Elemente, Schulbuch

19 1.5 DIe EleKtrOnenhÜlle Die Atomspektren Weißes Licht, das von einem heißen Körper ausgesendet wird, lässt sich durch ein Beugungsgitter oder ein Prisma spektral zerlegen. Alle Wellenlängen sind lückenlos vertreten. Lässt man weißes Licht durch ein Gas (zB Metalldampf) fallen und zerlegt man es nachher spektral, so fehlen bestimmte Wellenlängen. Diese werden offenbar von den Atomen absorbiert. Ein so entstandenes Spektrum nennt man Absorpti- onsspektrum . Die fehlenden Wellenlängen sind genau die, deren Quantenenergie exakt zu den Energieniveau-Unterschieden in der Elektronenhülle passen. Licht wird also absor- biert, wenn ein Elektron ein Quant verschluckt und mit dieser Energie auf einen energetisch höher liegenden, erlaubten Zustand gelangt. Alle anderen Quanten, die nicht die passende Energie besitzen, werden nicht absorbiert. Dieser angeregte Zustand des Atoms ist äußerst kurzlebig (10 –8 s). Dann kehrt das Elektron wieder auf tiefer liegende erlaubte Zustände zurück. Die Energiedifferenz gibt es wieder in Form eines elektromagnetischen Quants ab. Diese von angeregten Atomen abgegebenen Quanten bilden das Emissionsspektrum . Es ist dadurch ge- kennzeichnet, dass nur bestimmte Wellenlängen vertreten sind. Das Emissionsspek- trum ist für das jeweilige Element charakteristisch. Natürlich werden die Lichtquan- ten nicht in derselben Richtung emittiert, in der vorher die Anregung erfolgt ist. Daher können sowohl Absorptions- wie Emissionsspektrum beobachtet werden. Die Anregung von Atomen muss nicht durch Absorption von Lichtquanten erfolgen. Auch durch Elektronenstoß ist Anregung möglich. Darauf beruhen die heute viel verwendeten Leuchtstoffröhren und die bunten Reklameröhren. Die Neonröhre zB sendet rotes Licht aus. Offenbar liegt in der Hülle des Edelgases Neon eine Energie- differenz so, dass bei Emission Lichtquanten des roten Lichtes entstehen. Auch durch Erhitzen kann eine Anregung erfolgen. Darauf beruht die gelbe Flammenfär- bung von Natrium und seinen Verbindungen. Bei der Emission, die der Anregung folgt, muss der Grundzustand nicht in einem Schritt erreicht werden. (Abb.18.3) Es ist zB möglich, dass ein unsichtbares UV-Quant eine Anregung über mehrere Stufen bewirkt, beim schrittweisen Zurückfallen des Elektrons in den Grundzustand dann aber Quanten des sichtbaren Lichtes emittiert werden. Darauf beruht die Fluores- zenz , die bei vielen Mineralien auftritt, die aber auch in der Leuchtstoffröhre zum Umwandeln des für die Beleuchtung nutzlosen UV-Lichtes in sichtbares Licht aus- genutzt wird. Ein ähnlicher Leuchtstoff wird in der Bildröhre des Fernsehapparats durch Elektronenstoß angeregt und gibt dann sichtbares Licht ab. Auch die opti- schen Aufheller, die in kleinen Mengen in modernen Vollwaschmitteln enthalten sind und auf Baumwollfasern haften bleiben, wandeln UV-Licht durch Fluoreszenz in sichtbares Licht aus dem blauen Bereich um. Dadurch entsteht der Eindruck eines besonders strahlenden Weißtons der Wäsche. Mit Hilfe der Absorptions- und Emissionsspektren lassen sich Atome identifizieren. Dies ist eine sehr rasche und empfindliche Analysenmethode. So wird zB bei der Edelstahlherstellung in kürzester Zeit aus dem Emissionsspektrum die Zusammen- setzung der Stahlschmelze ermittelt. Durch solche begleitenden Analysen lässt sich die Produktion kontrollieren und eine gleich bleibende Qualität garantieren. Aus der Spektralanalyse des Lichtes von Fixsternen weiß man genau über die in den Sternen vertretenen Elemente Bescheid. Dies hat zu sehr gut begründeten Theorien über Aufbau und Entstehung des Weltalls geführt. Die Beobachtung der Spektren war der Grund für die Entwicklung der Modelle der Elektronenhülle. Niels Bohr (1885–1962) hat sein Schalenmodell entwickelt, um die Spektren damit erklären zu können. Dafür nahm er auch den Widerspruch seines Modells mit den physikalischen Gesetzen in Kauf, dass jedes kreisende Elektron ei- gentlich Energie abstrahlen muss. 1925 entwickelte der österreichische Nobelpreis- träger Erwin Schrödinger (1887–1961) das wellenmechanische Atommodell, bei dem solche Widersprüche nicht auftreten. Prisma Lichtquelle weißes Licht Probe Absorptions- spektrum Emissions- spektrum Prisma Brenner Probe 700 650 600 550 500 450 400 Wellenlänge in nm Na Hg H Abb. 19.2: Absorptionsspektrum Abb. 19.3: Emissionsspektrum Abb. 19.4: Emissionsspektren von Na, Hg und H Abb. 19.1: Spektrum des weißen Lichtes Spektrum des weißen Lichtes Prisma Lichtquelle weißes Licht Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv