Atome - Energiespektren und Energiestufenmodell, Physikübungen

Diskrete und kontinuierliche optische Spektren, Energiestufenmodell des Atoms, Absorptionsspektrum der Erdatmosphäre - Gesamtaufgabenbestand (lehrplanunabhängig) - 25 Aufgaben in 6 Levels

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    Das Emissionsspektrum von glühenden Körpern hat keine "Lücken".
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    Emissionsspektren

    Die Gesamtheit aller Photonen, die ein Körper (Molekül, Atom) aussendet, nennt man sein Emissionsspektrum. Die ausgesendeten Photonen können verschiedene Energien besitzen und gehören damit zu verschiedenen Strahlungsarten bzw. Farben.
    • Kontinuierliches Spektrum
      Glühende Körper (Sonne, Glühlampe, Kerzenlicht) haben ein kontinuierliches Emissionsspektrum. Die Farben aus denen das Licht besteht gehen fließend, ohne Sprünge ineinander über:


    • Diskretes Spektrum
      Atome und Gase können bei Anregung (etwa bei der Verbrennung) ein diskretes Spektrum (Linienspektrum) aussenden. Es werden nur bestimmte Farben/Strahlungen ausgesendet, die im Spektrum als senkrechte Linien erkennbar sind.

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    Glühende Körper haben ein Emissionsspektrum. Das ist die Gesamtheit aller Photonen, die sie .
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Atomare Spektren (U2-08-02)
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Emissionsspektren

Die Gesamtheit aller Photonen, die ein Körper (Molekül, Atom) aussendet, nennt man sein Emissionsspektrum. Die ausgesendeten Photonen können verschiedene Energien besitzen und gehören damit zu verschiedenen Strahlungsarten bzw. Farben.
  • Kontinuierliches Spektrum
    Glühende Körper (Sonne, Glühlampe, Kerzenlicht) haben ein kontinuierliches Emissionsspektrum. Die Farben aus denen das Licht besteht gehen fließend, ohne Sprünge ineinander über:


  • Diskretes Spektrum
    Atome und Gase können bei Anregung (etwa bei der Verbrennung) ein diskretes Spektrum (Linienspektrum) aussenden. Es werden nur bestimmte Farben/Strahlungen ausgesendet, die im Spektrum als senkrechte Linien erkennbar sind.

Absorptionsspektren

Breitet sich Licht z.B. durch ein Gas aus, dann absorbieren die Atome (Moleküle) des Gases bestimmte Photonen. Sie fehlen anschließend im Spektrum des Lichts. Das verbleibende Spektrum nennt man Absorptionsspektrum.

Absorptionsspektren reiner Elemente (im sichtbaren Bereich):
H
He
Ne
Na
Sr
Hg

Das Absorptionsspektrum eines Elements ist das "Gegenteil" seines Emissionsspektrums.
Beispiel
Aus welchen Elementen besteht das unbekannte Gas?
Weißes Licht, das sich durch ein unbekanntes Gas ausbreitet, wird mit einem Spektroskop untersucht. Auf dem Schirm ist folgendes Spektrum zu sehen:
graphik
▇Hgraphik
▇Hegraphik
▇Negraphik
▇Nagraphik
▇Srgraphik
▇Hggraphik
Absorptionsspektrum der Erdatmosphäre

In der Erdatmosphäre kommen bestimmte Gase vor:

GasAnteil am Volumen
Stickstoff N278 %
Sauerstoff O221 %
Argon Ar0,9 %
Wasserdampf H2O0,4 %
Kohlenstoffdioxid CO20,04 %
Methan CH40,00018 %
Lachgas N2O0,00003 %
Ozon O30,000005 %

Die Gase absorbieren Photonen des Sonnenlichts mit bestimmten Energien. Die Absorptionslinien der Gasmoleküle liegen oft dicht beieinander und bilden sog. Bänder. Das Absorptionsspektrum der Erdatmosphäre (grau) ist die Summe aller Absorptionsspektren seiner Gase.


Oben: Absorptionsspektrum der Erdatmosphäre
Unten: Absorptionsspektren wichtiger Gase
Energiestufenmodell des Atoms

Mit dem Energiestufenmodell kann man erklären, warum ein Atom nur Photonen bestimmter Energien aufnehmen (absorbieren) und aussenden (emittieren) kann. In dieser Modellvorstellung kann jedes Atom nur bestimmte Energiewerte (Energiestufen) besitzen.

E1 ist der Grundzustand, die niedrigste Energiestufe des Atoms, zu dem es stets zurückkehren will. Alle anderen Zustände sind angeregte Zustände, wenn das Atom Energie aufgenommen hat.

Um von einer Energiestufe zu einer anderen zu gelangen, muss das Atom exakt die Energie bis zu dieser Stufe aufnehmen bzw. abgeben, z.B. in Form eines Photons.


Mögliche Aufnahmen (Orange) und Abgaben (Blau) von Photonen eines Atoms bei vier Energiezuständen.
Beispiel
Bestimme alle Lichtfarben im sichtbaren Bereich, die das Atom emittieren kann.
Energiestufen des Atoms:
0,8
 
eV
    
    
3,4
 
eV
    
    
10,1
 
eV

Infrarot1,2 meV - 1,7 eV
Rot1,7 - 1,9 eV
Orange1,9 - 2,1 eV
Gelb2,1 - 2,2 eV
Grün2,2 - 2,5 eV
Blau2,5 - 3 eV
Violett3 - 3,2 eV
Ultraviolett  3,2 - 120 eV