Fragen zu Atomphysik

Ania · Gast

Hallo, ich schreibe morgen eine Physikklausur und die Nozte gibs dann im Abi... da ich aber eher ne Null in Physik bin, versteh ich nicht so viel...

Unser Thema ist Atomphysik und ich hätte da ein paar Fragen zu:

1. Erklären Sie, warum Wasserstoff im Zustand n = 1 das bei Übergängen emittierte Licht durchlässig ist?

2. was passiert, wenn dem Wasserstoffatom im Grundzustand die Energie 21,7 * 10^-19 zugeführt wird?

3. Wenn Licht einer Natriumdampflampe auf eine mit Kochsalz gefärbte Flamme trifft, wird die Flamme ja intensiv Gelb, weil dort auch Natrium erhalten ist, hab ich das so verstanden. Aja und man sieht ja auch nen Schatten. Aber wie kann man jetzt die Energiedifferenz für das Na - Atom ausrechnen?
Und was würde passieren wenn man statt der Natrium eine Hg-dampflampe benutzt? Dann gäbe es keinen Schatten mehr, weil kein die teilchen dann nicht absorbiert werden oder wie?

4. Welches ist das höchste Energieniveau, das im Grundzustand befindliche Wasserstoffatom nach einer Wechselwirkunbg mit Elektronen der energie 12,6eV erreichen könnte?

5. Das Spektrum von Kochsalz zeigt bei 589 nm eine gelbe Linie. Welche energetische Umsetzung hat das Atom hierbei angenommen?

Es wäre super wenn mir einer helfen könnte... ich weiß es ist mein Fehler, dass ich so kurzfristig mit lernen angefangen habe, aber ich habe erst mein abi hinter mir... deswegen würde ich mich super freuen wenn mir einer hilft und dadrauf antworten geben könnte, am besten kurz und knapp... und bitte gebt mir keine Seiten zum Durchlesen, ich schaff das sonst alles nicht mehr unglücklich

Liebe grüße, Ania

as_string · Moderator Anmeldungsdatum: 09.12.2005 Beiträge: 5785 Wohnort: Heidelberg

Hallo!

Also, ich mache mal den Anfang, obwohl mir nicht alle Fragen so ganz klar sind, glaub ich.

Bei der ersten fängts schon an: Irgendetwas kann da nicht stimmt, mal abgesehen davon, dass die Grammatik des Satzes schon falsch ist, oder? Vergleiche das bitte nochmal mit der Originalaufgabe...
Bei der 2.: Die gegebene Energie entspricht einen Rydberg, also der sog. Ionisationsenergie des H-Atoms. Ionisationsenergie bedeutet, dass das die Energie ist, die man dem einzigen Elektron im H-Atom zuführen muß, dass es ganz aus dem Coulomb-Potential des Atomkerns rausbefördert werden kann. Die Antwort wäre also, dass man danach nur noch ein H+-Ion hat (also ein einzelnes Proton) und das Elektron wegfliegen würde.

Bei der 3.: Das mußt Du Dir glaube ich noch etwas genauer klar machen. Vielleicht verstehe ich auch nicht so ganz, was Du geschrieben hast. Ich veruchs einfach nochmal ausführlich zu erklären:
Du hast Licht, das sich auf Frequenzen/Wellenlängen/Energieen zusammensetzt, die Übergängen im Natriumatom entsprechen, weil eben genau das bei einer Natriumdampflampe emmitiert wird. Jetzt geht dieses Licht durch ein Gebiet mit vielen einzelnen Natriumatomen. Die Differenzen der Energieniveaus dieser Atome (Übergangsenergieen) entsprechen genau denen des Lichts aus der Lampe.
So ein Atom kann jetzt drei verschiedene Sachen mache, wenn es mit Licht bestrahlt wird:
1. induzierte Absorption: Ein Photon ("Lichtteilchen") wird vom Atom eingefangen und seine Energie wird in eines oder mehrere (das ist allerdings seltener) Elektronen des Atoms gesteckt. Dazu muß aber die Energie des Photon einem erlaubten Übergang des Atoms vom aktuellen Zustand (der kann ja auch angeregt sein) zu einem angeregteren entsprechen, sonst passiert da nix. Das Photon kann seine Energie auch nicht in Teilen abgeben sondern immer nur komplett.
2. spontane Emission: Das Atom ist in einem angeregten Zustand (ein Elektron ist z. B. in einer höheren Bahn). Mit einer bestimmten Wahrscheinlichkeit, die vom Zustand abhängt, und damit auch mit einer bestimmten Halbwertszeit fällt das Atom unter Aussendung eines Photons in einen niedrigeren Zustand. Das Photon hat dann genau die Energie der Differenz des der beiden Energiezustände. Der Endzustand muß nicht unbedingt der niedrigste sein, er muß nur niedriger sein, als der vorher. Man kann quantenmechanisch die Übergangswahrscheinlichkeiten von einem Zustand zu einem anderen ausrechnen, das ist aber recht schwierig. Man nennt diese Werte dann glaube ich Einsteinkoeffizienten. Aber das ist jetzt nicht so wichtig für Dich, denke ich mal.
3. induzierte Emission: Das finde ich das erstaunlichste, eigentlich! Warum das so ist kann man aber nur quantenmechanisch erklären, aber es ist wirklich so und die Basis für alle Gaslaser.
Wenn ein Photon auf ein angeregtes Atom trifft für das ein Übergang existiert, der der Energie des eintreffenden Photons entspricht, dann gibt es eine recht hohe Wahrscheinlichkeit (höher als bei der spontanen Emission), dass das Atom ein passendes Photon zusätzlich abgibt, indem es vom höheren zum niedrigeren Zustand springt. Die beiden Photonen befinden sich dann in ein und demselben quantenphysikalischen Zustand. Das kann dann sogar nochmal mit einem weiteren Atom passieren, so dass dann 3 Photonen in diesem Zustand sind und so weiter. Die Wahrscheinlichkeit wird sogar immer höher, je mehr Photonen im ursprünglichen Strahl sind, so dass man eine schöne Verstärkung, was im Laser ausgenutzt wird.

So, jetzt aber zurück zu Deiner Lampe: Im Dampf werden wahrscheinlich viel mehr Atome im Grundzustand sein, als in einem angeregten. Das führt dazu, dass das Licht erstmal von den Atomen (nur von ein paar wenigen, das reicht aber schon) absorpiert wird und die Atome erstmal in einem höheren Zustand sind. Der ursprüngliche Lichtstrahl, der gerade durch das Gas ging, wird dadurch also abgeschwächt, so dass man hinten einen Schatten sieht. Die Atome machen aber nach einer gewissen Zeit (die ist nicht so besonders lange, ich glaube so im Nanosekunden bis Mikrosekunden-Bereich typischerweise. Es gibt allerdings auch semistabile Zustände, die einige Minuten halten können) eine spontane Emission, bei der die Photonen aber in eine zufällige Richtung abgegeben werden (isotrop abgestrahlt). Das ist das Licht, das Du sehen kannst, wenn Du in diese Flamme reinschaust. Ein Teil wird sicher auch wieder in die Richtung abgegeben, in die auch das ursprüngliche Licht von der Lampe kam, aber das ist viel weniger, als vorher absorpiert wurde. Das Licht wird also umverteilt. Das ist übrigens auch ein Effekt der bei der Laserkühlung ausgenutzt wird, brauchst Du aber sicher auch nicht zu wissen...
Also nochmal in Kürze: Die Flamme "schluckt" (absorpiert) Licht aus dem Lichtstrahl und gibt ihn danach wieder in eine beliebige Richtung ab, so dass das Licht in die ursprüngliche Richtung weniger wird aber dafür in alle anderen Raumrichtungen ausgestrahlt wird.

4. Da gibt es eine Formel mit 1/n² - 1/m² und so. Kennst Du die? Probier' mal, ob Du damit was anfangen kannst. Wenn nicht: einfach nochmal schreiben.

5. Kennst Du die Formeln, mit der man von der Wellenlänge auf die Frequenz kommt und von der auf die Energie des Photons? Welcher Übergang das jetzt genau ist, weiß ich auch nicht. Müsste ich nachschauen...

Hoffe Dir vielleicht schonmal wenigstens etwas helfen konnte.

Gruß
Marco

dermarkus · Administrator Anmeldungsdatum: 12.01.2006 Beiträge: 14788

Hallo,

die Dringlichkeitsstufe in den Titel zu schreiben, sehen wir hier nicht so gerne. Es ist obendrein auch gar nicht nötig. Daher habe ich den Titel leicht geändert. Aber zur Sache:

Erstmal das wichtigste vorneweg:

Die Elektronen in Atomen dürfen nur auf bestimmten Energieniveaus sitzen. Also können die Atome immer nur genau die Energie aufnehmen oder abgeben, mit der die Elektronen vom einen ins andere Energieniveau springen können.

zu 1.) : Da fehlt irgendwie noch ein Wort oder so, deshalb verstehe ich das noch nicht ganz. Kannst du den Satz nochmal korrigieren?

zu 2.) : Die Einheit zu dieser Energie hast du vergessen, ich vermute, das sollen eV sein. Tipp: Zum Ionisieren eines Wasserstoffatoms braucht man 13,6 eV. Wohin springt also das Elektron, das die Energie absorbiert?

zu 3.) Tipp: Wie groß ist die Wellenlänge von diesem gelben Licht ? Wieviel Energie haben also die zugehörigen Photonen?

zu 4.) Da brauchst du die Formel für die Energieniveaus im Wasserstoffatom. Hast du die schon? Damit rechnest du aus, welches Energieniveau das ist, das gerade noch einen Energieabstand zum Grundzustand hat, der kleiner ist als die Energie, die so ein Elektron beim Stoß liefern kann.

zu 5.) Tipp: Woraus besteht Kochsalz? Und Wink

mit dem Zaunpfahl: Kennst du ein Atom, das gelbes Licht aussendet Augenzwinkern

?

as_string · Moderator Anmeldungsdatum: 09.12.2005 Beiträge: 5785 Wohnort: Heidelberg

Hallo!

Ich habe gerade nochmal in meinem schlauen Atomphysikbuch nachgeschaut: Den Übergang nennt man Natrium-D-Linie. Und der geht von 3p -> 3s, also innerhalb der selben "Schale" aber vom P Orbital zum S-Orbital.

Gruß
Marco

dermarkus · Administrator Anmeldungsdatum: 12.01.2006 Beiträge: 14788

Ich sehe gerade, in der 3. hast du schon das geschrieben, was du braucht, um die 5. zu beantworten:

Das Kochsalz hat sich also seine Bestandteile (Na- Atome und Cl- Atome) aufgespalten, und das Natrium leuchtet gelb bei einer Wellenlänge von 589 nm.

Ania · Gast

Vielen Dank für eure Hilfe, ist echt ein super Forum!!

also nochmal zu 1.)

Es handelt sich um die energieniveaus von Wasserstoff und man soll erklären wieso bei wasserstoff bei n = 1, das emittierte Licht durchlässig ist.
Ich hoffe das macht die Frage etwas verständlicher...

dermarkus · Administrator Anmeldungsdatum: 12.01.2006 Beiträge: 14788

Also du hast Wasserstoffatome, die sind alle im Grundzustand, also alle im Zustand n=1.

Aber woher kommt jetzt das emittierte Licht, das sie nicht absorbieren?

grübelnd

Hmm

Ah! Ich glaube, jetzt hab ichs verstanden:

Ich glaube, das soll irgendwoher kommen, also aus einer Glühlampe oder so. Also ist hier mit Licht alle elektromagnetische Strahlung gemeint mit Wellenlängen zwischen rund 400 nm und 800 nm.

Rechne mal den Energieabstand zwischen dem Grundzustand (n=1) und dem ersten angeregten Zustand (n=2) aus. Und welche Wellenlänge ein Photon haben muss, um das Atom auf diesem Übergang anzuregen. Und dann wirst du feststellen (Tipp Augenzwinkern

), dass diese Wellenlänge kleiner ist als 400 nm, also nicht innerhalb des sichtbaren Spektralbereichs liegt.

as_string · Moderator Anmeldungsdatum: 09.12.2005 Beiträge: 5785 Wohnort: Heidelberg

Hallo!

Könnte sein, dass das gemeint ist, was dermarkus schreibt. Ich verstehe aber die Aufgabe immer noch nicht so richtig.