Elektronen sausen um Atomkern - woher kommt die Energie?
Nach dem klassischen Atommodell rasen ja Elektronen auf unterschiedlichen Bahnradien um den Atomkern. Nach dem Orbitalmodell gibt es eine Art Wahrscheinlichkeitsraum, wo sie sich am häufigsten aufhalten. Jetzt frag ich mal ganz dumm: Woher beziehen sie die Bewegungsenergie? Und geht diese Energie nicht verloren, muss also nachgeliefert werden? Wenn ja: Woher?
4 Antworten
Vor langer Zeit haben sich die Gelehrten darüber den Kopf zerbrochen. Heute wissen wir das.
Die Elektronen "haben" diese Energie erst einmal. Wie schnell sie da herumsausen entspricht ihrem Energieniveau. Und genau das ist der Punkt. Sie können nur bestimmte Energieniveaus haben. Ist anders wie in der Makroskopischen Welt. Stell Dir ein Auto vor, dass nur 20, 50, 90 und 120 km/h fahren kann - und nichts dazwischen. Es kann nur - wupp - plötzlich eines dieser unterschiedlichen Niveaus haben. Das geht in der Makroskopischen Welt so nicht - aber in der Welt der Elementarteilchen geht es nur so (P.S.: Alles ein bisschen vereinfacht dargestellt, also liebe Experten, nagelt mich da nicht fest).
Wenn also nun ein Elektron auf einem hohen Energieniveau herumrast, dann kann es nicht ein bisschen Energie aufnehmen, es kann nur ganz auf das nächsthöhere oder niedrigere Niveau springen (auch mehr als ein Niveau möglich). Es sackt also nicht langsam in den Kern ab. Energie geht nie verloren, kann nur umgewandelt werden. Und da es keine Reibung gibt kreist das Elektron bis in alle Ewigkeit.
Aber wie kann es dann z.B. auf ein niedrigeres Niveau absacken? In dem es die Differenz an Energie als elektromagnetische Welle abgibt (also z.B. im optischen Bereich sichtbares Licht - Die Wellenlänge hängt von den Niveaus ab). Durch Aufnahme eines Photons mit genau der richtigen Wellenlänge kann das Niveau auch angehoben werden.
Warum sacken dann nicht mit der Zeit alle Elektronen auf das niedrigste Niveau ab (wenn kein entsprechendes anregendes Photon vorbeikommt)? Da greift ein anderes Prinzip, das Pauli-Prinzip (ich nenne es das Highlander-Prinzip: Es kann nur einen geben).
Es gilt nämlich für alle Materieteilchen eines Atoms, so auch für die Elektronen: Es darf nie 2 Teilchen mit exakt den gleichen Eigenschaften zur gleichen Zeit am gleichen Ort geben.
Das mit gleicher Zeit und gleichem Ort ist in der Quantenphysik so eine Sache. Unter einer Schwelle (vereinfacht ausgedrückt!) ist der Ort eines Teilchens nicht mehr genau definiert. Mathematisch kann der Aufenthaltsbereich mit einer Welle beschrieben werden - das wird oft falsch benutzt: Nicht die Teilchen sind Wellen sondern deren Position wird durch eine Wellenfunktion beschrieben. Aber das nur am Rande.
Also können theoretisch 2 Teilchen zum gleichen Zeitpunkt am gleichen Ort sein (der Ort und eigentlich auch die Zeit ist etwas 'verschwommen'). Und in der Mikroskopischen Welt gibt es nur wenige Eigenschaften, nämlich 4. Und auch die sind gequantelt, haben also immer ganz bestimmte Werte:
- Masse (Grundenergie)
- Ladung
- Spin (Musst Du nicht wissen was das ist. Nur dass das Elektron 2 Zustände haben kann)
- Aufgenommene Ladung (das "Energieniveau")
Masse und Ladung sind bei jedem Elektron exakt gleich. Ohne weitere aufgenommene Ladung können sie sich nur im Spin unterscheiden. Also kann es an einem "Ort" nur 2 Elektronen geben auf niedrigstem Energieniveau. Das ist die "1. Schale".
Ein 3. Elektron könnte nicht mit aller Energie des Universums in diesem Bereich gedrückt werden. Durch dieses Prinzip wird buchstäblich das ganze Gewicht von Sternen getragen - es ist so etwas wie ein unumstößliches Natur-Grundgesetz.
Aber es kann ja noch Energie aufnehmen (dann stören die 'langsamen' Elektronen plötzlich gar nicht mehr). Doch da sie schneller sind nehmen sie mehr Raum ein. Und nicht mehr kugelsymmetrisch um den Kern. So entstehen (da kann ich Dir auch nicht genau sagen wie) 4 Bereiche, die sich nicht überschneiden. Stell sie Dir angeordnet vor wie die Ecken einer Pyramide mit dreieckiger Grundfläche. Und da jeweils 2 hineinpassen sind das dann 8 Elektronen.
Merkst Du was? Das ist genau das Periodensystem. H bis Helium = 1. Schale. Be - Ne = 2. Schale. Die nächste Schale geht genauso, bevor es dann noch etwas komplizierter wird.
Warum kommt das alles genau mit der Größe des Atoms hin? Falsche Frage. Die Größe der Atome entsteht gerade weil sie im Bereich dieser Größen von "gleichen Orten" ist. Die Atome sind aufgebaut wie sie aufgebaut sind und in der entsprechenden Größe WEGEN dem Pauli-Prinzip.
Und daher kann ein Elektron eben nur auf ein niedrigeres Energieniveau absinken, wenn da noch ein "Platz frei ist".
Ohne Bewegung keine Bewegungsenergie. Die Energie der Quantenzustände ist ein Eigenwert.
Es gibt im Atom keine kleinen Kügelchen, die um große Kügelchen kreisen (und "hineinstürzen" könnten). Diese Vorstellung ist überholt.
Es gibt Wellenfunktionen, deren Absolutquadrat einer Aufenthaltswahrscheinlichkeit von Elektronen entspricht, und die Eigenvektoren des Hamiltonoperators (im unendlichdimensionalen Hilbertraum, der Funktionen auf Vektoren abbildet) sind, was sie zu stabilen Zuständen macht (mit der Energie als Eigenwert).
Wow, danke für die Antwort, für deren Verständnis ich, wie mir grad bewusst wird, noch einiges an Physik nachlesen muss!
vergiss mal elektronen und atome, quantenphysik und orbitale. viel zu kompliziert. (da gäbe es klassisch aufgrund der abstrahlung elektromagnetischer wellen nämlich in der tat ein problem)
nimm die sonne und die erde. die erde "verbraucht" auch keine bewegungsenergie wenn sie um die sonne saust. diese energie (und ihren drehimpuls) hat sie noch aus der zeit als sich das sonnensystem aus einer gaswolke formte
Wir müssen uns von der Vorstellung wirklich lösen, dass Elektronen um den Kern wie Planeten um die Sonne kreisen und den Gesetzen der klassischen Mechanik gehorchen.