Frage von Glasgesicht, 13

Woher weiß man auf welche Energieniveaus Elektronen landen wenn diese mit einem Photon beschossen werden?

Also ich hab hier mal eine Verständnisfrage: Wenn ein Element mit Photonen beschossen wird können deren Elektronen die getroffen worden sind aus ihrem Energieniveau "herausgeschossen" werden und in einem höheren Niveau landen.

Wo genau landen sie? Was genau bedeuten denn diese Niveaus? Ist das dann die p Schale oder d Schalen oder was ist damit gemeint? Landen die Elektronen von Natrium dann immer auf ganz bestimmen höheren Niveaus also immer auf von (zum Beispiel) 2p auf 3p oder ist das beliebig? Und resultieren daraus dann die bestimmten Farbspektren? Hoffe mir kann das jemand genauer erläutern. Danke!

Antwort
von ThomasJNewton, 5

Das "Beschießen" ist schon ein recht naives Bild des Geschehens.
Das macht man mit Röntgenstrahlen, die schießen irgendein Elektron einfach weg. Deswegen gehören sie zu den ionisierenden Strahlen.

Wenn es um zivile Energien geht, stellt sich schon mal die Frage, was du unter einem Element verstehst.
Denn das ist ein abstrakter Begriff, nichts real existierendes.
Real existieren Atome, Moleküle, Gitter etc.

In jeder dieser Formen gibt es bestimmte Zustände mit verschiedenen Energieniveaus:

  • Translation ??
  • Rotation
  • Schwingung
  • Atomorbitale
  • Molekülorbitale
  • Valenz- und Leitungsbänder
  • und und und (Charge-Transfer-Banden ;-)

Da muss eben die Energie des Photons zur Energiedifferenz passen.
Was der Mathemakiker wohl "genau" passen nennt.
Nicht mindesttens so hoch, sondern exakt so hoch.

NImm einfach mal Kohlendioxid. Das sendet fernes IR aus und absorbiert es auch. Weil die Energie des IR-Photons der Differenz zwischen zwei Schwingungszuständen des Moleküls entspricht. Kann auch Rotation sein, egal.
Sichtbares Licht geht aber durch, weil die Energie des Quants für Schwingungsänderungen viel zu hoch ist.
Auf der anderen Seite aber zu niedrig, um ein Elektron von einem bindenden auf ein antibindendes Molekülorbital zu heben. Daher ist es für sichtbares Licht durchsichtig.

Auch bei den Atomorbitalen gibt es diskrete Energieniveaus und damit diskrete Energiedifferenzen und damit diskrete Linienspektren.
Da wäre mal eine Beschäftigung mit dem Bohrschen Atommodell hilfreich, den Balmer- und sonstwie -Serien.

Und wenn es um p- d- und f-Orbitale geht, da fühle ich mich ganz eins mit Bohr:
Er ruht friedlich, und irgendwas muss ja für die nachfolgenden Generationen an Arbeit übrigbleiben.

Antwort
von PWolff, 7

a) Was sich ändert, ist im Wasserstoffatom die Hauptquantenzahl. Die Nebenquantenzahlen (s/p/d/f/... für den Bahndrehimpuls spielt hier keine Rolle.) Bei Atomen mit mehr als einem Elektron unterscheiden sich die s/p/d/f/...-Unterschalen energetisch ein wenig untereinander, sodass sie hier unterschieden werden.

b) Es gibt bestimmte Erhaltungsgrößen, neben Energie insbesondere Drehimpuls. Da ein Photon einen Eigendrehimpuls (Spin) von ±1 ℏ hat, muss der Gesamtdrehimpuls des Atoms (Elektronenspin + Bahndrehimpuls) nachher im Bereich Ausgangsdrehimpuls ±1 ℏ liegen (Differenz 0 ist auch möglich).

c) Eine Energieabsorption ist umso wahrscheinlicher, je näher die Photonenenergie an der Energiedifferenz der beiden Niveaus liegt.

d) Ja, das hängt mit den Farbspektren zusammen. Hier mit den Absorptionsspektren, den dunklen Linien im Spektrum. Umgekehrt gibt es auch die Emissionsspektren, bei denen durch den umgekehrten Vorgang Elektronen von einem höheren auf ein niedrigeres Energieniveau übergehen und dabei ein Photon abstrahlen.

e) Es gibt darüber hinaus noch sehr schwache Linien, sogenannte "verbotene Linien", bei denen sich der Drehimpuls um mehr als eine Einheit ändert. An solchen Prozessen sind mindestens 2 Photonen beteiligt, deshalb sind sie so selten.

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