Ph9 Aufnahme und Abgabe von Energie

Ein Regenbogen entsteht, wenn Sonnenlicht auf Regentropfen beim Abregnen einer Wolke unter einem bestimmten Winkel treffen.

Mit einem Prisma kann man die Farbzerlegung weißen Lichtes zeigen.

Man sieht wie bei einem Durchgang durch Glas das weiße Licht in seine Spektralfarben aufgespalten wird.

Im folgenden Video wird es erklärt	Wem im linken Video zu viel Englisch gesprochen wurde, kann sich dieses Video auf Deutsch ansehen:

Merke: Durch Brechung in einem Medium wie Glas wird weißes Licht in seine Spektralfarben aufgespaltet. Weißes Licht besteht aus allen Farben unseres Farbspektrums.

  Aufgabe 1

Erkläre wie ein Regenbogen entsteht.

  Aufgabe 2

Wie sehen wir Farben?

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Weißes Licht bestrahlt einen Gegenstand. Wir sehen eine Farbe, wenn ein Teil der Strahlung, die von einem Gegenstand reflektiert wird, in unser Auge gelangt. Wir sehen einen Gegenstand rot, wenn er rote Strahlung reflektiert und den Rest der ankommenden weißen Strahlung absorbiert. Wenn wir einen Gegenstand weiß sehen, dann wird alles Licht reflektiert und kommt zusammen in unser Auge.

Es gibt aber nicht nur die Sonne oder Glühlampen die Licht aussenden und wir dieses Licht als weiß sehen. Manche Glühlampen haben einen gelben oder bläulichen Farbton. Wenn man in Chemie Natrium verbrennt, dann sieht man gelbes Licht.

Versuch Schau dir dieses Videos an und notiere deine Beobachtungen.

Merke: Die Spektren leuchtender Körper können einen kontinuierlichen Verlauf haben (Sonnenlicht, Glühlampe). Sie haben ein kontinuierliches Spektrum. Dieses sieht man, wenn das Licht durch ein Prisma geht, dabei gebrochen wird und in seine Spektralfarben zerlegt wird. Leuchtende Lampen können aber auch nur aus einzelnen Farben bestehen, den sogenannten Linien, sie haben dann ein Linienspektrum Dieses gibt Aufschluss über die chemische Zusammensetzung der Lichtquelle.

Versuch Im nächsten Video geht es um das Sichtbarmachen von Linienspektren. Im Unterricht hätten wir das ausgesendete Licht hinter einem Prisma beobachtet. In dem Video werden Gitter verwendet, die auch weißes Licht aufspalten. Schau dir hierzu die ersten 10 Minuten des Videos an. Auf dieser Seite von Leifiphysik wird das Zustandekommen von Spektren mit schönen Applets erklärt.

  Aufgabe 3

Schaue dir im Buch auf S. 104-105 die Linienspektren an.

Spektrum einer
Quecksilberdampflampe	Natriumdampflmape	Wasserstoff

  Aufgabe 4

1. Schaue dir die Enstehung von Energiestufen auf der Seite von Leifiphysik an.
2. Erkläre mit Hilfe des Bohrschen Atommodells (Schalenmodell) die Entstehung eines Linienspektrums.

Merke: In der Atomhülle sind die Elektronen auf bestimmten Bahnen um den Kern. Auf diesen Bahnen haben die Elektronen ganz bestimmte Energiewerte. Zwischenwerte für Elektronen gibt es in der Atomhülle nicht. Das Atom hat diskrete Energieniveaus. Auf inneren Bahnen ist der Energiewert des Elektrons kleiner als auf einer äußeren Bahn. Nehmern die Elektronen eine Energie auf, die geraden der Differenz der Energieniveaus zweier Bahnen entspricht, dann kann es von der inneren Bahn auf die äußere Bahn gehoben werden. Diese Energieaufnahme kann durch eine angelegte Spannung, durch Stöße, ... erfolgen. Das Atom ist dann in einem angeregten Zustand. Wenn ein Elektron auf eine höhere Bahn gelangt ist, bleibt es nicht dort, sondern will wieder auf eine Bahn niedrigerer Energie herunter, da in der Natur jedes System in einem Zustand niedrigster Energie sein will. Dabei gibt es dann die Energiedifferenz in Form eines Photons ab. Ein Photon ist eine elektromagnetische Welle, die wir als Licht in einem bestimmen Frequenzbereich sehen.

Für das Wasserstoffatom kann man die Situation so darstellen. Das Wasserstoffatom besteht aus einem Proton im Atomkern und einem Hüllenelektron. Dieses Hüllenelektron kann sich auf verschiedenen Bahnen um den Atomkern bewegen. Normalerweise ist es auf der innersten Bahn.

Die waagrechten Linien sind die Energieniveaus der Bahnen von Elektronen. Auf der innersten Bahn ist das Elektron bei m = 1 (links unten im Diagramm.) Führt man dem Elektron nun Energie zu, dass es auf eine höhere Bahn gelangt, indem man ihm genau die Energiedifferenz der Bahnen zufügt, dann wird das Elektron auf eine höhere Bahn gehoben und hat nun diese Energiedifferenz mehr Energie. Zum Beispiel kann es auf die Bahn m = 3 gehoben werden. Es hat nun 12,09eV mehr Energie als auf seiner innersten Bahn. 1eV (Elektronenvolt) ist eine Energieeinheit, die im atomaren Bereich verwendet wird. Es ist 1eV = 1,6·10^-19J.
Das Elektron bleibt aber nicht auf der Bahn m = 3. Es will wieder auf eine Bahn niedrigerer Energie wechseln. Von der Bahn m = 3 kann es auf die Bahn mit m = 2 heruntergehen. Dabei gibt es die Energie $\Delta$E = 12,09eV - 10,2eV in Form eines Photons ab, das wir als Licht wahrnehmen. Nach einer kurzen Zeit geht es weiter in seinen Grundzustand m = 1 und gibt dabei die Energiedifferenz dieser beiden Bahnen $\Delta$E=10,2eV - 0eV wieder als Photon ab. Allerdings sehen wir dieses Photon nicht, da es im UV-Bereich ist.
Das Elektron hätte aber auch von der Bahn m = 3 gleich auf die Bahn m = 1 springen können. Dabei hätte es dann die Energie $\Delta$E = 12,09eV - 0eV abgegeben. Das Atom sendet dann das Photon mit der Energie E = 12,09eV aus, welches wir wieder nicht sehen, da es im UV-Bereich ist.

Merke Ist das Elektron auf der innersten Bahn m = 1, dann ist das Wasserstoffatom bzw. das Elektron im Grundzustand. Wird das Elektron in der Hülle des Wasserstoffatoms auf eine Bahn m > 1 gehoben, dann ist das Wasserstoffatom angeregt und das Elektron hat nun auf der Bahn m eine höhere Energie, die genau der Energiedifferenz der Bahnen m und 1 entspricht. Der Übergang des angeregten Atoms in den Grundzustand kann auf verschiedene Arten erfolgen. Das Elektron kann gleich auf seine Bahn m = 1 gehen und das Atom gibt dabei die Energiedifferenz der zwei Energieniveaus der Bahnen als Photon ab. Oder das Elektron geht über eine oder mehrere innere Bahnen in den Grundzustand. Dabei werden jeweils die Energiedifferenzen der Energieniveaus der Bahnen als Photonen abgegeben. Nur bei Übergängen auf die Bahn m = 2 sehen wir die ausgesendeten Photonen als Licht. Im Bohrschen Atommodell sind diese Übergänge möglich: Im sichtbaren Bereich erhält man diese Spektrallinien, die charakteristisch für Wasserstoff sind: Rotes Licht ist energieärmer als blaues Licht, also entsteht die orange (rote) Linie beim Übergang von m = 3 zu m = 2, die türkise (hellblaue) Linie beim Übergang von m = 4 zu m = 2, die nächste blaue Linie beim Übergang von m = 5 zu m = 2, ...

  Aufgabe 5

Schaue dir auf dieser Seite von Leifiphysik die Entstehung von Linienspektren an.

Merke: Die Energie eines Photons ist abhängig von seiner Frequenz (Farbe des Lichts). Sie ist am größten am blauen Rand des Spektrums und am kleinsten am roten Rand des Spektrums. Die Energie eines Photons ist durch E = h·f gegeben. Dabei ist f die Frequenz des Photons und h = 6,626·10-34Js das Plancksche Wirkungsquantum. Ein Photon ist eine elektromagnetische Welle.

  Aufgabe 6

Bearbeite das Quiz zu Licht und Atom.