Atomarer Energieaustausch

Atomphysik

Atomarer Energieaustausch

  • Warum leuchten Gase in verschiedenen Farben?
  • Wie stoßen Atome miteinander?
  • Was versteht man unter einem Quantensprung?

Die Animation in Abb. 1 zeigt den Versuchsaufbau zur Prismenspektroskopie.

1 Versuchsaufbau zur Prismenspektroskopie
Abb. 2

Abb. 2 zeigt den Realversuch. Als Lichtquelle dient eine (sehr helle) Kohlebogenlampe. Je schmaler man den beleuchteten Spalt einstellt, desto schärfer (dafür aber auch lichtschwächer) wird das Spektrum.

Wenn Photonen auf Materie treffen und absorbiert werden, können die verschiedensten Effekte eintreten. Hier einige Beispiele:

  • Beim Auftreffen auf Materie können die Photonen eine Erwärmung des Körpers hervorrufen (die Atome in dem Körper bewegen sich heftiger).
  • Treffen die Photonen auf Pflanzen, so kann dort die Photosynthese in Gang kommen.
  • Bestrahlt man eine Solarzelle mit Photonen, so tritt an der Zelle eine elektrischen Spannung auf.
  • Treffen Photonen auf die Haut, so kann es zu Bräunungseffekten kommen.
  • Bei der Beleuchtung von bestimmten Substanzen tritt das Phänomen der Lumineszenz auf, d.h. die bestrahlten Körper senden selbst Licht aus.

Den zuletzt genannten Effekt der Lumineszenz kann man benutzen, um eine qualitative Aussage über den Zusammenhang zwischen der Farbe des Lichts und der Energie der zugehörigen Photonen zu erhalten.

Versuch: Prismenspektrum und Zinksulfidschirm

  • Man entwirft im abgedunkelten Raum mit einem Geradsichtprisma ein kontinuierliches Spektrum und hält in dieses Spektrum einen Zinksulfidschirm. Schaltet man die Lichtquelle ab, so leuchtet dieser Schirm in dem Bereich, wo das blaue Licht auftraf und rechts davon grünlich auf.

Aus dem Versuchsergebnis kann man schließen, dass die Photonen des blauen und ultravioletten Lichts in der Lage sind, auf dem Zink-Sulfid-Schirm Phosphoreszenz auszulösen. Die Photonen des roten, gelben und grünen Lichts dagegen nicht. Offensichtlich nimmt die Energie der Photonen vom roten zum blauen Bereich des Spektrums zu.

Anstelle des Zink-Sulfid-Schirms kann man auch nur ein schmales phosphoreszierendes Leuchtband in das Spektrum halten. Dann ergibt sich etwa die folgende Situation, die in dem Bild aus der Handreichung "Atomphysik" des ISB dargestellt ist:

In einer höheren Klasse wirst du den genauen, quantitativen Zusammenhang zwischen der Farbe des Lichts (charakterisiert durch dessen Wellenlänge) und der Energie der Photonen kennenlernen.

Aus obigem Versuch lässt sich nur ableiten:

  • Die Energie der Photonen hängt von der Farbe des entsprechenden Lichts ab.
  • Die Photonenenergie nimmt vom roten zum blauen Rand des Spektrums zu.

Verdampft man in der Bunsenbrennerflamme Kochsalz (NaCl), so zeigt diese beim Beleuchten mit einer Natriumdampflampe eindeutige Schatten, die ohne die Kochsalzzugabe nicht sind. Die Flamme leuchtet ebenso gelb wie die Na-Lampe.

Erklärung: Nur Licht, bei dem die Photonen eine Energie besitzen, die exakt einer Energiestufe der Natriumatome im heißen Natriumdampf der Bunsenbrennerflamme entspricht, wird absorbiert und hinterher in alle Richtungen emittiert. Dadurch fehlt dieses Licht der Na- Lampe auf dem Schirm, erscheint aber als gelbes Leuchten der Flamme.

Die Natriumabsorptionslinie

Man erzeugt mit der Kohlenbogenlampe mittels des üblichen optischen Aufbaus und mittels eines Geradesichtprismas ein möglichst helles und scharfes Spektrum. In den Strahlengang bringt man einen mit Kochsalz-Esbit-Gemisch gefüllten Blechtunnel und erhitzt ihn kräftig mit dem Bunsenbrenner. Am besten macht man den Versuch im Chemiesaal unter der Abzugshaube, da er erheblich stinkt.

Spektrum ohne Tunnel
Spektrum mit Tunnel

Emissions- und Absorptionslinie von Natrium

Bei diesem Versuch werden zwei Spektren in einem Spektroskop gleichzeitig betrachtet.

Das Licht einer Halogenlampe (kontiniuierliches Glühlampenspektrum) wird durch eine Röhre mit Natriumgas geschickt. Das Natriumgas wird dabei in einem Ofen auf ca. 250° erhitzt, so dass die Natriumatome einen Zustand erreichen, in dem sie das gelbe Licht aus dem durchgehenden Lichtbündel absorbieren. Dieses Lichtbündel gelangt direkt in das Spektroskop, wo es durch ein (hier dunkel gezeichnetes) Prisma in sein Spektrum aufgespalten wird.

Außerdem wird das Licht einer Natrium-Dampflampe (diskretes Linienspektrum mit gelber Doppellinie) über ein (hier weiß gezeichnetes) Prisma ebenfalls in das Spektroskop gelenkt. Das (weiße) Prisma wird dabei so justiert, dass es genau die Hälfte des von der Halogenlampe kommenden Lichtbündels abdeckt. Auf diese Weise sieht man die beiden Spektren direkt übereinander. Das Spektrum der Natriumdampflampe ist wegen der Umkehr in der Linse des Spektroskops oben.

Versuchsaufbau und Fotos von Ulf Konrad, Ratsgymnasium Rotenburg (Wümme)

So sähen die Spektren im Idealfall aus:

Spektrum der Natriumdampflampe
Absorptionsspektrum nach Durchgang durch Natriumdampf
Und dies ist das Foto durch das Spektroskop

Einen im Prinzip ähnlichen Versuch kannst du in einem Video der Universität Kaiserslautern betrachten.

Abb. 1 Versuchsaufbau von BUNSEN und KIRCHHOFF

Die Verwendung atomarer Linienspektren zur Identifizierung von Elementen in kleinsten Materialproben geht auf die Arbeiten des Chemikers Robert Wilhelm BUNSEN (1811 - 1899) und des Physikers Gustav Robert KIRCHHOFF (1824 - 1887) zurück.

Auf den Träger (E) brachte man den zu untersuchenden Stoff auf und erhitzte diesen mit dem Bunsenbrenner (D). Die für den Stoff typische Lichtemission wurde nun durch den Spektralapparat bestehend aus einem Spalt (S), dem Objektiv (B) und dem Prisma (F) spektral zerlegt und mit dem Fernrohr (C) beobachtet.

Auf diese Weise konnten BUNSEN und KIRCHHOFF die für die jeweiligen Stoffe typischen Linienspektren darstellen. Darüber hinaus gelang es BUNSEN mit diesem Apparat die Elemente Cäsium und Rubidium nachzuweisen.

BUNSEN und KIRCHHOFF schreiben in der Schrift über die ”Chemische Analyse durch Spektralbeobachtungen" (1860): "Es ist bekannt, dass manche Substanzen die Eigenschaft haben, wenn sie in eine Flamme gebracht werden, in dem Spektrum derselben gewisse helle Linien hervortreten zu lassen. Man kann auf diese Linien eine Methode der qualitativen Analyse gründen, welche das Gebiet der chemischen Reaktionen erheblich erweitert und zur Lösung bisher unzugänglicher Probleme führt. . . . . Die erwähnten Linien zeigen sich um so deutlicher, je höher die Temperatur und je geringer die eigene Leuchtkraft der Flamme ist."

Im Schlusswort schreiben BUNSEN und KIRCHHOFF: "Bietet einerseits die Spektralanalyse ein Mittel von bewunderungswürdiger Einfachheit dar, die kleinsten Spuren gewisser Elemente in irdischen Körpern zu entdecken, so eröffnet sie andererseits der chemischen Forschung ein bisher völlig verschlossenes Gebiet, das weit über die Grenzen der Erde, ja selbst unseres Sonnensystems, hinausreicht. Da es ausreicht, das glühende Gas um dessen Analyse es sich handelt, zu sehen, so liegt der Gedanke nahe, dass dieselbe auch anwendbar sei auf die Atmosphäre der Sonne und die helleren Fixsterne."

Dies bedeutet zum einen, dass die Spektralanlyse die Identifizierung von auf der Erde vorhandenen Stoffen zulässt. Zum anderen kann man aus dem Spektrum des Lichts, welches von der Sonne oder einem anderen Stern zu uns gelangt,  auch Aussagen über die Gase machen, die sich im Lichtweg zwischen Stern und Erde befinden (hierauf werden wir bei den Absorptionsspektren noch näher eingehen).

2 Aufbau, Durchführung und Beobachtung bei der Färbung von Flammen mit einer Stoffprobe

Die Färbung von Flammen mit Stoffproben (z.B. Kochsalz) kannst du selbst durchführen. Die Animation in Abb. 2 zeigt den Aufbau, die Durchführung und die Beobachtung bei diesem Versuch.

Beobachtung

Je nach eingebrachter Probe ergeben sich die unterschiedlichsten Flammenfärbungen, die einem Fachmann sofort einen ersten Hinweis auf die Art der Probe geben. Für einen genauen Aufschluss müsste das Licht der gefärbten Flamme nun noch spektral zerlegt werden. Die folgenden Bilder zeigen typische Färbungen von Flammen.

Lithium (Li) Natrium (Na) Kupfer (Cu) Strontium (Sr)

Bildnachweise
Lithium: Von Herge (Eigene Arbeit) [public domain], via Wikimedia Commons
Natrium: Von Søren Wedel Nielsen (Eigene Arbeit) [GFDL, CC-BY-SA-3.0 oder CC-BY-SA-2.5], via Wikimedia Commons
Kupfer: Von Herge (Eigene Arbeit) [public domain], via Wikimedia Commons
Strontium: Von Herge (Eigene Arbeit) [public domain], via Wikimedia Commons

Bild von http://www.stewavelight.de

Zur Erzeugung von Linienspektren verwendet man sogenannte Spektrallampen. Spektrallampen sind wechselstrombetriebene Gasentladungslampen, die das Linienspektrum von Metalldämpfen bzw. Edelgasen mit großer spektraler Reinheit und hoher Leuchtdichte aussenden. Die Gasatome einer Spektrallampe werden durch Stöße mit Elektronen energetisch angeregt. Beim Übergang in einen niedrigeren Energiezustand, senden die Atome das für sie charakteristische Licht aus.

Man beobachtet eine mit Wasserstoffgas gefüllte und durch hohe Spannung zum Leuchten angeregte Gasentladungsröhre.

Die Zerlegung des rosa Lichts in Spektralfarben könnte durch ein Prisma geschehen. In dem nebenstehend abgebildeten Versuch betrachtet man das Licht der Röhre durch ein Gitter.

Ein Gitter ist eine Folge von lichtdurchlässigen Spalten, die sehr eng beieinander liegen (bei dem verwendeten Gitter war der Abstand zweier benachbarter Spalten 1/570 mm).

Bei Durchgang des Lichts durch das Gitter wird das Licht gebeugt und in Spektralfarben zerlegt (Näheres hierzu lernst du erst in der Oberstufe).

Das Foto wurde von Timo Hanke durch das Gitter mit obiger Anordnung aufgenommen.

Beim Blick durch das Gitter sieht man links und rechts von der rosa erleuchteten Röhre farbige Linien, welche virtuelle Bilder der Spektralröhre darstellen. Diese Linien stellen das Spektrum des atomaren Wasserstoffs dar.

Im folgenden kannst du die Spektren verschiedener Elemente, die in der Schule am häufigsten untersucht werden, betrachten.

Spektrum einer Halogen-Lampe (Kontinuierliches Spektrum)

Spektrum von Wasserstoff

Aus wissenschaftlichen Daten (computergeneriertes) Spektrum von Wasserstoff.
vergröbertes, real gemessenes Spektrum von Wasserstoff mit Bild der Spektralröhre (links).

Spektrum von Helium

Aus wissenschaftlichen Daten (computergeneriertes) Spektrum von Helium.
vergröbertes, real gemessenes Spektrum von Helium mit Bild der Spektralröhre (links).

Spektrum von Neon

Aus wissenschaftlichen Daten (computergeneriertes) Spektrum von Neon.
vergröbertes, real gemessenes Spektrum von Neon mit Bild der Spektralröhre (links).

Spektrum von Natrium

Aus wissenschaftlichen Daten (computergeneriertes) Spektrum von Natrium.
Aufspaltung der gelben Natriumlinie (mit einem sehr guten Spektrometer gemessen).

Spektrum von Quecksilber

Vergröbertes Spektrum von Quecksilber mit Bild der Spektralröhre (links).
Farben der Quecksilberlinien mit Wellenlängen und relativen Intensitäten der Linien.

Hinweis: Idee, Fotos und Teil der Texte wurden uns von P. Bronner Faust-Gymnasium Staufen zur Verfügung gestellt.

Unter dem Suchbegriff "Handspektroskop" findest du im Internet verschiedene günstige Bausätze für den Selbstbau eines Handspektroskops. Mit Hilfe einer Digitalkamera kannst du damit die Spektren verschiedener Lichtquellen aufnehmen. Spektrallampen darfst du wegen der Hochpannung, mit der sie betrieben werden, nur unter Aufsicht einer Fachkraft nutzen.

Die folgenden Aufnahmen der Spektren wurden von Schülern der 10.Klasse des Faust-Gymnasiums Staufen mit Hilfe des selbstgebauten Handspektroskops erstellt. Der beschriftete Maßstab stellt eine Wellenlängenskala dar. Die Wellenlänge ist eine Größe, mit der man die Farbe von Licht charakterisieren kann.

Fahre mit der Maus über die Spektren um zu erfahren, welche Lampe betrachtet wurde.

Betrachte eine Leuchtstoffröhre, bei der ein Teil der mit angeregtem Gas gefüllten Röhre nicht mit Leuchtstoff beschichtet ist, durch das Handelektroskop, einmal den unbeschichteten Teil und einmal den beschichteten Teil. Entscheide durch Vergleich mit den Spektralröhren, welches Gas in der Leuchtstoffröhre ist.

Fahre mit der Maus über die Spektren um zu erfahren, wozu das Spektrum gehört.

Eine qualitative Aussage über den Zusammenhang zwischen Photonenenergie und entsprechender Lichtfarbe gelingt experimentell fast noch einfacher als mit dem Prismenspektrum mit Hilfe von Leuchtdioden:

Versuch: Leuchtdioden und nachleuchtende Folie
Auf einer Platine befinden sich fünf verschiedene Leuchtdioden mit den Farben

                              grün                     blau-violett (mit UV-Anteil)

blau                              gelb                          rot (sehr hell)

Die runden Scheiben (oben) in der Anordnung sind Potentiometer (verstellbare Widerstände), mit denen der Strom durch die Leuchtdioden und somit auch deren Helligkeit eingestellt werden kann. Die UV-Licht aussendende Diode (rechts oben) leuchtet relativ schwach, die rote Leuchtdiode (rechts unten) leuchtet sehr hell.

Nun legt man (im abgedunkelten Raum) eine nachleuchtende Folie über die Leuchtdioden, so scheinen diese durch die Folie durch:

Schaltet man die Leuchtdioden ab, so leuchtet die Folie nur dort noch nach, wo sich die wenig helle UV-Diode und die blaue Diode befand. An den Stellen der roten (hellen), gelben und grünen Leuchtdiode ist kein Nachleuchten zu beobachten.

Aus obigem Versuch lässt sich ableiten:

  • Die Energie der Photonen hängt von der Farbe des entsprechenden Lichts ab.
  • Die Photonenenergie nimmt vom roten zum blauen Rand des Spektrums zu.

Der Franck-Hertz-Versuch wurde erstmals in den Jahren 1911 bis 1914 von James Franck und Gustav Hertz durchgeführt und belegt die Existenz von diskreten Energieniveaus in Atomen. Dieser Befund stützte das bohrsche Atommodell und trug zur Fortentwicklung der Quantenmechanik bei. Den Experimentatoren wurde für diesen Versuch im Jahr 1925 der Nobelpreis für Physik verliehen.

Aufbau und Durchführung

Skizze

Einstellung des richigen Dampfdrucks

Zunächst stellt man durch geeignete Ofentemperatur in der Röhre den richtigen Dampfdruck für Quecksilber her (ca. \(20\rm{hPa}\)). Dies ist notwendig, damit den Elektronen genau die richtige Anzahl an Stoßpartnern angeboten wird, sind es zu wenig, ist die Wahrscheinlichkeit eines Stoßes zu gering und die Elektronen verlieren durch unelastische Stöße zu selten Energie. Sind es zu viele, so sind die Zahl der elastischen Stöße zu groß und die Elektronen werden zu viel im Raum gestreut.

Regelung der Beschleunigungsspannung und Beobachtung des Auffängerstroms

Man regelt langsam und gleichmäßig die Beschleunigungsspannung hoch und beobachtet den Auffängerstrom. Das Ergebnis zeigt die untenstehende Grafik.

In der folgenden Animation ist das "Durchfahren" der \(U_{\rm{B}}\)-\(I_{\rm{a}}\)-Kurve dynamisch dargestellt:

FRANCK-HERTZ-Versuch (Animation)

Im Versuch stoßen durch ein elektrisches Feld beschleunigte Elektronen mit Atomen zusammen und geben dabei, allerdings nur wenn sie energiereich genug sind, Energie ab. Gemessen wurde der Strom an Elektronen, die noch energiereich genug zum Erreichen einer Anode waren, in Abhängigkeit von der Beschleunigungsspannung. Ergänzt durch spektroskopische Untersuchungen des von den angeregten Atomen ausgesendeten Lichtes zeigt der Versuch, dass in Atomen Energieaufnahme und -abgabe nur in Form diskreter Energiepakete (Quanten) erfolgt.

Erklärung

Die beschleunigten Elektronen stoßen auf zwei Arten mit den Hg-Atomen zusammen:

  • Elastische Stöße, bei denen das Elektron praktisch keine Energie verliert, so dass es im Regelfall genügend Energie besitzt um die kleine Gegenspannung zum Auffänger zu überwinden.

  • Inelastische Stöße, bei denen das Elektron genau die Anregungsenergie des Hg-Atoms abgibt. Hinterher reicht die Restenergie des Elektrons nicht mehr aus um zum Auffänger zu gelangen, wenn die Beschleunigungsenergie nur knapp über der Anregungsenergie (oder einem Vielfachen davon) war. Je nach Beschleunigungsspannung wandern die Anregungszonen (siehe Skizzen unter dem Diagramm) vom Gitter hin zur Kathode. Ist die letzte Anregungszone in der Nähe des Gitters sinkt der Auffängerstrom ab.

  • Deutung im Detail:

    • Bereich I:

      Mit wachsender Beschleunigungsspannung \(U_{\rm{B}}\) erreichen pro Zeiteinheit immer mehr Elektronen die Anode und besitzen genügend Energie, um durch das Gegenfeld zum Auffänger zu gelangen. Die Elektronen stoßen auf ihrem Weg zwar mit Quecksilberatomen, die Stöße sind aber elastisch, so dass die Elektronen wegen der großen Masse ihrer Stoßpartner keine Energie verlieren.

    • Bereich II:

      Haben die Elektronen eine bestimmte kinetische Energie erreicht, so nimmt die Anzahl der Elektronen, die in der Zeiteinheit zum Auffänger gelangen, stark ab. Ein Teil der Elektronen hat offensichtlich nicht mehr genügend Energie, um das Gegenfeld zu durchlaufen. Dies kommt dadurch zustande, dass ein solches Elektron nun in der Lage ist, ein Quecksilberatom, mit dem es in Wechselwirkung getreten ist, auf den nächsthöheren Energiezustand zu heben, dabei aber seine gesamte kinetische Energie verliert. Da diese Elektronen offensichtlich keine Energie mehr aufnehmen, muss die Zone, in der diese inelastischen Stöße stattfinden, unmittelbar vor dem Gitter liegen.

    • Bereich III:

      Steigert man die Beschleunigungsspannung \(U_{\rm{B}}\), so verlagert sich die Zone unelastischer Stöße (Anregungszone) in Richtung zur Kathode hin, die stoßenden Elektronen erreichen bis zur Anode wieder genügend Energie, um zum Auffänger zu gelangen, aber nicht genügend, um ein weiteres Quecksilberatom anregen zu können. Der Auffängerstrom steigt wieder an.

    • Bereich IV:

      Der zweite Abfall des Auffängerstroms tritt ein, wenn die unelastischen Stöße etwa in der Mitte zwischen Kathode und Gitter erfolgen und die Elektronen unmittelbar vor der Anode wieder genügend Energie besitzen, um eine zweite Anregung durchzuführen. . . .

    • Ergänzung:

      Bei der Einstrahlung von Licht kann ein Atom nur dann vom Grundzustand mit der Energie \(E_1\) in den angeregten Zustand mit der Energie \(E_2\) übergehen, wenn ein Lichtquant exakt die Energie \(h \cdot f = E_2 - E_1\) hat. Im Unterschied dazu kann ein Atom auch durch Stoß von Elektronen mit der Energie \(E_{\rm{kin}} > E_2 - E_1\) angeregt werden. Die restliche Energie behalten die Elektronen dann als kinetische Energie.

Lichterscheinung

Hätte man ultraviolett-empfindliche Augen, so könnte man die Anregungszonen genau sehen. Da wir aber mit solchen Augen nicht ausgerüstet sind, kann man diese UV-Strahlung nur mit entsprechenden Nachweisgeräten, wie Fotozelle oder UV-Filmen nachweisen. Die UV-Strahlung hat eine Quantenenergie von \(4,9\rm{eV}\).

FRANCK HERTZ Versuch

Bernd Huhn hat mit Hilfe einer Web-Kamera (Logitech) bei völlig abgedunkeltem Raum die Röhre beobachtet und dabei die Leuchterscheinungen gut beobachtet. Freundlicherweise hat er uns dieses Video zur Verfügung gestellt

Etwas komfortabler lässt sich der FRANCK-HERTZ-Versuch mit einem x-y-Schreiber bzw. mit dem Oszilloskop durchführen.

Aufnahme des Stroms mit dem x-y-Schreiber

Aufbau

Ergebnis

Verwendung des Oszilloskops

Aufbau

1 Hast du dich jemals gefragt, wie ein Treibhausgas das Klima beeinflusst oder warum die Ozonschicht wichtig ist? Verwende diese Simulation, um die Wechselwirkung von Licht mit Molekülen der Atmosphäre zu untersuchen.
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