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Leuchtstoffröhren, Laserpointer, Spektrallinien von Sternen und Atomuhren haben denselben Grundgedanken: Atome können Energie nur in bestimmten Portionen aufnehmen oder abgeben. Atomphysik erklärt, wie Atome aufgebaut sind, wie ihre Elektronen Energieniveaus wechseln und warum Licht dabei so verräterisch ist. Danach kannst du Photonenenergien berechnen und Spektren physikalisch deuten.
- Ich kann erklären, womit sich Atomphysik beschäftigt.
- Ich kann Energiezustände und Übergänge in der Atomhülle beschreiben.
- Ich kann Photonenenergie mit $E=h\cdot f$ berechnen.
- Ich kann Emission, Absorption und Spektrallinien unterscheiden.
- Ich kann Atomphysik von Kernphysik abgrenzen.
Worum es in der Atomphysik geht
Atomphysik fragt nicht nur, woraus Atome bestehen. Sie untersucht vor allem, wie die Elektronenhülle aufgebaut ist und wie Atome mit Licht, elektrischen Feldern, magnetischen Feldern und anderen Teilchen wechselwirken.
Atomphysik
Atomphysik ist ein Teilgebiet der Physik, das Atome und ihre Elektronenhülle untersucht. Sie erklärt Energiezustände, Spektren, Lichtaufnahme, Lichtabgabe und viele Präzisionsmessungen. Der Atomkern wird dabei meist nur als Kern des Atoms berücksichtigt; Kernreaktionen gehören zur Kernphysik.
Diese Abgrenzung ist wichtig. Röntgenstrahlung, Spektrallinien und Laser hängen stark mit der Elektronenhülle zusammen. Radioaktiver Zerfall und Kernspaltung betreffen dagegen den Atomkern.
Ein häufiger Sprachfehler ist: "Atomphysik ist alles mit Atomkernen." Historisch wurde das oft vermischt. Im heutigen Unterricht meint Atomphysik meist Vorgänge der Atomhülle und ihrer Energiezustände.
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Energiezustände statt beliebiger Energien
In der klassischen Physik könnte man oft erwarten, dass jede Energie möglich ist. Bei Atomen ist das anders: Elektronen können nur bestimmte gebundene Energiezustände einnehmen.
Energiezustand
Ein Energiezustand eines Atoms ist ein erlaubter Zustand mit bestimmter Energie. Elektronen in Atomen können nicht beliebige Zwischenenergien besitzen. Beim Wechsel zwischen Zuständen wird genau die Energiedifferenz aufgenommen oder abgegeben.
Das Wort quantisiert bedeutet: Eine Größe kommt in bestimmten Portionen vor. Bei Atomen betrifft das zum Beispiel die Energie der Elektronenhülle.
Ein Atom hat zwei Energieniveaus \(E_1\) und \(E_2\). Der Abstand beträgt \(2{,}0\,\text{eV}\).
Wechselt ein Elektron vom höheren zum tieferen Zustand, wird ein Photon mit
ausgesendet.
Wechselt es vom tieferen zum höheren Zustand, muss genau diese Energie aufgenommen werden.
Atome nehmen Licht nicht "irgendwie ein bisschen" auf. Für einen Übergang muss die Photonenenergie zur Energiedifferenz passen.
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Photonenenergie berechnen
Licht kann als elektromagnetische Welle und als Strom von Photonen beschrieben werden. Für einzelne Photonen ist die Frequenz entscheidend.
Photon
Ein Photon ist ein Lichtquant, also eine Portion elektromagnetischer Strahlung. Seine Energie hängt von der Frequenz \(f\) ab:
\(h\) ist die Planck-Konstante mit \(h\approx 6{,}626\cdot 10^{-34}\,\text{J}\,\text{s}\).
Die Einheit passt: \(\text{J}\,\text{s}\cdot \frac{1}{\text{s}}=\text{J}\). In der Atomphysik nutzt man zusätzlich oft Elektronenvolt:
Ein Photon hat die Frequenz \(f=5{,}0\cdot 10^{14}\,\text{Hz}\). Wie groß ist seine Energie?
In Elektronenvolt:
Ein Übergang hat die Energie \(2{,}0\,\text{eV}\). Welche Wellenlänge hat das Photon ungefähr?
Für Licht gilt näherungsweise:
Also:
Das liegt im sichtbaren roten Bereich.
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Emission, Absorption und Spektren
Spektren gehören zu den stärksten Werkzeugen der Atomphysik. Sie zeigen, welche Photonenenergien ein Atom abgeben oder aufnehmen kann.
Emission und Absorption
Emission bedeutet: Ein Atom gibt ein Photon ab, meist beim Übergang auf ein niedrigeres Energieniveau. Absorption bedeutet: Ein Atom nimmt ein Photon auf und gelangt auf ein höheres Energieniveau. Nur passende Photonenenergien führen zu bestimmten Übergängen.
Spektrallinie
Eine Spektrallinie ist eine helle oder dunkle Linie bei einer bestimmten Wellenlänge. Sie entsteht, weil Atome nur bestimmte Photonenenergien emittieren oder absorbieren. Jedes Element besitzt typische Linienmuster.
Ein Gas aus Wasserstoff wird elektrisch angeregt und leuchtet.
Die Elektronen werden auf höhere Energiezustände gebracht. Fallen sie zurück, senden sie Photonen mit bestimmten Energien aus. Im Spektrum siehst du deshalb einzelne helle Linien statt eines durchgehenden Regenbogens.
Mehr Lichtintensität bedeutet nicht automatisch mehr Energie pro Photon. Die Frequenz bestimmt die Energie eines einzelnen Photons. Die Intensität hängt auch davon ab, wie viele Photonen pro Zeit ankommen.
Photoeffekt als Prüfstein
Der Photoeffekt zeigte besonders deutlich, dass Licht Energie in Portionen überträgt.
Photoeffekt
Beim Photoeffekt können Elektronen aus einer Metalloberfläche ausgelöst werden, wenn Licht mit ausreichend hoher Frequenz auftrifft. Die Photonenenergie muss mindestens die Austrittsarbeit des Materials erreichen. Für die maximale kinetische Energie gilt vereinfacht:
Wenn die Frequenz zu klein ist, hilft auch sehr hohe Intensität nicht für einzelne Elektronen, solange kein einzelnes Photon genug Energie hat. Höhere Intensität bedeutet dann vor allem mehr Photonen, nicht energiereichere Photonen.
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Alles auf einen Blick
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Abschluss-Check
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Zusammenfassung
Atomphysik erklärt Atome, besonders ihre Elektronenhülle und deren Wechselwirkung mit Licht. Elektronen besitzen diskrete Energiezustände. Bei Übergängen werden Photonen aufgenommen oder abgegeben, deren Energie \(E=h\cdot f\) beträgt. Spektrallinien zeigen diese Energiedifferenzen und verraten, welche Atome beteiligt sind. Der Photoeffekt zeigt, dass die Frequenz die Energie einzelner Photonen bestimmt.