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Atomarer Energieaustausch

Ein Atom besteht aus dem Atomkern mit Protonen und Neutronen, sowie der Atomhülle mit Elektronen und Ionen. Ein atomarer Energieaustausch erfolgt durch Elektronen bzw. Ionen aus der Atomhülle, wobei die Elektronen gleichzeitig Photonen abgeben oder aufnehmen

Der Energieaustausch mit einem Elektron eines Atoms ist nur dann möglich, wenn dieses Elektron sein Energieniveau verändert und die entsprechende Energiedifferenz absorbiert oder freisetzt. Ein Energieniveau ist die sogenannte diskrete Energie, die als Energiezustand zu einem quantenmechanischen Zustand eines Systems gehört (z. B. eines Atoms oder eines Atomkerns). Das System kann dauerhaft nur in einem dieser Zustände "bleiben", nicht jedoch in anderen mittleren Energieniveaus.

Das niedrigste Energieniveau wird als Grundzustand bezeichnet, alle anderen Niveaus werden angeregte Zustände genannt. Es lässt sich sehr gut vorstellen, dass die Anordnung und Art der Bewegung von Elektronen in der Atomhülle, oder von Nukleonen im Atom-Kern, nur in einer sehr spezifischen Form stabil ist. Jeder dieser Zustände hat einen anderen spezifischen Energiegehalt. In Atomen geschieht dies, wenn ein Zustand mit einem asymptotisch freien Teilchen degeneriert - das heißt, er hat die gleiche Energie wie ein Zustand ohne ein asymptotisch freies Teilchen.

Frank-Hertz-Experiment

Das Franck-Hertz-Experiment ist das vorletzte Glied in einer Reihe von drei Jahre andauernden Experimenten, mit denen James Franck und Gustav Hertz die Energiemenge untersuchten, die beim Eintritt von einem Elektron auf ein Atom übertragen wird. James Frank war ein deutscher Experimentalphysiker, der aufgrund der nationalsozialistischen Verfolgung von Juden die US-Staatsbürgerschaft annahm. Gustav Hertz war ein deutscher Physiker und der Neffe von Heinrich Hertz.

Das Experiment wurde 1914 durchgeführt und obwohl die beiden Experimentatoren zunächst eine unterschiedliche Interpretation vorlegten, ist es der erste direkte Beweis für diskrete Energieniveaus in Atomen, wie Niels Bohr 1913 in Postulaten von Bohr theoretisch forderte. Das Experiment basierte auf Bohrs Atommodell, das bis zur Entwicklung der Quantenmechanik im Jahr 1925 wesentlich zur Weiterentwicklung der Quantenphysik beitrug. Für dieses Experiment erhielten Franck und Hertz 1925 den Nobelpreis für Physik. Das Experiment misst die Menge von Energie, die Elektronen nach dem Durchgang durch ein Gas aus Quecksilberatomen durch Beschleunigung durch ein elektrisches Feld zur Verfügung steht. Die Messungen zeigen, dass Elektronen erst nach Durchlaufen einer Beschleunigungsspannung von weniger als 4,9 V elastisch mit Atomen kollidieren und dabei praktisch keine Energie übertragen wird. Oberhalb dieser Schwelle geben sie beim Zusammenstoß 4,9 eV Energie an das Atom ab. Im letzten Experiment ihrer Versuchsreihe zeigten Franck und Hertz dann, dass die Atome, die diese Energie absorbiert hatten, ein Licht emittieren, dessen Photonen nur eine Energie von 4,9 eV haben. Dies bestätigte auch Bohrs zweites Postulat im Experiment. Experimente zeigen, dass Energie in Atomen nur in Form diskreter Energiepakete (Quanten) absorbiert und freigesetzt wird.

Quizfragen zum Thema

1. Was kann mithilfe der RYDBERG-Formel berechnet werden?

   Mit der RYDBERG-Formel lassen sich die Wellenlängen von Photonen berechnen, die beim Energieübergang von Wasserstoff absorbiert oder emittiert werden.

2. Was ist der RYDBERG-Zustand eines Atoms?

   Ist ein Atom so angeregt, das die Hauptquantenzahl eines Elektrons weit über dem Grundzustand n = 7 liegt, wirken die Ladung des Kerns und der der anderen Hüllenelektronen als eine einzige positive Punktladung im Kern.

3. Was ist die Stoßanregung?

   Als Stoßanregung wird das Zusammenprallen von Atomen mit anderen Atomen oder Elektronen bezeichnet, bei denen eine Energieabgabe und eine Energieaufnahme erfolgt. Das abgebende Atom oder das Elektron ist das Projektil, das aufnehmende Atom das Target.

4. Wie wird die Stoßanregung genannt, wenn die Energie des Projektils kleiner ist als die des Targets?

   In solchen Fällen wird von einer elastischen Stoßanregung gesprochen, wobei nur sehr wenig Energie übertragen wird.

5. Welche Wechselwirkungen gibt es bei der Stoßanregung?

   • Elastische Stoßanregung
   • Unelastische Stoßanregung
   • Teilweise unelastische Stoßanregung
   • Stoßionisation

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