auch mechanische Systeme, die nur diskrete Energiewerte annehmen können. Ein System, 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.