Atommodelle und Spektren – warum Atome farbig leuchten

Streut man Kochsalz in eine Flamme, leuchtet sie gelb. Zerlegt man das Licht eines leuchtenden Gases mit einem Prisma, sieht man nur einzelne farbige Linien. Das Bohrsche Atommodell erklärt, warum: Elektronen im Atom können nur ganz bestimmte Energien haben.

Vom Kern-Hülle-Modell zum Bohrschen Modell

Nach Rutherford (1911) besteht ein Atom aus einem winzigen positiven Kern und einer Hülle aus Elektronen. Würden die Elektronen den Kern aber einfach umkreisen wie Planeten die Sonne, müssten sie dabei ständig Strahlung abgeben und in den Kern stürzen. Niels Bohr schlug 1913 deshalb vor:

  1. Elektronen bewegen sich nur auf bestimmten erlaubten Bahnen (Schalen) mit fester Energie. Dort strahlen sie nicht.
  2. Springt ein Elektron von einer höheren auf eine niedrigere Bahn, sendet es ein Photon aus. Dessen Energie ist genau der Energieunterschied:

h · f = Eoben − Eunten Bohrsche Frequenzbedingung

Umgekehrt kann ein Atom nur Photonen aufnehmen, deren Energie genau zu einem Sprung nach oben passt.

Die Energiestufen des Wasserstoffatoms

Für das einfachste Atom, den Wasserstoff, gilt:

En = −13,6 eV / n² n = 1, 2, 3, … (Hauptquantenzahl)

n = 1−13,6 eVn = 2−3,4 eVn = 3−1,51 eVn = 4−0,85 eVn = 6−0,38 eV0 eV (frei)656 nm486 nm434 nm410 nmLyman (UV)
Energieniveaus des Wasserstoffatoms (Abstände gestaucht). Sprünge auf n = 2 erzeugen sichtbares Licht (Balmer-Serie), Sprünge auf n = 1 ultraviolettes (Lyman-Serie).

Im Grundzustand (n = 1) ist das Elektron mit 13,6 eV gebunden – so viel Energie braucht man, um Wasserstoff zu ionisieren. Die negative Energie bedeutet: Das Elektron ist gebunden, bei 0 eV wäre es frei.

Beispiel: die rote Wasserstofflinie

Sprung von n = 3 nach n = 2: ΔE = −1,51 eV − (−3,40 eV) = 1,89 eV. Mit λ = h · c / ΔE ≈ 1240 eV·nm / 1,89 eV ergibt sich λ ≈ 656 nm – rotes Licht.

Linienspektren und kontinuierliche Spektren

400 nm500 nm600 nm700 nm
Oben: Ein glühender Festkörper (Glühlampe, Sonne) sendet alle Farben aus – ein kontinuierliches Spektrum. Unten: Leuchtender Wasserstoff sendet nur vier sichtbare Linien aus.
  • Emissionsspektrum: Ein heißes, leuchtendes Gas sendet nur Licht bestimmter Wellenlängen aus. Jedes Element hat sein eigenes Linienmuster – wie ein Fingerabdruck.
  • Absorptionsspektrum: Schickt man weißes Licht durch ein kühleres Gas, fehlen genau diese Wellenlängen – dunkle Linien im Regenbogen. Im Sonnenlicht heißen sie Fraunhofer-Linien. So weiß man, aus welchen Elementen die Sonne und ferne Sterne bestehen.
  • Kontinuierliches Spektrum: Glühende Festkörper und dichte Gase wie die Sonnenoberfläche senden alle Wellenlängen aus.

Flammenfärbung

In der Flamme werden die Atome angeregt und senden beim Zurückfallen ihr typisches Licht aus. Daran kann man Elemente erkennen – und daher kommen die Farben von Feuerwerk.

ElementFlammenfarbewichtige Linie
Natriumgelb589 nm
Lithiumkarminrot671 nm
Strontiumrotmehrere Linien
Kaliumviolett404 und 767 nm
Kupfergrün bis blaugrünmehrere Linien
Bariumfahlgrünmehrere Linien

Und heute? Das Orbitalmodell

Das Bohrsche Modell erklärt den Wasserstoff sehr gut, versagt aber schon beim Helium. In der heutigen Quantenphysik gibt es keine festen Bahnen mehr: Man kann nur angeben, wo sich ein Elektron mit welcher Wahrscheinlichkeit aufhält. Diese Aufenthaltsräume heißen Orbitale. Die Idee der festen Energiestufen bleibt aber richtig – und mit ihr die Erklärung der Spektren.

Merke

Elektronen im Atom haben nur bestimmte Energien. Beim Sprung nach unten wird ein Photon mit genau der Differenzenergie ausgesandt. Deshalb hat jedes Element sein eigenes Linienspektrum.

Weiterlesen: Photoeffekt · Radioaktivität · Überblick Optik

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1. Warum besteht das Spektrum von leuchtendem Wasserstoff nur aus einzelnen Linien?
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Richtig: Die Elektronen können nur zwischen festen Energiestufen springen. Nur Sprünge zwischen erlaubten Energiestufen sind möglich – also nur ganz bestimmte Photonenenergien und Farben.

2. Ein Elektron springt im Wasserstoffatom von n = 4 (−0,85 eV) nach n = 2 (−3,40 eV). Welche Energie hat das Photon?
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Richtig: 2,55 eV. ΔE = −0,85 eV − (−3,40 eV) = 2,55 eV. Das ist die blaugrüne Linie bei 486 nm.

3. Woher weiß man, dass es auf der Sonne Natrium gibt?
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Richtig: Aus dunklen Linien im Sonnenspektrum. Die Natriumatome in der Sonnenatmosphäre verschlucken Licht genau bei ihren Wellenlängen – im Spektrum fehlen diese Farben (Fraunhofer-Linien).

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