Diskrete Energien
Was „Quantisierung“ bedeutet
Ein Elektron in der Atomhülle kann nicht jede beliebige Energie haben: Erlaubt sind nur bestimmte Werte — wie die Stufen einer Treppe statt einer Rampe.
- Formelzeichen:Energie heißt W, weil E die elektrische Feldstärke ist.
- Diskrete Niveaus:nummeriert mit der Quantenzahl \(n=1,2,3,\dots\); \(n=1\) ist der Grundzustand, alle höheren sind angeregte Zustände.
- Nichts dazwischen:Energien zwischen zwei Stufen sind verboten — auch nicht kurzzeitig.
- Nach oben enger:die Stufen rücken mit wachsendem \(n\) dichter zusammen bis zur Ionisierungsgrenze \(W_\infty=0\); darüber ist das Elektron frei. Gebundene Zustände haben deshalb negative Energie.
Der Nachweis: das Linienspektrum
Dass die Energien diskret sind, verrät das Licht, das Atome aussenden.
- Photon:Atome geben Licht in Portionen ab, den Photonen. Ein Photon der Frequenz \(f\) trägt die Energie \(W_\text{Ph}=h\cdot f\) — mit derselben Konstante \(h\) wie bei de Broglie.
- Jede Linie = ein Übergang:springt ein Elektron von einem höheren Niveau \(n\) auf ein tieferes \(m\), sendet es ein Photon mit genau der Energiedifferenz aus → feste Frequenz → scharfe Spektrallinie.
- Wenige Linien statt Kontinuum:bei beliebigen Energien wäre das Spektrum lückenlos; einzelne Linien beweisen die diskreten Stufen.
- Fingerabdruck:jedes Element hat sein eigenes Linienmuster.
Die Energiebilanz eines Übergangs
Für jeden Sprung gilt die Energieerhaltung.
Herleitung:
- Emission:Sprung von \(n\) (hoch) nach \(m\) (tief); die frei werdende Energie steckt vollständig im Photon.
- Absorption:ein Photon mit genau dieser Energie hebt das Elektron nach oben; passt die Energie nicht, geht es vorbei.
- Ionisierung:ein Photon mit mindestens \(|W_n|\) löst das Elektron ganz aus dem Atom (\(W\ge 0\)).
Gemessene Energieniveaus des Wasserstoffatoms (\(W_n=-\tfrac{13{,}6\,\text{eV}}{n^2}\)). Beobachte, wie sich \(\Delta W\), die Wellenlänge und die Farbe des Photons ändern.
Übergang von n=3 auf n=2: das Elektron fällt und sendet ein rotes Photon aus.
| Übergang | – |
| Energie \(\Delta W\) | – |
| Wellenlänge \(\lambda\) | – |
| Bereich | – |
Energie eines Übergangs:
\(\Delta W = W_n - W_m\qquad \lambda=\dfrac{1240\,\text{eV⋅nm}}{\Delta W}\)
Quantisierung: Elektronen in der Atomhülle haben nur diskrete Energien (Niveaus \(n=1,2,3,\dots\)); \(n=1\) ist der Grundzustand, gebundene Zustände haben negative Energie, die Ionisierungsgrenze liegt bei \(W_\infty=0\).
Photon: Bei einem Sprung von \(n\) nach \(m\) trägt das Photon genau die Energiedifferenz \(\Delta W\); es gilt \(W_\text{Ph}=h\cdot f\). Jede Linie entspricht einem Übergang.
Absorption: Nur ein Photon mit genau \(\Delta W\) hebt das Elektron nach oben; ab \(|W_n|\) wird es ionisiert.
Allgemeine Hinweise
Treppe, keine Rampe
Merke dir das Bild: Energieniveaus sind Stufen. Zwischen ihnen gibt es keine erlaubten Werte — das Elektron springt, es gleitet nicht.
ΔW ist nicht Wn
Ein Photon trägt die Differenz zweier Niveaus, nicht die Energie eines einzelnen. Immer zuerst \(W_n-W_m\) bilden.
Vorzeichen beachten
Die Niveauenergien sind negativ (gebunden). Bei \(-1{,}51-(-3{,}40)\) hebt sich das doppelte Minus auf → \(\Delta W\) wird positiv.
