Absorptions- und Emissionsversuche

Absorptions- und Emissionsversuche Übung

• Beschreibe die Begriffe quantenhafte Emission und quantenhafte Absorption.

  Tipps

  Unter Emission versteht man die Aussendung von Photonen und unter Absorption die Aufnahme von Photonen.

  Lösung

  Das Wort Quant kommt aus dem Lateinischen von quantum ("wie groß"). In der Physik wird unter einem Quant eine ganz bestimmte (Energie-)Portion verstanden.

  Zu Beginn des zwanzigsten Jahrhunderts zeigte sich in Experimenten, dass Atome keine beliebigen Energieportionen aufnehmen (absorbieren) und gleichfalls nur ganz bestimmte Energieportionen abgeben (emittieren). Dies war die Geburtsstunde einer umfassenden physikalischen Theorie, der Quantenphysik, mit der die Beschreibung vieler weiterer bis dahin ungeklärter Phänomene gelang.

• Beschreibe den Weg des Lichts in dem Versuch von Balmer.

  Tipps

  Das Licht bewegt sich von der Gasentladungslampe kommend durch Blende, Linse und Gitter zum Schirm.

  Lösung

  Mit seinem Versuch machte Johann Jakob Balmer die Spektrallinien des Wasserstoffs deutlich sichtbar und konnte sie auch mithilfe des Bohr'schen Atommodells mathematisch beschreiben. Andere Wissenschaftler entdeckten noch andere Spektrallinien, die aber außerhalb des sichtbaren Spektrums liegen und demnach nicht mit dem Auge beobachtet werden konnten. Die Folge der Spektrallinien, die Balmer beobachtete und beschrieb, wird Balmer-Serie genannt. Neben ihr gibt es für das Wasserstoffatom noch die Lymann-Serie (im ultravioletten Bereich), die Paschen-Serie, die Brackett-Serie und die Pfund-Serie (alle drei im Infrarot-Bereich).

• Vergleiche Emissions- und Absorptionsspektren verschiedener Stoffe.

  Tipps

  Ein Stoff absorbiert Licht der gleichen Farben, welche er auch emittieren kann.

  Die Summe von Emissionsspektrum und Absorptionsspektrum bildet ein vollständiges Spektrum.

  Lösung

  Bei den Emissionsversuchen wird der Stoff zur Aussendung von Licht angeregt. Dies tut er in ganz bestimmten Energiebeträgen. In den Absorptionsversuchen hat sich gezeigt, dass der Stoff die gleichen konkreten Energiewerte absorbiert, die er selber auch emittieren könnte.

  Emissions- und Absorptionsspektren sind so charakteristisch für einen Stoff, dass sie sehr gut zur Identifizierung von Stoffen benutzt werden können. Dies findet zum Beispiel in der Astrophysik Anwendung. Wenn sich ein weit entfernter Planet genau zwischen die Erde und sein Muttergestirn bewegt, dann kann das Absorptionsspektrum des Planeten aufgenommen werden und es können hierdurch Rückschlüsse auf die Stoffe, die sich in seiner Atmosphäre befinden, gewonnen werden.

• Beschreibe die zu erwartende Beobachtung bei dem Versuch zur Resonanzabsorption.

  Tipps

  Bedenke, dass ein Stoff nur das Licht absorbieren kann, das er auch emittieren kann.

  Das Licht von Stoff 1 trifft auf den Stoff 2, bevor es auf den Schirm trifft.

  Lösung

  Ein Atom kann nur den Energiebetrag absorbieren, den es auch emittieren könnte. Bei der Resonanzabsorption hat das auf den Stoff treffende Licht genau den passenden Energiebetrag, wodurch das Licht absorbiert werden kann. Ein Atom wird bei der Absorption angeregt und kehrt sehr schnell wieder in den ursprünglichen Zustand zurück, indem es ein Photon der gleichen Energie abstrahlt.

  Die beiden Spektren in dem beschriebenen Versuch haben nur eine Linie gemeinsam. Dies bedeutet, dass der Stoff 2, der als Dampf in den Strahlengang gebracht wird, auch nur den Energiebetrag dieser Linie absorbieren kann. Er strahlt Photonen mit dem gleichen Energiebetrag in alle Richtungen ab, wodurch er leicht orange leuchtet und die orange Spektrallinie auf dem Schirm verschwindet. Alle andere Spektrallinien können den Dampf ungehindert durchdringen, weshalb sich das Spektrum ansonsten nicht verändert.

• Beschreibe die Beobachtungen bei dem Emissionsversuch.

  Tipps

  Unter Emission versteht man die Aussendung von Photonen und unter Absorption die Aufnahme von Photonen.

  Die Natriumdampflampe absorbiert die gleichen Teile des Spektrums, die sie auch emittiert.

  Lösung

  In der Abbildung ist das Absorptionsspektrum (oben) und das Emissionsspektrum (unten) von Natrium abgebildet. Das Natrium in der Dampflampe kann genau die Linien, die es emittieren kann, auch absorbieren. Wenn die Dampflampe also in den Strahlengang von weißem Licht gebracht wird, so wird ein Teil des orangen Lichts von dem Natrium absorbiert und direkt wieder abgegeben. Da das orange Licht nicht nur in die Richtung des Schirms, sondern in alle Richtungen gleichermaßen abgestrahlt wird, ist in dem vollständigen Spektrum der Glühlampe eine dunkle Linie im orangen Bereich zu beobachten.

• Bestimme die Wellenlänge des bei der Fluoreszenz emittierten Photons.

  Tipps

  Die Energie eines Photons kann mit $E=\frac{h\cdot c}{\lambda}$ berechnet werden.

  Bedenke, dass du die Energie in die Einheit eV umrechnen musst, indem du durch die Elementarladung e teilst.

  Lösung

  In bestimmten Fällen kommt es bei der Resonanzabsorption vor, dass ein Atom, das ein Photon absorbiert hat, einen kleinen Teil der aufgenommenen Energie als Wärme abgibt und erst dann ein Photon emittiert. Das emittierte Photon hat dadurch eine geringere Wellenlänge als das zuvor absorbierte Photon. Der Prozess, bei dem dies geschieht, wird Fluoreszenz genannt und du hast ihn vielleicht schon einmal beobachtet. So genannte Schwarzlichtröhren erhellen einen Raum nicht, da ihr Licht nicht im sichtbaren Spektralbereich liegt. Sehr weiße Körper leuchten in dem Schwarzlicht aber in einem sehr hellen violett, da sie Photonen emittieren, die eine geringere Energie haben, also eine größere Wellenlänge als die ursprünglich absorbierten Photonen.

  Die Wellenlänge der Photonen aus der Aufgabe kannst du wie folgt berechnen. Zunächst muss die Energie der Photonen des Schwarzlichtes in eV berechnet werden: $E=\frac{h\cdot c}{\lambda} \rightarrow E = 3,44\ eV$.

  Dieser Energiebetrag wird von den Atomen des Stoffs aufgenommen. Die Atome sind dann angeregt. Der Energiebetrag angeregten Atome reduziert sich durch die Abgabe von Wärme zunächst auf $3,44\ eV - 0,44\ eV = 3,00\ eV$.

  Diese Restenergie wird in Form eines Photons abgestrahlt:

  $\lambda=\frac{h\cdot c}{E}\rightarrow \lambda=413\ nm$.

  Während das Schwarzlicht der Lichtquelle mit 360 nm außerhalb des sichtbaren Spektrums liegt, liegen 413 nm im violetten Bereich des sichtbaren Spektrums, der Stoff scheint daher wie eine aktive Lichtquelle zu leuchten.