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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 ist im Zustand n = 2. Wie viel Energie braucht man mindestens, um es zu ionisieren? Berechne in eV.
n = 1n = 2n = 3E_ion = ?
Schritt für Schritt
  1. E_n = −13,6 eV : n², ionisiert heißt E = 0
  2. E_2 = −13,6 eV : 4 = −3,4 eV
  3. Bis E = 0 fehlen 3,4 eV
  1. E_n = −13,6 eV : n², ionisiert heißt E = 0
  2. E_2 = −13,6 eV : 4 = −3,4 eV
  3. Bis E = 0 fehlen 3,4 eV
Ergebnis:
3,4 eV

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. ○1
    Ein Wasserstoffatom in einer Spektralröhre ist im Zustand n = 3. Wie viel Energie braucht man mindestens, um es zu ionisieren? Berechne in eV.
    n = 1n = 2n = 3E_ion = ?
    So fängst du an:
    E_n = −13,6 eV : n², ionisiert heißt E = 0
    Lösung zeigen
    1. E_n = −13,6 eV : n², ionisiert heißt E = 0
    2. E_3 = −13,6 eV : 9 = −1,51 eV
    3. Bis E = 0 fehlen 1,51 eV
    Ergebnis:
    1,51 eV
  2. ●2
    Ein Wasserstoffatom soll vom Grundzustand in den Zustand n = 6 gehoben werden. Diese liegen 13,6 eV und 0,378 eV unter der Ionisationsgrenze. Wie viel Energie muss es aufnehmen? Berechne mit Einheit.
    n = 1n = 2n = 3n = 4n = 5n = 6ΔE = ?Wasserstoff
    Lösung zeigen
    1. ΔE = E_n − E_1 mit E_n = −13,6 eV : n²
    2. E_6 = −0,378 eV, E_1 = −13,6 eV
    3. ΔE = −0,378 eV + 13,6 eV = 13,22 eV
    Ergebnis:
    13,22 eV
  3. ★3
    Ein Wasserstoffatom in einer Spektralröhre wird vom Zustand n = 4 in den Zustand n = 6 angeregt. Wie viel Energie muss es aufnehmen? Berechne in eV.
    n = 1n = 2n = 3n = 4n = 5n = 6ΔE = ?Wasserstoff
    Lösung zeigen
    1. ΔE = E_m − E_n mit E_n = −13,6 eV : n²
    2. E_4 = −0,85 eV, E_6 = −0,378 eV
    3. ΔE = −0,378 eV − (−0,85 eV) = 0,47 eV
    Ergebnis:
    0,47 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 = 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 eVλ = ?Wasserstoff
Schritt für Schritt
  1. Erst ΔE, dann λ = h · c : ΔE
  2. ΔE = 13,6 eV · (1 : 9 − 1 : 16) = 0,661 eV
  3. λ = 1240 eV · nm : 0,661 eV = 1880 nm
  1. Erst ΔE, dann λ = h · c : ΔE
  2. ΔE = 13,6 eV · (1 : 9 − 1 : 16) = 0,661 eV
  3. λ = 1240 eV · nm : 0,661 eV = 1880 nm
Ergebnis:
1880 nm

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. ○4
    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
    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 : 9) = 1,89 eV
    3. λ = 1240 eV · nm : 1,89 eV = 656 nm
    Ergebnis:
    656 nm
  2. ●5
    Ein angeregtes Wasserstoffatom geht von n = 5 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 eVλ = ?Wasserstoff
    Lösung zeigen
    1. Erst ΔE, dann λ = h · c : ΔE
    2. ΔE = 13,6 eV · (1 : 9 − 1 : 25) = 0,967 eV
    3. λ = 1240 eV · nm : 0,967 eV = 1280 nm
    Ergebnis:
    1280 nm
  3. ★6
    Berechne die längste Wellenlänge der Paschen-Serie des Wasserstoffs (Sprünge nach n = 3). In welchem Spektralbereich liegt sie?
    n = 1−13,6 eVn = 2−3,4 eVn = 3−1,51 eVn = 4−0,85 eVλ = ?Paschen-Serie
    Lösung zeigen
    1. Längste Wellenlänge: kleinster Sprung, von n + 1 nach n
    2. ΔE = 13,6 eV · (1 : 9 − 1 : 16) = 0,661 eV
    3. λ = 1240 eV · nm : 0,661 eV = 1880 nm, infrarot
    Ergebnis:
    1880 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 9,5 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 = 9,5 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. 9,5 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. 9,5 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 12,09 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 = 12,09 eV
    So fängst du an:
    Absorbiert wird nur eine Energie, die genau zu einem Übergang passt.
    Lösung zeigen
    1. Absorbiert wird nur eine Energie, die genau zu einem Übergang passt.
    2. E_3 − E_1 = 13,6 eV − 1,51 eV = 12,09 eV
    3. Das passt genau: Die Atome gehen nach n = 3.
    Ergebnis:
    Absorbiert: Die Atome gehen nach n = 3.
  2. ●8
    Wasserstoffgas in einer Glaskugel 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
    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.
  3. ★9
    Im Spektrum eines heißen Sterns fehlt Licht bei 589 nm: eine dunkle Linie von Natrium. 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 589 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_3 nach E_1 in nm.
E_10 eVE_22,1 eVE_33 eVE_44,9 eVλ = ?Energieniveaus
Schritt für Schritt
  1. ΔE = E_oben − E_unten, dann λ = h · c : ΔE
  2. ΔE = 3 eV − 0 eV = 3 eV
  3. λ = 1240 eV · nm : 3 eV = 413 nm
  1. ΔE = E_oben − E_unten, dann λ = h · c : ΔE
  2. ΔE = 3 eV − 0 eV = 3 eV
  3. λ = 1240 eV · nm : 3 eV = 413 nm
Ergebnis:
413 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_3 in nm.
    E_10 eVE_21,6 eVE_32,8 eVE_44,1 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 = 4,1 eV − 2,8 eV = 1,3 eV
    3. λ = 1240 eV · nm : 1,3 eV = 954 nm
    Ergebnis:
    954 nm
  2. ●11
    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_22,1 eVE_33 eVE_44,9 eVλ = ?Energieniveaus
    Lösung zeigen
    1. ΔE = E_oben − E_unten, dann λ = h · c : ΔE
    2. ΔE = 2,1 eV − 0 eV = 2,1 eV
    3. λ = 1240 eV · nm : 2,1 eV = 590 nm
    Ergebnis:
    590 nm
  3. ★12
    Ein Atom sendet beim Sprung E_4 → E_3 Licht mit 653 nm aus, beim Sprung E_3 → E_1 mit 413 nm. Berechne λ für den Sprung E_4 → E_1.
    E_1E_2E_3E_4653 nm413 nmλ = ?Energieniveaus
    Lösung zeigen
    1. Die Energien addieren sich, nicht die Wellenlängen: 1 : λ = 1 : λ₁ + 1 : λ₂
    2. ΔE₁ = 1240 eV · nm : 653 nm = 1,9 eV, ΔE₂ = 3 eV
    3. λ = 1240 eV · nm : 4,9 eV = 253 nm
    Ergebnis:
    253 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

Das Bild zeigt eine Punktwolke für das Elektron im Wasserstoffatom im Zustand n = 3. Was bedeutet es, wenn die Punkte an einer Stelle dicht liegen?
dichte Punkte?n = 3
Schritt für Schritt
  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.
  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.

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
    Was ändert sich am Orbital des Wasserstoffatoms im Zustand n = 5 gegenüber dem Zustand n = 4?
    größer oder kleiner?n = 5
    So fängst du an:
    E_5 = −13,6 eV : 25 liegt höher als E_4 = −13,6 eV : 16.
    Lösung zeigen
    1. E_5 = −13,6 eV : 25 liegt höher als E_4 = −13,6 eV : 16.
    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.
  2. ●14
    Kreist das Elektron im Wasserstoffatom im Zustand n = 2 auf einer Kreisbahn um den Kern?
    Bahn?n = 2
    Lösung zeigen
    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.
  3. ★15
    Man misst zweimal den Ort des Elektrons in genau gleich präparierten Wasserstoffatomen (n = 1). Kommt jedes Mal derselbe Ort heraus? Begründe.
    Messung?n = 1
    Lösung zeigen
    1. Gleich präpariert heißt: gleicher Zustand, gleiche Wahrscheinlichkeiten.
    2. Jede einzelne Messung liefert einen Punkt.
    3. Die Punkte streuen nach der Verteilung, die das Orbital zeigt.
    Ergebnis:
    Nein: Welcher Ort herauskommt, ist zufällig.

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 22 V, 41 V. Bestimme die Anregungsenergie der Neonatome in eV.
U in VI2241ΔE = ?
Schritt für Schritt
  1. Die Anregungsenergie ist der Abstand zweier Maxima, über alle gemittelt
  2. ΔU = 41 V − 22 V = 19 V
  3. ΔE = e · ΔU = 19 eV
  1. Die Anregungsenergie ist der Abstand zweier Maxima, über alle gemittelt
  2. ΔU = 41 V − 22 V = 19 V
  3. ΔE = e · ΔU = 19 eV
Ergebnis:
19 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 23,4 V, 42,4 V, 61,4 V, 80,4 V. Bestimme die Anregungsenergie der Neonatome in eV.
    U in VI23,442,461,480,4ΔE = ?
    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 = (80,4 V − 23,4 V) : 3 = 19 V
    3. ΔE = e · ΔU = 19 eV
    Ergebnis:
    19 eV
  2. ●17
    Franck-Hertz-Versuch mit einer Neonröhre liegen die Strommaxima bei 22 V, 41 V, 60 V. Bestimme die Anregungsenergie der Neonatome in eV.
    U in VI224160ΔE = ?
    Lösung zeigen
    1. Die Anregungsenergie ist der Abstand zweier Maxima, über alle gemittelt
    2. ΔU = (60 V − 22 V) : 2 = 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 = 0,5 nm. Berechne seine Energie für n = 2 in eV.
ψ00,5 nmE_2 = ?n = 2
Schritt für Schritt
  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
  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

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 = 1,2 nm. Berechne seine Energie für n = 1 in eV.
    ψ01,2 nmE_1 = ?n = 1
    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) = 4,18 · 10⁻²⁰ J
    3. E_1 = 1 · 4,18 · 10⁻²⁰ J = 4,18 · 10⁻²⁰ J = 0,261 eV
    Ergebnis:
    0,261 eV
  2. ●20
    Ein Elektron sitzt in einem Potenzialtopf der Breite L = 1,5 nm. Berechne seine Energie für n = 4 in eV.
    ψ01,5 nmE_4 = ?n = 4
    Lösung zeigen
    1. E_n = n² · h² : (8 · m_e · L²)
    2. E_1 = h² : (8 · m_e · L²) = 2,68 · 10⁻²⁰ J
    3. E_4 = 16 · 2,68 · 10⁻²⁰ J = 4,28 · 10⁻¹⁹ J = 2,67 eV
    Ergebnis:
    2,67 eV
  3. ★21
    Ein Farbstoffmolekül ist ein Potenzialtopf mit L = 1 nm. Ein Elektron springt von n = 5 nach n = 4. Berechne λ in nm.
    ψ01 nmλ = ?n = 5
    Lösung zeigen
    1. E_n ≈ 0,376 eV · nm² · n² : L²
    2. ΔE = 0,376 eV · nm² · (25 − 16) : (1 nm)² = 3,38 eV
    3. λ = 1240 eV · nm : 3,38 eV = 367 nm
    Ergebnis:
    367 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

Wie viel Energie braucht man, um das Li²⁺-Ion (Z = 3) aus dem Zustand n = 2 weiter zu ionisieren? Berechne in eV.
n = 1n = 2n = 3Li²⁺-Ion: E_ion = ?
Schritt für Schritt
  1. Ein-Elektronen-System: E_n = −13,6 eV · Z² : n²
  2. E_2 = −13,6 eV · 9 : 4 = −30,6 eV
  3. Bis E = 0 fehlen 30,6 eV
  1. Ein-Elektronen-System: E_n = −13,6 eV · Z² : n²
  2. E_2 = −13,6 eV · 9 : 4 = −30,6 eV
  3. Bis E = 0 fehlen 30,6 eV
Ergebnis:
30,6 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
    Welche Energie ist nötig, um das Li²⁺-Ion (Z = 3) aus dem Zustand n = 2 weiter zu ionisieren? Berechne in eV.
    n = 1n = 2n = 3Li²⁺-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_2 = −13,6 eV · 9 : 4 = −30,6 eV
    3. Bis E = 0 fehlen 30,6 eV
    Ergebnis:
    30,6 eV
  2. ●23
    Welche Energie ist nötig, um das Li²⁺-Ion (Z = 3) aus dem Zustand n = 1 weiter zu ionisieren? Berechne in eV.
    n = 1n = 2n = 3Li²⁺-Ion: E_ion = ?
    Lösung zeigen
    1. Ein-Elektronen-System: E_n = −13,6 eV · Z² : n²
    2. E_1 = −13,6 eV · 9 : 1 = −122 eV
    3. Bis E = 0 fehlen 122 eV
    Ergebnis:
    122 eV
  3. ★24
    Im 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 Schulröntgenröhre mit Eisenanode wird mit U = 20 kV betrieben. Berechne die kurzwellige Grenze λ_min des Bremsspektrums in pm (h · c ≈ 1240 eV · nm).
λIλ_min = ?λ_min = ?Eisenanode, 20 kV
Schritt für Schritt
  1. λ_min = h · c : (e · U)
  2. e · U = 20 keV = 20.000 eV
  3. λ_min = 1240 eV · nm : 20.000 eV = 0,062 nm = 62 pm
  1. λ_min = h · c : (e · U)
  2. e · U = 20 keV = 20.000 eV
  3. λ_min = 1240 eV · nm : 20.000 eV = 0,062 nm = 62 pm
Ergebnis:
62 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 Schulröntgenröhre mit Eisenanode wird mit U = 35 kV betrieben. Berechne die kurzwellige Grenze λ_min des Bremsspektrums in pm (h · c ≈ 1240 eV · nm).
    λIλ_min = ?λ_min = ?Eisenanode, 35 kV
    So fängst du an:
    λ_min = h · c : (e · U)
    Lösung zeigen
    1. λ_min = h · c : (e · U)
    2. e · U = 35 keV = 35.000 eV
    3. λ_min = 1240 eV · nm : 35.000 eV = 0,0354 nm = 35,4 pm
    Ergebnis:
    35,4 pm
  2. ●26
    Eine Röntgenröhre mit Kupferanode wird mit U = 10 kV betrieben. Berechne die kurzwellige Grenze λ_min des Bremsspektrums in pm (h · c ≈ 1240 eV · nm).
    λIλ_min = ?λ_min = ?Kupferanode, 10 kV
    Lösung zeigen
    1. λ_min = h · c : (e · U)
    2. e · U = 10 keV = 10.000 eV
    3. λ_min = 1240 eV · nm : 10.000 eV = 0,124 nm = 124 pm
    Ergebnis:
    124 pm
  3. ★27
    Das Bremsspektrum einer Röntgenröhre mit Molybdänanode endet bei λ_min = 100 pm. Mit welcher Spannung wird die Röhre betrieben? Berechne U in kV.
    λIλ_min = 100 pmU = ?Molybdänanode
    Lösung zeigen
    1. U = h · c : (e · λ_min)
    2. h · c : λ_min = 1240 eV · nm : 0,1 nm = 12.400 eV
    3. U = 12.400 V = 12,4 kV
    Ergebnis:
    12,4 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 Kochsalz-Kristall (d = 282 pm): Ein Maximum erster Ordnung liegt beim Glanzwinkel θ = 15°. Berechne die Wellenlänge in pm.
θ = 15°NaCl, d = 282 pmλ = ?
Schritt für Schritt
  1. Bragg: 2 · d · sin θ = n · λ, hier n = 1
  2. sin 15° = 0,2588
  3. λ = 2 · 282 pm · 0,2588 = 146 pm
  1. Bragg: 2 · d · sin θ = n · λ, hier n = 1
  2. sin 15° = 0,2588
  3. λ = 2 · 282 pm · 0,2588 = 146 pm
Ergebnis:
146 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 = 15°. Berechne die Wellenlänge in pm.
    θ = 15°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 15° = 0,2588
    3. λ = 2 · 201 pm · 0,2588 = 104 pm
    Ergebnis:
    104 pm
  2. ●29
    Drehkristallverfahren mit einem Lithiumfluorid-Kristall (d = 201 pm): Ein Maximum erster Ordnung liegt beim Glanzwinkel θ = 6°. Berechne die Wellenlänge in pm.
    θ = 6°LiF, d = 201 pmλ = ?
    Lösung zeigen
    1. Bragg: 2 · d · sin θ = n · λ, hier n = 1
    2. sin 6° = 0,1045
    3. λ = 2 · 201 pm · 0,1045 = 42 pm
    Ergebnis:
    42 pm
  3. ★30
    Unter welchem Glanzwinkel θ erscheint die Kα-Linie von Molybdän (λ = 71 pm) mit einem Lithiumfluorid-Kristall (d = 201 pm) in zweiter 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 = 2 · 71 pm : (2 · 201 pm) = 0,3532
    3. θ = 20,7°
    Ergebnis:
    20,7 °

Vermischte Übungen

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

Üben

  1. ●31
    Ein Photon aus einer Heliumlampe mit 25 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 = 25 eV
    Lösung zeigen
    1. E_kin = E_Ph − 13,6 eV, denn so viel braucht die Ionisation
    2. E_Ph = 25 eV
    3. E_kin = 25 eV − 13,6 eV = 11,4 eV
    Ergebnis:
    11,4 eV
  2. ●32
    Ein angeregtes Wasserstoffatom geht von n = 5 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 eVn = 5−0,54 eVλ = ?Wasserstoff
    Lösung zeigen
    1. Erst ΔE, dann λ = h · c : ΔE
    2. ΔE = 13,6 eV · (1 : 1 − 1 : 25) = 13,1 eV
    3. λ = 1240 eV · nm : 13,1 eV = 94,7 nm
    Ergebnis:
    94,7 nm
  3. ●33
    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
  4. ●34
    Ein Gas wird so angeregt, dass die Atome höchstens den Zustand n = 8 erreichen. Wie viele verschiedene Spektrallinien können beim Zurückfallen entstehen? Berechne mit Einheit.
    n = 1n = 2n = 3n = 4n = 5n = 6n = 7n = 8Linien = ?
    Lösung zeigen
    1. Jedes Paar von zwei Niveaus gibt eine Linie, auch über Zwischenstufen.
    2. Von 8 Niveaus lassen sich 8 · 7 : 2 Paare bilden.
    3. 8 · 7 : 2 = 28 Linien
    Ergebnis:
    28 Linien
  5. ●35
    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_21,8 eVE_32,9 eVE_43,7 eVλ = ?Energieniveaus
    Lösung zeigen
    1. ΔE = E_oben − E_unten, dann λ = h · c : ΔE
    2. ΔE = 3,7 eV − 0 eV = 3,7 eV
    3. λ = 1240 eV · nm : 3,7 eV = 335 nm
    Ergebnis:
    335 nm
  6. ●36
    Eine unbekannte Gasentladung zeigt helle Linien bei 672 nm und 610 nm. Welches Element leuchtet? Nutze die Tabelle im Bild.
    gemessen: 672 nm und 610 nmWasserstoff656 nm, 486 nm, 434 nmNatrium589 nm, 590 nmHelium588 nm, 668 nm, 502 nmLithium671 nm, 610 nmKalium766 nm, 770 nm, 404 nm
    Lösung zeigen
    1. Jedes Element hat sein eigenes Linienmuster wie einen Fingerabdruck.
    2. Vergleiche alle Linien mit der Tabelle: 671 nm und 610 nm
    3. Alle passen auf Lithium, Abweichungen von 1 nm sind Messgenauigkeit.
    Ergebnis:
    Lithium: Alle Linien passen.

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 soll vom Grundzustand in den Zustand n = 4 gehoben werden. Diese liegen 13,6 eV und 0,85 eV unter der Ionisationsgrenze. Wie viel Energie muss es aufnehmen? Berechne mit Einheit.
    n = 1n = 2n = 3n = 4ΔE = ?Wasserstoff
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    12,75 eV

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

    38
    Im Wasserstoffatom springt das Elektron von n = 7 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 eVn = 6−0,38 eVn = 7−0,28 eVλ = ?Wasserstoff
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    397 nm

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

    39
    Wasserstoffgas in einer Glaskugel 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
    Ergebnis:
    Absorbiert: Die Atome gehen nach n = 4.

  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_22,5 eVE_33,9 eVE_45,2 eVλ = ?Energieniveaus
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    459 nm

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

    41
    Wie viel Energie braucht man, um das Li²⁺-Ion (Z = 3) aus dem Zustand n = 2 weiter zu ionisieren? Berechne in eV.
    n = 1n = 2n = 3Li²⁺-Ion: E_ion = ?
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    30,6 eV

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. 1,51 eV
  2. 13,22 eV
  3. 0,47 eV
  4. 656 nm
  5. 1280 nm
  6. 1880 nm
  7. Absorbiert: Die Atome gehen nach n = 3.
  8. Ionisiert: Das Elektron fliegt mit 1,4 eV davon.
  9. Die Atome senden in alle Richtungen, nach vorn fehlt es.
  10. 954 nm
  11. 590 nm
  12. 253 nm
  13. Es reicht weiter hinaus, die Energie ist höher.
  14. Nein: Es gibt nur Nachweiswahrscheinlichkeiten.
  15. Nein: Welcher Ort herauskommt, ist zufällig.
  16. 19 eV
  17. 19 eV
  18. 248 nm
  19. 0,261 eV
  20. 2,67 eV
  21. 367 nm
  22. 30,6 eV
  23. 122 eV
  24. 1020 nm
  25. 35,4 pm
  26. 124 pm
  27. 12,4 kV
  28. 104 pm
  29. 42 pm
  30. 20,7 °
  31. 11,4 eV
  32. 94,7 nm
  33. 457 THz
  34. 28 Linien
  35. 335 nm
  36. Lithium: Alle Linien passen.
  37. 12,75 eV
  38. 397 nm
  39. Absorbiert: Die Atome gehen nach n = 4.
  40. 459 nm
  41. 30,6 eV