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:
- Elektronen bewegen sich nur auf bestimmten erlaubten Bahnen (Schalen) mit fester Energie. Dort strahlen sie nicht.
- 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)
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
- 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.
| Element | Flammenfarbe | wichtige Linie |
|---|---|---|
| Natrium | gelb | 589 nm |
| Lithium | karminrot | 671 nm |
| Strontium | rot | mehrere Linien |
| Kalium | violett | 404 und 767 nm |
| Kupfer | grün bis blaugrün | mehrere Linien |
| Barium | fahlgrün | mehrere 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.
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