Kurz gesagt Licht als Energieträger In der Wechselwirkung mit Materie zeigt Licht Teilcheneigenschaften: Licht mit der Frequenz f verhält sich wie Lichtteilchen (Photonen) mit der Energie E = h·f. Photonen verhalten sich wie masselose Teilchen, im materiefreien Raum haben sie die Geschwindigkeit c. Impuls p der Photonen: p = h/ λ = E/c. (Das Planck’sche Wirkungsquantum h ist eine Naturkonstante.) Dies erklärt den Photoeffekt (Einstein) und die Beziehung zwischen der Frequenz des abgestrahlten Lichts und der Energiedifferenz der Energieniveaus der Atome (Bohr). Diese Vorstellung (Licht als Teilchen) steht im krassen Widerspruch zur klassischen Auffassung (Licht als interferenzfähige Welle). Aus diesem Widerspruch entwickelte sich die Quantenphysik. Quantenphysik Die Beziehung von de Broglie Auch Teilchen mit Masse m und Impuls p ist eine Wahrscheinlichkeitswelle Ψ zugeordnet mit der Wellenlänge λ = h/p Born’sche Deutung Das Verhalten der Elektronen und anderer Quantenobjekte wird durch eine Wahrscheinlichkeitswelle Ψ beschrieben. Beispielsweise wird die Wahrscheinlichkeit des Auftreffens von Elektronen an einer bestimmten Stelle des Schirms bei der Beugung am Doppelspalt durch das Quadrat der Amplitude dieser Welle Ψ 2 bestimmt. Heisenberg’sche Unschärferelation Ort und Impuls von Quantenobjekten können nicht gleichzeitig mit beliebiger Genauigkeit bestimmt werden. Für die minimalen Unschärfen des Orts Δx und des Impuls Δpx gilt: Δx·Δpx ≈ h Energiestufen in Atomen Die Linienspektren von Gasen werden durch die Existenz von Energiestufen (Niveaus) der Atome erklärt: Neben einem niedrigsten Energiezustand (Grundzustand) der Elektronen sind weitere Zustände mit genau definierter Energie möglich, die durch Energiezufuhr, z. B. durch Stöße zwischen Atomen oder durch Lichtabsorption, erreicht werden können. Bei der Rückkehr in niedrigere Energiezustände wird ein Photon mit der frei werdenden Energie emittiert. Atomaufbau Atome bestehen aus einem kompakten positiv geladenen Kern (Durchmesser etwa 10−14 m) und einer negativen Elektronenhülle, so dass sie insgesamt neutral sind. Orbitalmodell der Atome: Je nach Energiezustand bilden die Elektronen unterschiedliche Elektronenwolken (Orbitale) um den Kern. Räumliche Darstellungen der Orbitale zeigen die Aufenthaltswahrscheinlichkeiten der Elektronen in Kernnähe. Die Vorstellung von „Elektronenbahnen“ analog zu Planetenbahnen (Bohr’sches Atommodell) ist dabei nicht zutreffend. Gemäß dem Pauli-Prinzip können sich höchstens zwei Elektronen im selben Orbital befinden. Damit lässt sich das periodische System der Elemente erklären. Die Orbitale sind nach den Regeln der Quantenmechanik (Schrödingergleichung) für das Wasserstoffatom exakt berechenbar. Laser Laserlicht ist monochromatisch, kohärent, parallel (daher hohe Energiedichte) und polarisiert. Zur Erzeugung von Laserlicht müssen drei Bedingungen erfüllt sein: 1. Das Lasermedium muss ein langlebiges Energieniveau oberhalb eines kurzlebigen Energieniveaus besitzen. 2. Es muss effizient möglich sein, durch Energiezufuhr wesentlich mehr Atome in den höheren angeregten Zustand zu heben, als sich im niedrigeren befinden. 3. Das Lasermedium befindet sich zwischen zwei Spiegeln, die einen optischen Resonator bilden, wodurch sich eine stehende Lichtwelle bildet. Dadurch können Photonen in einer Richtung vielfach hin und her laufen, sie lösen nach dem Prinzip der stimulierten Emission eine Photonenlawine aus. Die Photonen verlassen das Lasermedium durch einen teilweise durchlässigen Spiegel. 127 3 Aufbau von Atomen Theorieentwicklung/Quantenphysik/Atomphysik Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv
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