elektronische Struktur der Atome

• Elektromagnetische Strahlung


  Strahlungsenergie, die sich im Vakuum mit Lichtgeschwindigkeit bewegt und wellenartige Eigenschaften besitzt
• Elektromagnetische Strahlung


  • Besitzt Wellenlänge und Frequenz
  • Frequenz und Wellenlänge hängen über die Gleichung nl=c zusammen
• Formen elektromagnetischer Strahlung


  • Radiowellen
  • Infrarotstrahlung
  • Sichtbares Licht
  • Röntgenstrahlung
  • Gammastrahlung
• Wellenlänge


  Abstand zwischen zwei benachbarten Wellenbergen oder -tälern
• Frequenz


  Anzahl der pro Sekunde auftretenden Zyklen einer Welle
• Sichtbares Licht macht nur einen kleinen Teil des elektromagnetischen Spektrums aus
• Sichtbares Licht löst in unseren Augen chemische Reaktionen aus, wodurch wir es wahrnehmen können
• Die Einheit für die Wellenlänge hängt von der jeweiligen Strahlungsart ab
• Lichtenergie


  Hat Welleneigenschaften, besteht aus elektromagnetischen Wellen
• Amplitude


  Gleich dem Maximum der Wellenoszillation und von der Intensität der Strahlung abhängig
• Wellenlänge


  Einheit hängt von der jeweiligen Strahlungsart ab
• Frequenz


  Wird in Zyklen pro Sekunde (Hertz, Hz) ausgedrückt
• Röntgenstrahlen durchdringen unseren Körper, aber sichtbares Licht nicht
• Wellenlänge (λ)


  Beziehung zur Frequenz (ν): ν = c/λ
• Berechnung der Frequenz aus der Wellenlänge


  Einsetzen der Werte für Wellenlänge und Lichtgeschwindigkeit in die Formel ν = c/λ
• Ein Laser in der Augenchirurgie hat eine Wellenlänge von 640,0 nm
• Planck stellte die Hypothese auf, dass Atome Energie nur in diskreten Beträgen einer minimalen Größe aufnehmen oder abgeben können
• Quant


  Die kleinste Energiemenge, die als elektromagnetische Strahlung emittiert oder absorbiert werden kann
• Energie eines Quants


  E = h * ν, wobei h das Planck'sche Wirkungsquantum ist
• Materie kann Energie nur in ganzzahligen Vielfachen von h * ν emittieren oder absorbieren
• Gequantelte Energie


  Erlaubte Energien sind auf bestimmte Werte beschränkt
• Das von einer Natriumdampflampe erzeugte gelbe Licht, das oft für Beleuchtungen verwendet wird, hat eine Wellenlänge von 589 nm.
• (a) Ein in der Augenchirurgie zum Verschmelzen der Retina verwendeter Laser hat eine Wellenlänge von 640,0 nm. Berechnen Sie die Frequenz dieser Strahlung.

  Antwort: 4,688*10^14 s^-1
• (b) Ein UKW-Radiosender sendet elektromagnetische Strahlung mit einer Frequenz von 103,4 MHz (Megahertz, MHz=10^6s^–1). Berechnen Sie die Wellenlänge dieser Strahlung.

  Antwort: 2,901 m
• Wenn Festkörper erhitzt werden, emittieren sie Strahlung.
• Die Wellenlängenverteilung der Strahlung hängt von der Temperatur ab, ein rotglühendes Objekt ist z.B. kälter als ein weißglühendes Objekt (Abbildung 6.5).
• Max Planck (1858–1947) löste im Jahr 1900 diesen Widerspruch auf: Er stellte die revolutionäre Hypothese auf, dass Atome Energie nur in diskreten Beträgen einer minimalen Größe aufnehmen oder abgeben können.
• Quant


  Kleinste Energiemenge, die als elektromagnetische Strahlung emittiert oder absorbiert werden kann
• E=hν


  Energie eines einzelnen Quants ist gleich einer Konstanten (Planck'sches Wirkungsquantum h) multipliziert mit der Strahlungsfrequenz
• Gemäß der Planck'schen Theorie kann Materie Energie nur in ganzzahligen Vielfachen von hν wie z.B. hν, 2hν, 3hν usw. emittieren oder absorbieren.
• Gequantelte Energie


  Erlaubte Energien sind auf bestimmte Werte beschränkt
• Analogie: Rampe vs. Treppe


  Rampe: potenzielle Energie nimmt kontinuierlich zu

  Treppe: potenzielle Energie ist auf bestimmte Werte beschränkt (gequantelt)
• Plancks Regel für die Aufnahme und Abgabe von Energie ist immer gültig, egal, ob es sich um Objekte gewöhnlicher Größe oder um mikroskopische Objekte handelt.
• Bei makroskopischen Objekten ist die Aufnahme oder Abgabe eines einzigen Energiequants angesichts der Größe des Objekts jedoch völlig unauffällig.
• Bei der Betrachtung von Materie auf atomarer Ebene sind die Auswirkungen gequantelter Energien dagegen sehr viel größer.
• Albert Einstein (1879–1955) gelang es 1905 mit Hilfe der Planck'schen Quantentheorie den photoelektrischen Effekt (Abbildung 6.7) zu erklären.
• In Experimenten war gezeigt worden, dass durch die Bestrahlung einer Metalloberfläche mit Licht Elektronen aus dem Metall emittiert werden können.
• Dabei besitzt jedes Metall eine unterschiedliche minimale Lichtfrequenz, unterhalb derer keine Elektronen emittiert werden.
• Energie des Photons=E=hν


  Strahlungsenergie ist gequantelt
• Photoelektrischer Effekt


  Wenn Photonen mit ausreichend hoher Energie auf eine Metalloberfläche treffen, werden aus dem Metall Elektronen emittiert