Prinzip der Atomabsorption und -emission

Beschreibung des Bildes: Prinzip der Absorption und Emission eines Photons. Bei moderater Energie finden elektronische Übergänge nur in den äußeren Schichten der Atome statt. Sie entsprechen dem Übergang eines Elektrons von der unbefüllten Unterschale zu einer unbesetzten Unterschale höherer Energie (Absorption) oder der Rückkehr eines Elektrons zur Valenz-Unterschale (Emission). Bei ausreichend hoher Energie (bei sehr hohen Frequenzen) werden Elektronen abgerissen. Bildquelle:astronoo.com

Die Natur des Lichts

Licht ist die einzige Information, die Wissenschaftlern zur Verfügung steht, um die Welt um uns herum zu verstehen. Im Laufe der Jahrhunderte haben Wissenschaftler Licht zum „Sprechen“ gebracht.

Im Jahr 1670Isaac Newton(1643-1727) betrachtete das weiße Licht der Sonne in einem Glasprisma und stellte fest, dass dieser Lichtstrahl gebrochen wurde. Er glaubt, dass Licht aus Teilchen besteht.

Im Jahr 1676Ole Christensen Rømer(1644-1681) bestimmte die Lichtgeschwindigkeit durch Beobachtung der Jupitermonde.

Im Jahr 1690Christian Huygens(1629-1695) besagt, dass Licht aus einer Reihe von Wellen besteht, die sich durch den Äther ausbreiten, ein immaterielles Substrat, das im Vakuum als Träger für den Lichttransport dient.

Im Jahr 1801Thomas Jung(1773-1829) ermittelte eine Interferenzfigur (Bild nebenstehend), die zeigt, dass Licht eine Welle ist, weil sich Wellen addieren und subtrahieren können, um Interferenzen (dunkle Bereiche, die mit hellen Bereichen durchsetzt sind) zu erzeugen. Dieses Experiment ermöglicht es uns, das Verhalten und die Natur von Licht zu verstehen.

Im Jahr 1814Joseph von Fraunhofer(1787-1826) bemerkte Linien im sichtbaren Licht des Sonnenspektrums. Dieser deutsche Optiker und Physiker untersuchte als erster die Lichtbeugung mithilfe optischer Gitter (Fraunhofer-Beugung). Derzeit kennen wir den Grund für das Vorhandensein dieser Linien im sichtbaren Lichtspektrum nicht. Die Antwort wird erst viel später kommen.

Im Jahr 1850Robert Wilhelm Bunsen(1811-1899) und Gustav Robert Kirchhoff (1824-1887) entdeckten, dass die Spektrallinien des von einem glühenden Körper emittierten Lichts eine Signatur darstellen, die es ermöglicht, diesen Körper zu identifizieren. Durch die Beobachtung des Spektrums des Sonnenlichts erkennen sie mehrere auf der Erde vorkommende chemische Elemente, darunter Cäsium und Rubidium.

Im Jahr 1864James Clerk Maxwell(1831-1879) synthetisierte elektrische und elektromagnetische Wellen. Es stellt fest, dass Licht eine elektromagnetische Welle ist und dass das gesamte elektromagnetische Spektrum Licht ist. Was elektromagnetische Wellen voneinander unterscheidet, ist die Wellenlänge. Die verschiedenen Fenster des elektromagnetischen Spektrums zeichnen sich durch eine Reihe von Wellenlängen, aber auch durch eine Reihe von Frequenzen aus.

Im Jahr 1900Max Plancklöst das Rätsel des schwarzen Körpers, seine Formel beschreibt perfekt das Licht, das ein Körper als Funktion seiner Temperatur aussendet. Mit anderen Worten: Eine hohe Temperatur weist auf eine hohe Energie hin, eine niedrige Temperatur auf eine niedrige Energie.

Im Jahr 1905Albert Einstein(1879-1955) erklärt den photoelektrischen Effekt, es sind Photonen einfallenden Lichts, die Elektronen aus der Materie herausreißen.

Photonen wirken als Energiequanten, was Planck bereits vorgeschlagen hatte, aber es war Einstein, der es zeigte. Diese Photonen haben also eine bestimmte Energie, die die Elektronen aus dem Metall herausreißt. Wenn wir die Lichtstrahlen der Sonne auf unsere Haut treffen, spüren wir die Energie, die sie in sich tragen.

Licht besteht also aus Photonen mit Wellenverhalten und jedes dieser Photonen entspricht einer Energie. Je kürzer die Wellenlänge des Photons ist, desto energiereicher ist es.

Im Jahr 1911Ernest Rutherford(1871-1937) legt die Struktur des Atoms fest und gibt dem Atomkern eine Größe in der Größenordnung von 10 an^-14Meter.

Im Jahr 1913Niels Bohr(1885-1962) schlug die Struktur des Wasserstoffatoms vor, dessen Elektronen sich auf quantisierten Bahnen befinden. Das Elektron segelt in einer bestimmten Entfernung auf einer der Zwiebelschalenschichten um den Kern herum. Dies ist das Prinzip der Absorption und Emission von Licht in einem Atom.

Young's Longe-Erlebnis

Beschreibung des Bildes: Das Young-Spaltexperiment ist ein physikalisches Experiment, das darin besteht, zwei Lichtstrahlen, die von derselben Quelle kommen, zur Interferenz zu bringen. Dazu wird das Licht durch zwei kleine Schlitze geleitet, die in eine undurchsichtige Platte gebohrt sind. Die Lichtphotonen passieren die beiden Löcher und wandern daher auf einem anderen Weg. Alle, die durch ein Loch gehen, werden zusammen ankommen, die Wellen werden sich summieren, es wird daher eine Verstärkung des Lichts geben, das nach und nach den fotografischen Bildschirm markieren wird. Diejenigen, die durch das andere Loch gehen, werden im Vergleich zum ersten zeitlich versetzt ankommen und die Wellen werden sich ebenfalls summieren, aber zwei entgegengesetzte Wellen heben sich gegenseitig auf, das ist es, was die schwarzen Ränder des Interferenzphänomens zeigen.

Im Jahr 1821Thomas Jung(1773-1829) besteht das berühmte Experiment „Junge Schlitze“ darin, zwei Lichtstrahlen, die von derselben Quelle kommen, zur Interferenz zu bringen. Dieses mit Photonen durchgeführte Experiment wurde inzwischen mit allen Teilchen durchgeführt. Mit Elektronen in den 1920er Jahren, mit Neutronen in den 1950er Jahren, mit Atomen in den 1980er Jahren und mit Molekülen in den 1990er Jahren.

Anmerkung: Energie des Photons E = hν = hc / λ. E ist die in Joule ausgedrückte Energie, h ist das Plancksche Wirkungsquantum (6,62 x 10).^-34), ν ist die Frequenz (Anzahl der elektromagnetischen Schwingungen), c ist die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum und λ ist die Wellenlänge. Die Energie eines Photons ist daher unendlich klein. Mit anderen Worten: Je kürzer die Wellenlänge, desto höher die Frequenz und desto größer die Energie.