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Physik · Atomphysik
Wie Elektronen zwischen Energiestufen springen und dabei Photonen aufnehmen oder abgeben, und wie das Orbitalmodell mit Pauli und Hund die Besetzung der Orbitale erklärt.
Ein Elektron hat nur feste Energien. Beim Sprung zwischen zwei Stufen nimmt es die Differenz als Photon auf oder gibt sie ab. Wo es sitzt, beschreibt ein Orbital.
Die Energien des Wasserstoffatoms sind negativ, weil das Elektron gebunden ist. Je weiter außen, desto höher die Energie, aber desto enger liegen die Stufen.
| Stufe | n | Energie |
|---|---|---|
| K | 1 | −13,6 eV |
| L | 2 | −3,4 eV |
| M | 3 | −1,5 eV |
| frei | ∞ | 0 eV |
Im Grundzustand sitzt jedes Elektron so tief wie möglich. Nimmt es Energie auf, springt es höher: Das Atom ist angeregt. Der Sprung nach innen gibt ein Photon ab (Emission), der nach außen nimmt eines auf (Absorption).
L → K setzt 10,2 eV frei, ein UV-Photon. Alle Sprünge auf K bilden die Lyman-Serie im UV, Sprünge auf L die überwiegend sichtbare Balmer-Serie. Wie Photonenenergie und Wellenlänge zusammenhängen → Ausführlich in: Licht elektromagnetische Strahlung
Die Ionisierungsenergie des Wasserstoffs beträgt 13,6 eV: So viel brauchst du, um das Elektron vom Grundzustand auf 0 eV zu heben und aus dem Atom zu lösen.
Jedes Element hat eigene Stufenabstände, also ein eigenes Linienspektrum. Die Emissionsspektroskopie analysiert die ausgesandten Linien, bei der Absorptionsspektroskopie fehlen im durchgehenden Spektrum genau die geschluckten Wellenlängen.
Schlägt ein schnelles Elektron ein Elektron aus der K-Schale eines schweren Atoms, rückt eines aus der L-Schale nach. Die frei werdende Energie, bei schweren Atomen viele keV, ist charakteristische Röntgenstrahlung. Ihre Linien verraten das Element. → Ausführlich in: Ionisierende Strahlung, Absorption, Kosmische Strahlung
Feste Bahnen gibt es nicht, weil Ort und Impuls nie zugleich scharf sind. Ein Orbital ist der Raum, in dem du das Elektron mit etwa 90 % findest.
Vier Quantenzahlen legen es fest: n (Schale), l (Form: s Kugel, p Hantel), mₗ (Lage), mₛ (+½ oder −½). Nach Pauli fasst ein Orbital höchstens zwei Elektronen, eine Schale 2n². → Ausführlich in: Elektronenhülle und Schalen
Stickstoff, 1s² 2s² 2p³: Gleichwertige Orbitale füllen sich erst einzeln mit gleichem Spin (Hundsche Regel).
Beschriftbare Abbildung
Deine AufgabeDecke die Orbitalformen s, p, d und f auf und nenne ihre maximale Elektronenzahl. Begründe am Kästchenschema von Stickstoff, warum die drei 2p-Elektronen einzeln mit gleichem Spin stehen.
Tippe auf eine Beschriftung in der Abbildung, um ihre Erklärung zu lesen.
