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Versuche

Resonanzabsorption und Resonanzfluoreszenz von Natrium

Das Ziel des Versuchs

  • Demonstration der Energieaufnahme von Atomen durch Absorption von Photonen (Resonanzabsorption)
  • Demonstration der Energieabgabe von Atomen durch Emission von Photonen (Resonanzfluoreszenz)
Aufbau und Durchführung

Ein mit Natrium (\(\rm{Na}\)) gefüllter Glasbehälter (Resonanzröhre) befindet sich zwischen einer \(\rm{Na}\)-Spektrallampe und einem Schirm. Das Innere der Resonanzröhre ist von außen sichbar.

Die Resonanzröhre kann in einem Ofen bis auf eine Temperatur von \(260^\circ \rm{C}\) erhitzt werden, so dass das vorhandene Natrium in den gasförmigen Zustand übergehen kann. Dabei wird die Resonanzröhre mit dem Licht einer \(\rm{Na}\)-Spektrallampe durchleuchtet. Der divergente Strahlengang der \(\rm{Na}\)-Spektrallampe wird mittels einer Kondensorlinse parallel gemacht und auf den Schirm abgebildet.

Während man die Temperatur langsam erhöht, beobachtet man sowohl den Schirm als auch das Innere der Resonanzröhre.

Beobachtung

Hinweis: Zu Beginn des Versuchs sind in der Resonanzröhre Reflexionen des gelben Licht der \(\rm{Na}\)-Spektrallampe an der Glasröhre sichtbar. Diese Reflexionen sind für den Versuch unbedeutend.

zum Video der Universität Freiburg

Erklärung

Das Licht der \(\rm{Na}\)-Spektrallampe besteht aus Photonen, die beim Übergang von \(\rm{Na}\)-Atomen aus  dem angeregten in den Grundzustand emittiert wurden. Sie haben eine Wellenlänge von ca. \(589\,\rm{nm}\) bzw. eine Energie von ca. \(2{,}1\,\rm{eV}\). Diese Energie entspricht also genau der Anregungsenergie von \(\rm{Na}\).

Hat das Natrium in der Resonanzröhre eine genügend hohe Temperatur erreicht und ist im gasförmigen Zustand, so absorbieren die \(\rm{Na}\)-Atome die Photonen des \(\rm{Na}\)-Lichts und gehen in den angeregten Zustand über. Diesen Effekt, d.h. die Anregung eines Atoms unter Absorption eines Photons bezeichnet man als Resonanzabsorption. Da nun im Licht der \(\rm{Na}\)-Spektrallampe immer mehr Photonen "fehlen" und somit immer weniger Photonen den Schirm erreichen, wird das Bild auf dem Schirm immer schwächer.

Gleichzeitig gehen die angeregten \(\rm{Na}\)-Atome wieder in den Grundzustand über. Sie emittieren dabei Photonen mit der gleichen Wellenlänge wie das Licht der \(\rm{Na}\)-Spektrallampe. Diese Photonen werde in alle möglichen Richtungen ausgesandt, die Resonanzröhre leuchtet in alle Richtungen gelb auf. Diesen Effekt, d.h. den Übergang eines derart angeregten Atoms in den Grundzustand unter Emission eines Photons bezeichnet man Resonanzfluoreszenz.