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Absorptions- und Emissionsversuche 06:10 min

Textversion des Videos

Transkript Absorptions- und Emissionsversuche

Hallo und herzlich willkommen zu Physik mit Kalle! Wir beschäftigen uns heute aus der Atom- und Kernphysik mit Absorptions- und Emissionsversuchen. Für dieses Video solltet ihr euch bereits ein wenig mit dem Burschen Atommodell auskennen. Wir lernen heute, was quantenhafte Absorption und Emission ist. Dann sehen wir uns ein paar Absorptions- und Emissionsversuche an. Und zum Schluss lernen wir, was Resonanzabsorption ist. Wir hatten die beiden ja schon in den 2 letzten Videos über den Franck-Hertz-Versuch und die Balmer-Formel kennengelernt. Deswegen fassen wir sie jetzt nur noch einmal kurz zusammen. Quantenhafte Emission bedeutet, dass Atome nur Photonen bestimmter Wellenlänge (also Energiewerte) aussenden; diese sind für den Atomtyp charakteristisch. Quantenhafte Absorption bedeutet, dass Atome auch nur Photonen bestimmter Wellenlänge aufnehmen; und auch diese sind für den Atomtyp charakteristisch. Soweit, so gut. Welche Versuche man damit machen kann und welche Spektren man damit erhält, das sehen wir uns im nächsten Kapitel an. Wir fangen mal an mit dem Versuch, mit dem Balmer die Wasserstoffserien-Formel entdeckte. Wir nehmen also eine Wasserstoff-Gasentladungsröhre und schließen eine Spannung an. Die Röhre leuchtet. Durch eine Blende und eine Linse bündeln wir einen Lichtstrahl auf ein Gitter. Am Beugungsgitter wird das Licht nun in die Spektralfarben des Wasserstoffes aufgefächert. Wir erhalten das uns bekannte Spektrum des Wasserstoffs. Durch die in der Gasentladungsröhre stattfindende quantenhafte Emission erhalten wir also ein Emissionsspektrum. Wir machen noch einen 2. Versuch. Diesmal benutzen wir keine Gasentladungsröhre, sondern einfach eine Glühlampe. Wir wir wissen, sendet eine Glühlampe weißes Licht, also Licht aller Spektralfarben, aus. Wir benutzen wieder eine Blende und eine Linse, um einen Lichtstrahl zu bündeln und auf ein Gitter zu schicken. Das Gitter fächert das Licht wieder in seine Spektralfarben auf. Wir erhalten also auf dem Schirm einen Regenbogen. Das ist ja nun noch nichts Neues. Deswegen erweitern wir das Experiment noch ein wenig. Wir nehmen die Gasentladungsröhre von eben, schließen aber keine Spannung an, sodass sie nicht leuchtet, und stellen sie einfach zwischen Linse und Gitter, sodass unser gebündelter Lichtstrahl durch sie hindurch muss. Was wir nun beobachten können, ist: Die Gasentladungsröhre beginnt schwach zu leuchten. Dafür beobachten wir aber in unserem Regenbogen auf dem Schirm, dass sich einige Stellen schwarz färben, sogenannte Absorptionslinien. Und wenn wir das mit unserem Spektrum von oben vergleichen, dann stellen wir fest: Die Farben, die in unserem Regenbogen fehlen, sind exakt die 4 Linien aus dem Emissionsspektrum. Der Grund dafür ist, dass das Gas in unserer Röhre genau diese 4 Linien absorbieren kann und dann wieder als Licht abgibt; allerdings nicht in die gleiche Richtung, wie der gebündelte Lichtstrahl, sondern zufällig in alle möglichen Richtungen. Deshalb fehlen diese Farben im Regenbogen und erscheinen dort als schwarze Linien. Dies ist also, wie beim Franck-Hertz-Versuch, ein Phänomen der quantenhaften Absorption, und es führt zu einem sogenannten Absorptionsspektrum. Was wir daraus nun für Schlussfolgerungen ziehen können, das sehen wir uns im letzten Kapitel an. Wir wollen dazu noch schnell einen letzten Versuch machen. Wir beginnen wieder mit einer Wasserstoff-Gasentladungslampe. Wir führen wieder mit Blende und Linse einen Lichtstrahl auf ein Gitter, und auf unserem Schirm erscheint das uns schon bekannte Emissionsspektrum. Wir bringen nun wieder eine Glasröhre, die nicht an Spannung angeschlossen ist, in unseren Lichtstrahl. Allerdings füllen wir sie diesmal mit Natriumdampf. Wir beobachten: Das Natrium beginnt nicht zu leuchten. Und das ist eigentlich auch ganz einleuchtend. Ein Atom kann nämlich nur einen Energiebetrag absorbieren, den es auch emittieren könnte. Im Bohrschen Atommodell bedeutet das: Das Elektron springt zwischen 2 Bahnen hin und her. Um auf die höhere zu kommen, braucht es Energie, um wieder herunterzukommen, muss es welche abgeben. Diese beiden Energiebeträge müssen natürlich gleich sein. Im vorherigen Versuch hat die Wasserstoffröhre aus dem weißen Licht genau die 4 Farben absorbiert, die es auch emittieren kann. Da die Natriumröhre, die im sichtbaren Bereich 2 sehr nahe beieinanderliegende gelbe Linien hat, von diesen 4 Farben nichts aufnehmen kann, beginnt sie auch nicht zu leuchten. Zum Schluss wollen wir noch kurz aufschreiben, was Resonanzabsorption ist. Den Vorgang, durch den unsere Wasserstoffröhre im vorherigen Versuch zu leuchten begann, nennt man Resonanzabsorption. Ein Atom wird durch Absorption eines Photons angeregt, kehrt wieder in den ursprünglichen Zustand zurück und sendet ein Photon der gleichen Energie wieder aus. Wegen der Resonanzabsorption leuchten also zum Beispiel alle Gasentladungsröhren. Wir wollen noch einmal wiederholen, was wir heute gelernt haben. Quantenhafte Emission bzw. Absorption bedeutet: Ein Atom kann nur einige bestimmte Energiewerte aussenden bzw. aufnehmen; diese Werte sind für den Atomtyp charakteristisch und für Emission und Absorption gleich. Das bedeutet, die hellen Linien im Emissionsspektrum eines Gases sind an den gleichen Stellen, wie die dunklen Linien im Absorptionsspektrum des Gases. Unter Resonanzabsorption versteht man: Ein Atom wird durch Absorption eines Photons angeregt und kehrt dann, unter Aussendung eines Photons gleicher Wellenlänge, wieder in den vorherigen Zustand zurück.   So, das war es schon wieder für heute. Ich hoffe, ich konnte euch helfen. Vielen Dank fürs Zuschauen, vielleicht bis zum nächsten Mal, Euer Kalle    

4 Kommentare
  1. Vielen vielen Dank für diese wirklich guten Videos. Ich habe mich durch deine Videos in der Physikklausur von 3 Punkten auf 12 Punkte verbessert! Danke!

    Von Svenja B., vor mehr als 3 Jahren
  2. Mega gutes Video. Sehr anschaulich und verständlich erklärt.

    Von Omar Faris4, vor fast 4 Jahren
  3. @Mariella Vonderwense

    Wir sind uns des Problems bewusst und arbeiten an einer Neustrukturierung der Themenbereiche. Die Änderungen wurden zum Teil schon umgesetzt. Dieser Themenbereich wird auch zeitnah umstrukturiert. Das Problem sollte sich also bald lösen.

    Von Karsten Schedemann, vor mehr als 4 Jahren
  4. Wollte mal sagen, dass ich eure Videos grundsätzlich für sehr verständlich und informativ halte!! Aber an der Strukturierung der Videos in den Themenbereichen könnte man nochmal arbeiten. Zum Beispiel steht diese Video in dem Themenbereich "Einführung in die Atomphysik". Hier werden jedoch Videos vorausgesetzt, die in einem der darauffolgenden Themenbereiche liegen. Da kommt man manchmal ein bisschen durcheinander..
    Ansonsten finde ich die Videos zum Lernen fürs Abi sehr hilfreich!!

    Von Mariella Vonderwense, vor mehr als 4 Jahren

Absorptions- und Emissionsversuche Übung

Du möchtest dein gelerntes Wissen anwenden? Mit den Aufgaben zum Video Absorptions- und Emissionsversuche kannst du es wiederholen und üben.

  • Beschreibe die Begriffe quantenhafte Emission und quantenhafte Absorption.

    Tipps

    Unter Emission versteht man die Aussendung von Photonen und unter Absorption die Aufnahme von Photonen.

    Lösung

    Das Wort Quant kommt aus dem Lateinischen von quantum ("wie groß"). In der Physik wird unter einem Quant eine ganz bestimmte (Energie-)Portion verstanden.

    Zu Beginn des zwanzigsten Jahrhunderts zeigte sich in Experimenten, dass Atome keine beliebigen Energieportionen aufnehmen (absorbieren) und gleichfalls nur ganz bestimmte Energieportionen abgeben (emittieren). Dies war die Geburtsstunde einer umfassenden physikalischen Theorie, der Quantenphysik, mit der die Beschreibung vieler weiterer bis dahin ungeklärter Phänomene gelang.

  • Beschreibe die Beobachtungen bei dem Emissionsversuch.

    Tipps

    Unter Emission versteht man die Aussendung von Photonen und unter Absorption die Aufnahme von Photonen.

    Die Natriumdampflampe absorbiert die gleichen Teile des Spektrums, die sie auch emittiert.

    Lösung

    In der Abbildung ist das Absorptionsspektrum (oben) und das Emissionsspektrum (unten) von Natrium abgebildet. Das Natrium in der Dampflampe kann genau die Linien, die es emittieren kann, auch absorbieren. Wenn die Dampflampe also in den Strahlengang von weißem Licht gebracht wird, so wird ein Teil des orangen Lichts von dem Natrium absorbiert und direkt wieder abgegeben. Da das orange Licht nicht nur in die Richtung des Schirms, sondern in alle Richtungen gleichermaßen abgestrahlt wird, ist in dem vollständigen Spektrum der Glühlampe eine dunkle Linie im orangen Bereich zu beobachten.

  • Beschreibe den Weg des Lichts in dem Versuch von Balmer.

    Tipps

    Das Licht bewegt sich von der Gasentladungslampe kommend durch Blende, Linse und Gitter zum Schirm.

    Lösung

    Mit seinem Versuch machte Johann Jakob Balmer die Spektrallinien des Wasserstoffs deutlich sichtbar und konnte sie auch mithilfe des Bohr'schen Atommodells mathematisch beschreiben. Andere Wissenschaftler entdeckten noch andere Spektrallinien, die aber außerhalb des sichtbaren Spektrums liegen und demnach nicht mit dem Auge beobachtet werden konnten. Die Folge der Spektrallinien, die Balmer beobachtete und beschrieb, wird Balmer-Serie genannt. Neben ihr gibt es für das Wasserstoffatom noch die Lymann-Serie (im ultravioletten Bereich), die Paschen-Serie, die Brackett-Serie und die Pfund-Serie (alle drei im Infrarot-Bereich).

  • Bestimme die Wellenlänge des bei der Fluoreszenz emittierten Photons.

    Tipps

    Die Energie eines Photons kann mit $E=\frac{h\cdot c}{\lambda}$ berechnet werden.

    Bedenke, dass du die Energie in die Einheit eV umrechnen musst, indem du durch die Elementarladung e teilst.

    Lösung

    In bestimmten Fällen kommt es bei der Resonanzabsorption vor, dass ein Atom, das ein Photon absorbiert hat, einen kleinen Teil der aufgenommenen Energie als Wärme abgibt und erst dann ein Photon emittiert. Das emittierte Photon hat dadurch eine geringere Wellenlänge als das zuvor absorbierte Photon. Der Prozess, bei dem dies geschieht, wird Fluoreszenz genannt und du hast ihn vielleicht schon einmal beobachtet. So genannte Schwarzlichtröhren erhellen einen Raum nicht, da ihr Licht nicht im sichtbaren Spektralbereich liegt. Sehr weiße Körper leuchten in dem Schwarzlicht aber in einem sehr hellen violett, da sie Photonen emittieren, die eine geringere Energie haben, also eine größere Wellenlänge als die ursprünglich absorbierten Photonen.

    Die Wellenlänge der Photonen aus der Aufgabe kannst du wie folgt berechnen. Zunächst muss die Energie der Photonen des Schwarzlichtes in eV berechnet werden: $E=\frac{h\cdot c}{\lambda} \rightarrow E = 3,44\ eV$.

    Dieser Energiebetrag wird von den Atomen des Stoffs aufgenommen. Die Atome sind dann angeregt. Der Energiebetrag angeregten Atome reduziert sich durch die Abgabe von Wärme zunächst auf $3,44\ eV - 0,44\ eV = 3,00\ eV$.

    Diese Restenergie wird in Form eines Photons abgestrahlt:

    $\lambda=\frac{h\cdot c}{E}\rightarrow \lambda=413\ nm$.

    Während das Schwarzlicht der Lichtquelle mit 360 nm außerhalb des sichtbaren Spektrums liegt, liegen 413 nm im violetten Bereich des sichtbaren Spektrums, der Stoff scheint daher wie eine aktive Lichtquelle zu leuchten.

  • Vergleiche Emissions- und Absorptionsspektren verschiedener Stoffe.

    Tipps

    Ein Stoff absorbiert Licht der gleichen Farben, welche er auch emittieren kann.

    Die Summe von Emissionsspektrum und Absorptionsspektrum bildet ein vollständiges Spektrum.

    Lösung

    Bei den Emissionsversuchen wird der Stoff zur Aussendung von Licht angeregt. Dies tut er in ganz bestimmten Energiebeträgen. In den Absorptionsversuchen hat sich gezeigt, dass der Stoff die gleichen konkreten Energiewerte absorbiert, die er selber auch emittieren könnte.

    Emissions- und Absorptionsspektren sind so charakteristisch für einen Stoff, dass sie sehr gut zur Identifizierung von Stoffen benutzt werden können. Dies findet zum Beispiel in der Astrophysik Anwendung. Wenn sich ein weit entfernter Planet genau zwischen die Erde und sein Muttergestirn bewegt, dann kann das Absorptionsspektrum des Planeten aufgenommen werden und es können hierdurch Rückschlüsse auf die Stoffe, die sich in seiner Atmosphäre befinden, gewonnen werden.

  • Beschreibe die zu erwartende Beobachtung bei dem Versuch zur Resonanzabsorption.

    Tipps

    Bedenke, dass ein Stoff nur das Licht absorbieren kann, das er auch emittieren kann.

    Das Licht von Stoff 1 trifft auf den Stoff 2, bevor es auf den Schirm trifft.

    Lösung

    Ein Atom kann nur den Energiebetrag absorbieren, den es auch emittieren könnte. Bei der Resonanzabsorption hat das auf den Stoff treffende Licht genau den passenden Energiebetrag, wodurch das Licht absorbiert werden kann. Ein Atom wird bei der Absorption angeregt und kehrt sehr schnell wieder in den ursprünglichen Zustand zurück, indem es ein Photon der gleichen Energie abstrahlt.

    Die beiden Spektren in dem beschriebenen Versuch haben nur eine Linie gemeinsam. Dies bedeutet, dass der Stoff 2, der als Dampf in den Strahlengang gebracht wird, auch nur den Energiebetrag dieser Linie absorbieren kann. Er strahlt Photonen mit dem gleichen Energiebetrag in alle Richtungen ab, wodurch er leicht orange leuchtet und die orange Spektrallinie auf dem Schirm verschwindet. Alle andere Spektrallinien können den Dampf ungehindert durchdringen, weshalb sich das Spektrum ansonsten nicht verändert.