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Physik · Klasse 13 · Kapitel

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Q4: Atome

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1Ich kann die Energiewerte des Wasserstoffatoms berechnen und Ionisation erklären.

MerkenEnergieniveaus des Wasserstoffs

Das Elektron im Wasserstoffatom hat nur die Energien E_n = −13,6 eV : n².

Ionisiert ist es bei E = 0. Anregung und Ionisation kosten genau den Abstand bis zum Zielniveau.

BeispielEnergiewerte des Wasserstoffatoms

Ein Wasserstoffatom in einer Spektralröhre soll vom Grundzustand in den Zustand n = 5 gehoben werden. Diese liegen 13,6 eV und 0,544 eV unter der Ionisationsgrenze. Wie viel Energie muss es aufnehmen?
n = 1n = 2n = 3n = 4n = 5ΔE = ?Wasserstoff
Schritt für Schritt
  1. ΔE = E_n − E_1 mit E_n = −13,6 eV : n²
  2. E_5 = −0,544 eV, E_1 = −13,6 eV
  3. ΔE = −0,544 eV + 13,6 eV = 13,06 eV
  1. ΔE = E_n − E_1 mit E_n = −13,6 eV : n²
  2. E_5 = −0,544 eV, E_1 = −13,6 eV
  3. ΔE = −0,544 eV + 13,6 eV = 13,06 eV
Ergebnis:
13,06 eV

AchtungWert eines Niveaus statt Abstand zweier Niveaus

So nicht
Anregung von n = 1 nach n = 3: ΔE = 1,51 eV
So richtig
ΔE = E_3 − E_1 = −1,51 eV − (−13,6 eV) = 12,09 eV

Zeichne den Sprung als Pfeil ins Schema. Rechne oben minus unten.

ÜbenJetzt du

  1. ○1
    Ein Wasserstoffatom soll vom Grundzustand in den Zustand n = 3 gehoben werden. Diese liegen 13,6 eV und 1,51 eV unter der Ionisationsgrenze. Wie viel Energie muss es aufnehmen? Berechne mit Einheit.
    n = 1n = 2n = 3ΔE = ?Wasserstoff
    So fängst du an:
    ΔE = E_n − E_1 mit E_n = −13,6 eV : n²
    Lösung zeigen
    1. ΔE = E_n − E_1 mit E_n = −13,6 eV : n²
    2. E_3 = −1,51 eV, E_1 = −13,6 eV
    3. ΔE = −1,51 eV + 13,6 eV = 12,09 eV
    Ergebnis:
    12,09 eV
  2. ●2
    Ein Wasserstoffatom ist im Zustand n = 4. Wie viel Energie braucht man mindestens, um es zu ionisieren? Berechne in eV.
    n = 1n = 2n = 3n = 4E_ion = ?
    Lösung zeigen
    1. E_n = −13,6 eV : n², ionisiert heißt E = 0
    2. E_4 = −13,6 eV : 16 = −0,85 eV
    3. Bis E = 0 fehlen 0,85 eV
    Ergebnis:
    0,85 eV
  3. ★3
    Ein Wasserstoffatom in einer Spektralröhre wird vom Zustand n = 3 in den Zustand n = 4 angeregt. Wie viel Energie muss es aufnehmen? Berechne in eV.
    n = 1n = 2n = 3n = 4ΔE = ?Wasserstoff
    Lösung zeigen
    1. ΔE = E_m − E_n mit E_n = −13,6 eV : n²
    2. E_3 = −1,51 eV, E_4 = −0,85 eV
    3. ΔE = −0,85 eV − (−1,51 eV) = 0,66 eV
    Ergebnis:
    0,66 eV

2Ich kann Spektrallinien des Wasserstoffs aus dem Niveauschema und mit der Serienformel berechnen.

MerkenLinienspektrum

Beim Sprung zwischen zwei Niveaus trägt ein Photon genau ihren Energieabstand davon.

Dann gilt λ = h · c : ΔE. Die Serienformel f = f_R · (1 : n² − 1 : m²) sagt auch unsichtbare Linien voraus.

BeispielSpektrallinien aus dem Niveauschema

Im Wasserstoffatom springt das Elektron von n = 4 nach n = 1. Berechne die Wellenlänge des ausgesandten Photons in nm.
n = 1−13,6 eVn = 2−3,4 eVn = 3−1,51 eVn = 4−0,85 eVλ = ?Wasserstoff
Schritt für Schritt
  1. Erst ΔE, dann λ = h · c : ΔE
  2. ΔE = 13,6 eV · (1 : 1 − 1 : 16) = 12,8 eV
  3. λ = 1240 eV · nm : 12,8 eV = 96,9 nm
  1. Erst ΔE, dann λ = h · c : ΔE
  2. ΔE = 13,6 eV · (1 : 1 − 1 : 16) = 12,8 eV
  3. λ = 1240 eV · nm : 12,8 eV = 96,9 nm
Ergebnis:
96,9 nm

AchtungDas Quadrat vergessen

So nicht
m = 2 kg, v = 3 m/s: E = ½ · 2 kg · 3 m/s = 3 J
So richtig
E = ½ · 2 kg · (3 m/s)² = ½ · 2 kg · 9 m²/s² = 9 J

Rechne zuerst v² = v · v aus und schreib die Zeile hin.

ÜbenJetzt du

  1. ○4
    Im Wasserstoffatom springt das Elektron von n = 5 nach n = 2. Berechne die Wellenlänge des ausgesandten Photons in nm.
    n = 1−13,6 eVn = 2−3,4 eVn = 3−1,51 eVn = 4−0,85 eVn = 5−0,54 eVλ = ?Wasserstoff
    So fängst du an:
    Erst ΔE, dann λ = h · c : ΔE
    Lösung zeigen
    1. Erst ΔE, dann λ = h · c : ΔE
    2. ΔE = 13,6 eV · (1 : 4 − 1 : 25) = 2,86 eV
    3. λ = 1240 eV · nm : 2,86 eV = 434 nm
    Ergebnis:
    434 nm
  2. ●5
    Ein angeregtes Wasserstoffatom geht von n = 6 nach n = 3. Berechne die Wellenlänge des ausgesandten Photons in nm.
    n = 1−13,6 eVn = 2−3,4 eVn = 3−1,51 eVn = 4−0,85 eVn = 5−0,54 eVn = 6−0,38 eVλ = ?Wasserstoff
    Lösung zeigen
    1. Erst ΔE, dann λ = h · c : ΔE
    2. ΔE = 13,6 eV · (1 : 9 − 1 : 36) = 1,13 eV
    3. λ = 1240 eV · nm : 1,13 eV = 1100 nm
    Ergebnis:
    1100 nm
  3. ★6
    Berechne die kürzeste Wellenlänge der Lyman-Serie des Wasserstoffs (Sprünge nach n = 1, Seriengrenze). In welchem Spektralbereich liegt sie?
    n = 1−13,6 eVn = 2−3,4 eVn = 3−1,51 eVλ = ?Lyman-Serie
    Lösung zeigen
    1. Kürzeste Wellenlänge: größter Sprung, von E = 0 nach n
    2. ΔE = 13,6 eV : 1 = 13,6 eV
    3. λ = 1240 eV · nm : 13,6 eV = 91,2 nm, ultraviolett
    Ergebnis:
    91,2 nm

3Ich kann Emission und Absorption von Photonen mit Energieniveaus erklären.

MerkenEmission und Absorption

Ein Atom nimmt nur Photonen auf, die genau zu einem Abstand zweier Niveaus passen.

Oder es wird ionisiert. Beim Zurückfallen sendet es Photonen derselben Energien aus.

BeispielAbsorption und Emission

Wasserstoffgas in einer Glaskugel im Grundzustand wird mit Photonen von 5 eV bestrahlt. Was geschieht mit diesen Photonen?
n = 1−13,6 eVn = 2−3,4 eVn = 3−1,51 eVn = 4−0,85 eVE_Ph = 5 eV
Schritt für Schritt
  1. Absorbiert wird nur eine Energie, die genau zu einem Übergang passt.
  2. Die Abstände vom Grundzustand sind 10,2 eV, 12,09 eV, 12,75 eV und so weiter bis 13,6 eV.
  3. 5 eV passt auf keinen Abstand und reicht nicht zum Ionisieren.
  1. Absorbiert wird nur eine Energie, die genau zu einem Übergang passt.
  2. Die Abstände vom Grundzustand sind 10,2 eV, 12,09 eV, 12,75 eV und so weiter bis 13,6 eV.
  3. 5 eV passt auf keinen Abstand und reicht nicht zum Ionisieren.
Ergebnis:
Die Photonen gehen ungehindert durch.

AchtungAtom nimmt einen beliebigen Teil der Photonenenergie

So nicht
11 eV-Photon: Das Atom nimmt 10,2 eV, 0,8 eV fliegen weiter.
So richtig
11 eV passt auf keinen Übergang → das Photon wird nicht absorbiert

Vergleiche die Photonenenergie mit allen Abständen. Nur ein genauer Treffer oder mehr als die Ionisationsenergie wird aufgenommen.

ÜbenJetzt du

  1. ○7
    Kaltes Wasserstoffgas im Grundzustand wird mit Photonen von 15 eV bestrahlt. Was geschieht mit diesen Photonen?
    n = 1−13,6 eVn = 2−3,4 eVn = 3−1,51 eVn = 4−0,85 eVE_Ph = 15 eV
    So fängst du an:
    Über 13,6 eV kann das Elektron das Atom ganz verlassen.
    Lösung zeigen
    1. Über 13,6 eV kann das Elektron das Atom ganz verlassen.
    2. Oberhalb von E = 0 gibt es keine festen Niveaus mehr.
    3. Der Rest 15 eV − 13,6 eV = 1,4 eV wird Bewegungsenergie.
    Ergebnis:
    Ionisiert: Das Elektron fliegt mit 1,4 eV davon.
  2. ●8
    Kaltes Wasserstoffgas im Grundzustand wird mit Photonen von 12,75 eV bestrahlt. Was geschieht mit diesen Photonen?
    n = 1−13,6 eVn = 2−3,4 eVn = 3−1,51 eVn = 4−0,85 eVE_Ph = 12,75 eV
    Lösung zeigen
    1. Absorbiert wird nur eine Energie, die genau zu einem Übergang passt.
    2. E_4 − E_1 = 13,6 eV − 0,85 eV = 12,75 eV
    3. Das passt genau: Die Atome gehen nach n = 4.
    Ergebnis:
    Absorbiert: Die Atome gehen nach n = 4.
  3. ★9
    Im Spektrum eines heißen Sterns fehlt Licht bei 656 nm: eine dunkle Linie von Wasserstoff. Die Atome senden die aufgenommene Energie doch wieder aus. Warum bleibt die Linie dunkel? Begründe.
    380 nm780 nmAbsorptionsspektrum
    Lösung zeigen
    1. Atome in der kühleren Schicht absorbieren genau Photonen mit 656 nm.
    2. Beim Zurückfallen senden sie Photonen derselben Energie aus, aber in alle Richtungen.
    3. In der ursprünglichen Richtung kommt deshalb viel weniger an: eine dunkle Linie.
    Ergebnis:
    Die Atome senden in alle Richtungen, nach vorn fehlt es.

4Ich kann aus einem Energieniveauschema Spektrallinien vorhersagen und Gase an ihren Linien erkennen.

MerkenNiveauschema und Spektralanalyse

Energien addieren sich, Wellenlängen nicht.

Jedes Element hat sein eigenes Linienmuster: Alle Linien müssen passen, eine einzelne reicht nicht.

BeispielNiveauschema und Spektrum

Das Bild zeigt das Energieniveauschema eines Atoms. Berechne die Wellenlänge des Photons beim Sprung von E_2 nach E_1 in nm.
E_10 eVE_21,6 eVE_32,8 eVE_44,1 eVλ = ?Energieniveaus
Schritt für Schritt
  1. ΔE = E_oben − E_unten, dann λ = h · c : ΔE
  2. ΔE = 1,6 eV − 0 eV = 1,6 eV
  3. λ = 1240 eV · nm : 1,6 eV = 775 nm
  1. ΔE = E_oben − E_unten, dann λ = h · c : ΔE
  2. ΔE = 1,6 eV − 0 eV = 1,6 eV
  3. λ = 1240 eV · nm : 1,6 eV = 775 nm
Ergebnis:
775 nm

AchtungFormel falsch umgestellt

So nicht
V = ρ · m
So richtig
ρ = m : V   | · V   | : ρ   →   V = m : ρ

Setz einfache Zahlen ein, zum Beispiel 6 = 12 : 2. Stell zuerst mit Zahlen um, dann mit Buchstaben.

ÜbenJetzt du

  1. ○10
    Das Bild zeigt das Energieniveauschema eines Atoms. Berechne die Wellenlänge des Photons beim Sprung von E_4 nach E_1 in nm.
    E_10 eVE_21,9 eVE_33,2 eVE_44,4 eVλ = ?Energieniveaus
    So fängst du an:
    ΔE = E_oben − E_unten, dann λ = h · c : ΔE
    Lösung zeigen
    1. ΔE = E_oben − E_unten, dann λ = h · c : ΔE
    2. ΔE = 4,4 eV − 0 eV = 4,4 eV
    3. λ = 1240 eV · nm : 4,4 eV = 282 nm
    Ergebnis:
    282 nm
  2. ●11
    Das Bild zeigt das Energieniveauschema eines Atoms. Berechne die Wellenlänge des Photons beim Sprung von E_3 nach E_2 in nm.
    E_10 eVE_22,5 eVE_33,9 eVE_45,2 eVλ = ?Energieniveaus
    Lösung zeigen
    1. ΔE = E_oben − E_unten, dann λ = h · c : ΔE
    2. ΔE = 3,9 eV − 2,5 eV = 1,4 eV
    3. λ = 1240 eV · nm : 1,4 eV = 886 nm
    Ergebnis:
    886 nm
  3. ★12
    Ein Atom sendet beim Sprung E_3 → E_2 Licht mit 1030 nm aus, beim Sprung E_2 → E_1 mit 775 nm. Berechne λ für den Sprung E_3 → E_1.
    E_1E_2E_3E_41030 nm775 nmλ = ?Energieniveaus
    Lösung zeigen
    1. Die Energien addieren sich, nicht die Wellenlängen: 1 : λ = 1 : λ₁ + 1 : λ₂
    2. ΔE₁ = 1240 eV · nm : 1030 nm = 1,2 eV, ΔE₂ = 1,6 eV
    3. λ = 1240 eV · nm : 2,8 eV = 442 nm
    Ergebnis:
    442 nm

5Ich kann Orbitale als Nachweiswahrscheinlichkeit des Elektrons deuten.

MerkenOrbitale

Ein Orbital zeigt, wo das Elektron mit welcher Wahrscheinlichkeit nachgewiesen wird.

Es ist keine Bahn. Jede Messung liefert einen Ort, die Verteilung vieler Messungen das Orbital.

BeispielOrbital statt Bahn

Bewegt sich das Elektron im Wasserstoffatom im Zustand n = 2 auf einer festen Bahn um den Kern?
Bahn?n = 2
Schritt für Schritt
  1. Eine Bahn hieße: Ort und Geschwindigkeit sind zugleich bestimmt.
  2. Für das Elektron im Atom gibt es nur Nachweiswahrscheinlichkeiten.
  3. Das Orbital zeigt, wo es oft und wo es selten nachgewiesen wird.
  1. Eine Bahn hieße: Ort und Geschwindigkeit sind zugleich bestimmt.
  2. Für das Elektron im Atom gibt es nur Nachweiswahrscheinlichkeiten.
  3. Das Orbital zeigt, wo es oft und wo es selten nachgewiesen wird.
Ergebnis:
Nein: Es gibt nur Nachweiswahrscheinlichkeiten.

AchtungElektron auf einer festen Bahn um den Kern

So nicht
Das Elektron kreist auf einer festen Bahn um den Kern.
So richtig
Orbital → Nachweiswahrscheinlichkeit des Elektrons, keine Bahn

Beschreib nur Messbares: Wo wird das Elektron mit welcher Wahrscheinlichkeit nachgewiesen?

ÜbenJetzt du

  1. ○13
    Das Bild zeigt eine Punktwolke für das Elektron im Wasserstoffatom im Zustand n = 1. Was bedeutet es, wenn die Punkte an einer Stelle dicht liegen?
    dichte Punkte?n = 1
    So fängst du an:
    Jeder Punkt steht für einen möglichen Nachweisort.
    Lösung zeigen
    1. Jeder Punkt steht für einen möglichen Nachweisort.
    2. Dichte Punkte heißen: Dort weist man es oft nach.
    3. Das Orbital zeigt Wahrscheinlichkeiten, keine Bahn.
    Ergebnis:
    Dort wird das Elektron oft nachgewiesen.
  2. ●14
    Was ändert sich am Orbital des Wasserstoffatoms im Zustand n = 3 gegenüber dem Zustand n = 2?
    größer oder kleiner?n = 3
    Lösung zeigen
    1. E_3 = −13,6 eV : 9 liegt höher als E_2 = −13,6 eV : 4.
    2. Das Elektron ist schwächer gebunden.
    3. Es wird im Mittel weiter vom Kern entfernt nachgewiesen.
    Ergebnis:
    Es reicht weiter hinaus, die Energie ist höher.
  3. ★15
    Nach dem Bild der Kreisbahn müsste das Elektron im Wasserstoffatom ständig strahlen und in den Kern stürzen. Warum ist die Bahnvorstellung damit am Ende? Begründe.
    Bahn?n = 1
    Lösung zeigen
    1. Eine kreisende Ladung wird ständig beschleunigt und müsste Strahlung abgeben.
    2. Beobachtet wird: Atome im Grundzustand sind stabil und strahlen nicht.
    3. Die Quantenphysik beschreibt ihn mit fester Energie und Wahrscheinlichkeiten.
    Ergebnis:
    Atome sind stabil: Das Elektron hat keine Bahn, nur feste Energie.

6Ich kann den Franck-Hertz-Versuch auswerten und als Nachweis diskreter Energieniveaus deuten.

MerkenFranck-Hertz-Versuch

Elektronen geben ihre Energie nur in festen Portionen an die Atome ab.

Der Abstand der Strommaxima ist die Anregungsenergie. Quecksilber nur im Lehrerversuch, Neon zeigt leuchtende Schichten.

BeispielFranck-Hertz-Versuch auswerten

Franck-Hertz-Versuch mit einer Neonröhre liegen die Strommaxima bei 23,4 V, 42,3 V. Bestimme die Anregungsenergie der Neonatome in eV.
U in VI23,442,3ΔE = ?
Schritt für Schritt
  1. Die Anregungsenergie ist der Abstand zweier Maxima, über alle gemittelt
  2. ΔU = 42,3 V − 23,4 V = 18,9 V
  3. ΔE = e · ΔU = 18,9 eV
  1. Die Anregungsenergie ist der Abstand zweier Maxima, über alle gemittelt
  2. ΔU = 42,3 V − 23,4 V = 18,9 V
  3. ΔE = e · ΔU = 18,9 eV
Ergebnis:
18,9 eV

AchtungLage des ersten Maximums statt Abstand der Maxima

So nicht
erstes Maximum bei 7,0 V → Anregungsenergie 7,0 eV
So richtig
Maxima bei 7,0 V, 11,9 V, 16,8 V → Abstand 4,9 V → 4,9 eV

Miss die Abstände zwischen den Maxima und bilde ihren Mittelwert.

ÜbenJetzt du

  1. ○16
    Franck-Hertz-Versuch mit einer Neonröhre liegen die Strommaxima bei 22 V, 40,4 V, 58,8 V, 77,2 V. Bestimme die Anregungsenergie der Neonatome in eV.
    U in VI2240,458,877,2ΔE = ?
    So fängst du an:
    Die Anregungsenergie ist der Abstand zweier Maxima, über alle gemittelt
    Lösung zeigen
    1. Die Anregungsenergie ist der Abstand zweier Maxima, über alle gemittelt
    2. ΔU = (77,2 V − 22 V) : 3 = 18,4 V
    3. ΔE = e · ΔU = 18,4 eV
    Ergebnis:
    18,4 eV
  2. ●17
    Franck-Hertz-Versuch mit einer Neonröhre liegen die Strommaxima bei 20,5 V, 39,5 V. Bestimme die Anregungsenergie der Neonatome in eV.
    U in VI20,539,5ΔE = ?
    Lösung zeigen
    1. Die Anregungsenergie ist der Abstand zweier Maxima, über alle gemittelt
    2. ΔU = 39,5 V − 20,5 V = 19 V
    3. ΔE = e · ΔU = 19 eV
    Ergebnis:
    19 eV
  3. ★18
    Im Lehrerversuch mit einer Quecksilberröhre liegen die Strommaxima bei 8,1 V, 13,1 V, 18,1 V, 23,1 V. Welche Wellenlänge hat das Licht, das die angeregten Atome aussenden? Berechne mit Einheit.
    U in VI8,113,118,123,1λ = ?
    Lösung zeigen
    1. Anregungsenergie = Abstand der Maxima, dann λ = h · c : ΔE
    2. ΔU = (23,1 V − 8,1 V) : 3 = 5 V, also ΔE = 5 eV
    3. λ = 1240 eV · nm : 5 eV = 248 nm, ultraviolett
    Ergebnis:
    248 nm

7Ich kann mit dem Modell des Potenzialtopfs Energien berechnen und das Betragsquadrat der Wellenfunktion deuten.

MerkenPotenzialtopf

Im Topf der Breite L passen nur stehende Wellen: E_n = n² · h² : (8 · m_e · L²).

Die Nachweiswahrscheinlichkeit folgt |ψ|². Für echte Atome stimmt das Modell nur grob.

BeispielEnergien im Potenzialtopf

Ein Elektron sitzt in einem Potenzialtopf der Breite L = 0,4 nm. Berechne seine Energie für n = 4 in eV.
ψ00,4 nmE_4 = ?n = 4
Schritt für Schritt
  1. E_n = n² · h² : (8 · m_e · L²)
  2. E_1 = h² : (8 · m_e · L²) = 3,77 · 10⁻¹⁹ J
  3. E_4 = 16 · 3,77 · 10⁻¹⁹ J = 6,02 · 10⁻¹⁸ J = 37,6 eV
  1. E_n = n² · h² : (8 · m_e · L²)
  2. E_1 = h² : (8 · m_e · L²) = 3,77 · 10⁻¹⁹ J
  3. E_4 = 16 · 3,77 · 10⁻¹⁹ J = 6,02 · 10⁻¹⁸ J = 37,6 eV
Ergebnis:
37,6 eV

AchtungZwischenergebnis als Antwort

So nicht
Gesamtwiderstand gesucht, Antwort: I = 0,5 A
So richtig
erst I = 0,5 A, dann weiter bis zur gesuchten Größe

Lies die Frage noch einmal. Rechne weiter bis zur gesuchten Größe.

ÜbenJetzt du

  1. ○19
    Ein Elektron sitzt in einem Potenzialtopf der Breite L = 0,5 nm. Berechne seine Energie für n = 2 in eV.
    ψ00,5 nmE_2 = ?n = 2
    So fängst du an:
    E_n = n² · h² : (8 · m_e · L²)
    Lösung zeigen
    1. E_n = n² · h² : (8 · m_e · L²)
    2. E_1 = h² : (8 · m_e · L²) = 2,41 · 10⁻¹⁹ J
    3. E_2 = 4 · 2,41 · 10⁻¹⁹ J = 9,64 · 10⁻¹⁹ J = 6,02 eV
    Ergebnis:
    6,02 eV
  2. ●20
    Ein Elektron sitzt in einem Potenzialtopf der Breite L = 0,3 nm. Berechne seine Energie für n = 3 in eV.
    ψ00,3 nmE_3 = ?n = 3
    Lösung zeigen
    1. E_n = n² · h² : (8 · m_e · L²)
    2. E_1 = h² : (8 · m_e · L²) = 6,69 · 10⁻¹⁹ J
    3. E_3 = 9 · 6,69 · 10⁻¹⁹ J = 6,02 · 10⁻¹⁸ J = 37,6 eV
    Ergebnis:
    37,6 eV
  3. ★21
    Ein Farbstoffmolekül ist ein Potenzialtopf mit L = 1 nm. Ein Elektron springt von n = 4 nach n = 3. Berechne λ in nm.
    ψ01 nmλ = ?n = 4
    Lösung zeigen
    1. E_n ≈ 0,376 eV · nm² · n² : L²
    2. ΔE = 0,376 eV · nm² · (16 − 9) : (1 nm)² = 2,63 eV
    3. λ = 1240 eV · nm : 2,63 eV = 471 nm
    Ergebnis:
    471 nm

8Ich kann Energiewerte von Ein-Elektronen-Systemen berechnen und das Pauli-Prinzip anwenden.

MerkenEin-Elektronen-Systeme und Pauli

Für Ionen mit einem Elektron gilt E_n = −13,6 eV · Z² : n².

In Atomen mit mehreren Elektronen kann jeder Zustand nur ein Elektron aufnehmen: Pauli-Prinzip.

BeispielEin-Elektronen-Systeme

Welche Energie ist nötig, um das Be³⁺-Ion (Z = 4) aus dem Zustand n = 3 weiter zu ionisieren? Berechne in eV.
n = 1n = 2n = 3Be³⁺-Ion: E_ion = ?
Schritt für Schritt
  1. Ein-Elektronen-System: E_n = −13,6 eV · Z² : n²
  2. E_3 = −13,6 eV · 16 : 9 = −24,2 eV
  3. Bis E = 0 fehlen 24,2 eV
  1. Ein-Elektronen-System: E_n = −13,6 eV · Z² : n²
  2. E_3 = −13,6 eV · 16 : 9 = −24,2 eV
  3. Bis E = 0 fehlen 24,2 eV
Ergebnis:
24,2 eV

AchtungKernladungszahl vergessen

So nicht
He⁺, n = 1: E_ion = 13,6 eV
So richtig
He⁺, Z = 2: E_ion = 13,6 eV · 2² = 54,4 eV

Multipliziere die Energien des Wasserstoffs mit Z².

ÜbenJetzt du

  1. ○22
    Wie viel Energie braucht man, um das He⁺-Ion (Z = 2) aus dem Zustand n = 3 weiter zu ionisieren? Berechne in eV.
    n = 1n = 2n = 3He⁺-Ion: E_ion = ?
    So fängst du an:
    Ein-Elektronen-System: E_n = −13,6 eV · Z² : n²
    Lösung zeigen
    1. Ein-Elektronen-System: E_n = −13,6 eV · Z² : n²
    2. E_3 = −13,6 eV · 4 : 9 = −6,04 eV
    3. Bis E = 0 fehlen 6,04 eV
    Ergebnis:
    6,04 eV
  2. ●23
    Wie viel Energie braucht man, um das Be³⁺-Ion (Z = 4) aus dem Zustand n = 1 weiter zu ionisieren? Berechne in eV.
    n = 1n = 2n = 3Be³⁺-Ion: E_ion = ?
    Lösung zeigen
    1. Ein-Elektronen-System: E_n = −13,6 eV · Z² : n²
    2. E_1 = −13,6 eV · 16 : 1 = −218 eV
    3. Bis E = 0 fehlen 218 eV
    Ergebnis:
    218 eV
  3. ★24
    In einem He⁺-Ion (Z = 2) springt das Elektron von n = 5 nach n = 4. Berechne die Wellenlänge des Photons in nm.
    n = 1n = 2n = 3n = 4n = 5λ = ?He⁺-Ion
    Lösung zeigen
    1. E_n = −13,6 eV · Z² : n², dann ΔE und λ = h · c : ΔE
    2. ΔE = 13,6 eV · 4 · (1 : 16 − 1 : 25) = 1,22 eV
    3. λ = 1240 eV · nm : 1,22 eV = 1020 nm
    Ergebnis:
    1020 nm

9Ich kann aus der kurzwelligen Grenze der Röntgenstrahlung das Wirkungsquantum bestimmen.

MerkenKurzwellige Grenze

Ein Photon bekommt höchstens die Energie e · U eines Elektrons: λ_min = h · c : (e · U).

Die Gerade λ_min über 1 : U hat die Steigung h · c : e.

BeispielKurzwellige Grenze der Röntgenstrahlung

Eine Röntgenröhre mit Wolframanode wird mit U = 50 kV betrieben. Berechne die kurzwellige Grenze λ_min des Bremsspektrums in pm (h · c ≈ 1240 eV · nm).
λIλ_min = ?λ_min = ?Wolframanode, 50 kV
Schritt für Schritt
  1. λ_min = h · c : (e · U)
  2. e · U = 50 keV = 50.000 eV
  3. λ_min = 1240 eV · nm : 50.000 eV = 0,0248 nm = 24,8 pm
  1. λ_min = h · c : (e · U)
  2. e · U = 50 keV = 50.000 eV
  3. λ_min = 1240 eV · nm : 50.000 eV = 0,0248 nm = 24,8 pm
Ergebnis:
24,8 pm

AchtungUmrechnungszahl falsch

So nicht
2,5 km = 250 m
So richtig
2,5 km = 2,5 · 1000 m = 2500 m

Schreib den Vorsatz als Zahl: k heißt 1000, m heißt ein Tausendstel.

ÜbenJetzt du

  1. ○25
    Eine Röntgenröhre mit Wolframanode wird mit U = 15 kV betrieben. Berechne die kurzwellige Grenze λ_min des Bremsspektrums in pm (h · c ≈ 1240 eV · nm).
    λIλ_min = ?λ_min = ?Wolframanode, 15 kV
    So fängst du an:
    λ_min = h · c : (e · U)
    Lösung zeigen
    1. λ_min = h · c : (e · U)
    2. e · U = 15 keV = 15.000 eV
    3. λ_min = 1240 eV · nm : 15.000 eV = 0,0827 nm = 82,7 pm
    Ergebnis:
    82,7 pm
  2. ●26
    Eine Röntgenröhre mit Eisenanode wird mit U = 40 kV betrieben. Berechne die kurzwellige Grenze λ_min des Bremsspektrums in pm (h · c ≈ 1240 eV · nm).
    λIλ_min = ?λ_min = ?Eisenanode, 40 kV
    Lösung zeigen
    1. λ_min = h · c : (e · U)
    2. e · U = 40 keV = 40.000 eV
    3. λ_min = 1240 eV · nm : 40.000 eV = 0,031 nm = 31 pm
    Ergebnis:
    31 pm
  3. ★27
    Das Bremsspektrum einer Röntgenröhre mit Wolframanode endet bei λ_min = 50 pm. Mit welcher Spannung wird die Röhre betrieben? Berechne U in kV.
    λIλ_min = 50 pmU = ?Wolframanode
    Lösung zeigen
    1. U = h · c : (e · λ_min)
    2. h · c : λ_min = 1240 eV · nm : 0,05 nm = 24.800 eV
    3. U = 24.800 V = 24,8 kV
    Ergebnis:
    24,8 kV

10Ich kann das Röntgenspektrum mit dem Drehkristallverfahren aufnehmen und deuten.

MerkenRöntgenspektrum

Am Kristall gilt die Bragg-Bedingung 2 · d · sin θ = n · λ.

Das Bremsspektrum entsteht beim Abbremsen der Elektronen, die Linien bei Übergängen in den Anodenatomen.

BeispielDrehkristallverfahren

Drehkristallverfahren mit einem Lithiumfluorid-Kristall (d = 201 pm): Ein Maximum erster Ordnung liegt beim Glanzwinkel θ = 20°. Berechne die Wellenlänge in pm.
θ = 20°LiF, d = 201 pmλ = ?
Schritt für Schritt
  1. Bragg: 2 · d · sin θ = n · λ, hier n = 1
  2. sin 20° = 0,342
  3. λ = 2 · 201 pm · 0,342 = 137 pm
  1. Bragg: 2 · d · sin θ = n · λ, hier n = 1
  2. sin 20° = 0,342
  3. λ = 2 · 201 pm · 0,342 = 137 pm
Ergebnis:
137 pm

AchtungGlanzwinkel und Ablenkwinkel verwechselt

So nicht
Ring bei r : L = θ, also λ = 2 · d · r : L
So richtig
Ring beim Ablenkwinkel 2θ: r : L ≈ 2θ, also λ ≈ d · r : L

Zeichne den Strahl an der Netzebene. Der Ablenkwinkel ist 2θ, in Bragg steht θ.

ÜbenJetzt du

  1. ○28
    Drehkristallverfahren mit einem Lithiumfluorid-Kristall (d = 201 pm): Ein Maximum erster Ordnung liegt beim Glanzwinkel θ = 10°. Berechne die Wellenlänge in pm.
    θ = 10°LiF, d = 201 pmλ = ?
    So fängst du an:
    Bragg: 2 · d · sin θ = n · λ, hier n = 1
    Lösung zeigen
    1. Bragg: 2 · d · sin θ = n · λ, hier n = 1
    2. sin 10° = 0,1736
    3. λ = 2 · 201 pm · 0,1736 = 69,8 pm
    Ergebnis:
    69,8 pm
  2. ●29
    Drehkristallverfahren mit einem Kochsalz-Kristall (d = 282 pm): Ein Maximum erster Ordnung liegt beim Glanzwinkel θ = 10°. Berechne die Wellenlänge in pm.
    θ = 10°NaCl, d = 282 pmλ = ?
    Lösung zeigen
    1. Bragg: 2 · d · sin θ = n · λ, hier n = 1
    2. sin 10° = 0,1736
    3. λ = 2 · 282 pm · 0,1736 = 97,9 pm
    Ergebnis:
    97,9 pm
  3. ★30
    Unter welchem Glanzwinkel θ erscheint die Kα-Linie von Molybdän (λ = 71 pm) mit einem Lithiumfluorid-Kristall (d = 201 pm) in erster Ordnung? Berechne θ in Grad.
    θ = ?LiF, d = 201 pmλ = 71 pm
    Lösung zeigen
    1. Bragg: 2 · d · sin θ = n · λ, also sin θ = n · λ : (2 · d)
    2. sin θ = 1 · 71 pm : (2 · 201 pm) = 0,1766
    3. θ = 10,2°
    Ergebnis:
    10,2 °

Vermischte Übungen

Alles durcheinander – wie in der Arbeit. Überleg bei jeder Aufgabe zuerst: Welches Ziel ist das?

Üben

  1. ●31
    Ein Wasserstoffatom in einer Spektralröhre ist im Zustand n = 6. Wie viel Energie braucht man mindestens, um es zu ionisieren? Berechne in eV.
    n = 1n = 2n = 3n = 4n = 5n = 6E_ion = ?
    Lösung zeigen
    1. E_n = −13,6 eV : n², ionisiert heißt E = 0
    2. E_6 = −13,6 eV : 36 = −0,378 eV
    3. Bis E = 0 fehlen 0,378 eV
    Ergebnis:
    0,378 eV
  2. ●32
    Ein UV-Photon mit 16 eV ionisiert ein Wasserstoffatom im Grundzustand (Ionisierungsenergie 13,6 eV). Welche Bewegungsenergie hat das freie Elektron? Berechne in eV.
    n = 1−13,6 eVn = 2−3,4 eVn = 3−1,51 eVE_Ph = 16 eV
    Lösung zeigen
    1. E_kin = E_Ph − 13,6 eV, denn so viel braucht die Ionisation
    2. E_Ph = 16 eV
    3. E_kin = 16 eV − 13,6 eV = 2,4 eV
    Ergebnis:
    2,4 eV
  3. ●33
    Ein angeregtes Wasserstoffatom geht von n = 3 nach n = 2. Berechne die Wellenlänge des ausgesandten Photons in nm.
    n = 1−13,6 eVn = 2−3,4 eVn = 3−1,51 eVλ = ?Wasserstoff
    Lösung zeigen
    1. Erst ΔE, dann λ = h · c : ΔE
    2. ΔE = 13,6 eV · (1 : 4 − 1 : 9) = 1,89 eV
    3. λ = 1240 eV · nm : 1,89 eV = 656 nm
    Ergebnis:
    656 nm
  4. ●34
    Berechne mit der Serienformel die Frequenz der Wasserstofflinie für den Sprung von m = 3 nach n = 2 in THz (f_R = 3,29 · 10¹⁵ Hz, 1 THz = 10¹² Hz).
    n = 1−13,6 eVn = 2−3,4 eVn = 3−1,51 eVf = ?Balmer-Serie
    Lösung zeigen
    1. f = f_R · (1 : n² − 1 : m²)
    2. 1 : 4 − 1 : 9 = 0,1389
    3. f = 3,29 · 10¹⁵ Hz · 0,1389 = 4,57 · 10¹⁴ Hz = 457 THz
    Ergebnis:
    457 THz
  5. ●35
    Eine Wolke aus Wasserstoffatomen im Grundzustand wird mit Photonen von 11 eV bestrahlt. Was geschieht mit diesen Photonen?
    n = 1−13,6 eVn = 2−3,4 eVn = 3−1,51 eVn = 4−0,85 eVE_Ph = 11 eV
    Lösung zeigen
    1. Absorbiert wird nur eine Energie, die genau zu einem Übergang passt.
    2. Die Abstände vom Grundzustand sind 10,2 eV, 12,09 eV, 12,75 eV und so weiter bis 13,6 eV.
    3. 11 eV passt auf keinen Abstand und reicht nicht zum Ionisieren.
    Ergebnis:
    Die Photonen gehen ungehindert durch.
  6. ●36
    In einer Spektralröhre erreichen die Atome höchstens den Zustand n = 5. Wie viele verschiedene Spektrallinien können beim Zurückfallen entstehen? Berechne mit Einheit.
    n = 1n = 2n = 3n = 4n = 5Linien = ?
    Lösung zeigen
    1. Jedes Paar von zwei Niveaus gibt eine Linie, auch über Zwischenstufen.
    2. Von 5 Niveaus lassen sich 5 · 4 : 2 Paare bilden.
    3. 5 · 4 : 2 = 10 Linien
    Ergebnis:
    10 Linien

Auf einen Blick

MerkenDas Wichtigste

Energieniveaus des Wasserstoffs
Das Elektron im Wasserstoffatom hat nur die Energien E_n = −13,6 eV : n².
Linienspektrum
Beim Sprung zwischen zwei Niveaus trägt ein Photon genau ihren Energieabstand davon.
Emission und Absorption
Ein Atom nimmt nur Photonen auf, die genau zu einem Abstand zweier Niveaus passen.
Niveauschema und Spektralanalyse
Energien addieren sich, Wellenlängen nicht.
Orbitale
Ein Orbital zeigt, wo das Elektron mit welcher Wahrscheinlichkeit nachgewiesen wird.
Franck-Hertz-Versuch
Elektronen geben ihre Energie nur in festen Portionen an die Atome ab.
Potenzialtopf
Im Topf der Breite L passen nur stehende Wellen: E_n = n² · h² : (8 · m_e · L²).
Ein-Elektronen-Systeme und Pauli
Für Ionen mit einem Elektron gilt E_n = −13,6 eV · Z² : n².
Kurzwellige Grenze
Ein Photon bekommt höchstens die Energie e · U eines Elektrons: λ_min = h · c : (e · U).
Röntgenspektrum
Am Kristall gilt die Bragg-Bedingung 2 · d · sin θ = n · λ.

AchtungElektron kreist auf einer Bahn

So nicht
Blitz gesehen, nach 6 s Donner → das Gewitter ist 6 km weit weg
So richtig
s = 340 m/s · 6 s ≈ 2040 m ≈ 2 km  (Schall braucht rund 3 s je Kilometer)

Das Bohrsche Bild erklärt die Energiewerte, aber keine Bahn. Das Orbital ist eine Wahrscheinlichkeitsverteilung.

AchtungVorzeichen der Energie

So nicht
lauter gezupft → der Ton wird höher
So richtig
lauter gezupft → größere Amplitude → lauter. Höher wird er nur bei größerer Frequenz (kürzere Saite)

Gebundene Zustände haben negative Energie; null heißt: Das Elektron ist gerade frei.

Kannst du das?

Je Ziel eine Aufgabe. Rechne sie ins Heft, dann kreuz ehrlich an. Keine Punkte, keine Note – der Test ist für dich.

ÜbenSelbsttest

  1. Ich kann die Energiewerte des Wasserstoffatoms berechnen und Ionisation erklären.

    37
    Ein Wasserstoffatom ist im Zustand n = 2. Wie viel Energie braucht man mindestens, um es zu ionisieren? Berechne in eV.
    n = 1n = 2n = 3E_ion = ?
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    3,4 eV

  2. Ich kann Spektrallinien des Wasserstoffs aus dem Niveauschema und mit der Serienformel berechnen.

    38
    Im Wasserstoffatom springt das Elektron von n = 3 nach n = 2. Berechne die Wellenlänge des ausgesandten Photons in nm.
    n = 1−13,6 eVn = 2−3,4 eVn = 3−1,51 eVλ = ?Wasserstoff
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    656 nm

  3. Ich kann Emission und Absorption von Photonen mit Energieniveaus erklären.

    39
    Kaltes Wasserstoffgas im Grundzustand wird mit Photonen von 10,2 eV bestrahlt. Was geschieht mit diesen Photonen?
    n = 1−13,6 eVn = 2−3,4 eVn = 3−1,51 eVn = 4−0,85 eVE_Ph = 10,2 eV
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    Absorbiert: Die Atome gehen nach n = 2.

  4. Ich kann aus einem Energieniveauschema Spektrallinien vorhersagen und Gase an ihren Linien erkennen.

    40
    Das Bild zeigt das Energieniveauschema eines Atoms. Berechne die Wellenlänge des Photons beim Sprung von E_4 nach E_2 in nm.
    E_10 eVE_22,2 eVE_33,4 eVE_44,6 eVλ = ?Energieniveaus
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    517 nm

  5. Ich kann Orbitale als Nachweiswahrscheinlichkeit des Elektrons deuten.

    41
    Wie unterscheidet sich das Orbital des Wasserstoffatoms im Zustand n = 5 gegenüber dem Zustand n = 4?
    größer oder kleiner?n = 5
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    Es reicht weiter hinaus, die Energie ist höher.

Bei „unsicher“ oder „noch nicht“: Lies den Abschnitt zum Ziel noch einmal und rechne seine drei Aufgaben.

Wörter

Steigung
wie stark es nach oben geht, pro Schritt nach rechts
Wahrscheinlichkeit
wie sicher etwas passiert

Lösungen

  1. 12,09 eV
  2. 0,85 eV
  3. 0,66 eV
  4. 434 nm
  5. 1100 nm
  6. 91,2 nm
  7. Ionisiert: Das Elektron fliegt mit 1,4 eV davon.
  8. Absorbiert: Die Atome gehen nach n = 4.
  9. Die Atome senden in alle Richtungen, nach vorn fehlt es.
  10. 282 nm
  11. 886 nm
  12. 442 nm
  13. Dort wird das Elektron oft nachgewiesen.
  14. Es reicht weiter hinaus, die Energie ist höher.
  15. Atome sind stabil: Das Elektron hat keine Bahn, nur feste Energie.
  16. 18,4 eV
  17. 19 eV
  18. 248 nm
  19. 6,02 eV
  20. 37,6 eV
  21. 471 nm
  22. 6,04 eV
  23. 218 eV
  24. 1020 nm
  25. 82,7 pm
  26. 31 pm
  27. 24,8 kV
  28. 69,8 pm
  29. 97,9 pm
  30. 10,2 °
  31. 0,378 eV
  32. 2,4 eV
  33. 656 nm
  34. 457 THz
  35. Die Photonen gehen ungehindert durch.
  36. 10 Linien
  37. 3,4 eV
  38. 656 nm
  39. Absorbiert: Die Atome gehen nach n = 2.
  40. 517 nm
  41. Es reicht weiter hinaus, die Energie ist höher.