Spektroskopie - Chemie.

« 7 SPEKTRALLINIEN Wenn man eine Substanz verdampft und weiter bis zur Abstrahlung von Licht erhitzt, herrscht scheinbar nur eine einzelne Farbe vor.

Dies ist z.

B.

bei Natriumdampf (Gelb),Neon (Rot) und bei Quecksilberdampf (Blaugrün) der Fall.

Das Spektrum besteht allerdings aus mehreren Linien spezifischer Wellenlängen, die durch Bereiche absoluterDunkelheit voneinander getrennt sind.

Im Fall von Natriumdampf wird das Gelb von zwei Linien mit der ungefähren Wellenlänge von 589,0 und 589,6 Nanometer erzeugt.Der Farbunterschied zwischen diesen beiden Linien ist für das menschliche Auge nicht erkennbar, von einem guten Spektroskop können die Linien jedoch problemlosgetrennt werden.

Diese beiden Linien heißen D 2 und D 1.

Ihre Wellenlängen können genauer gemessen werden.

Für die D 2- Linie ergibt sich eine Wellenlänge von 588,9977 Nanometern.

Noch genauere Messungen wurden von den Spektrallinien isotopisch reinen Quecksilbers gemacht.

Ein hochauflösender Spektrograph erzeugt einSpektrum, in dem die Linien nur einen sehr kleinen Prozentsatz der Fläche einnehmen und der allergrößte Teil des Spektrums oft völlig leer bleibt. Qbwohl sich die meiste Energie des Spektrums von Natriumdampf auf die beiden D-Linien konzentriert, gibt es im Spektrum noch zahlreiche andere schwache Linien.

Beihöheren Temperaturen, wie z.

B.

im elektrischen Lichtbogen, oder unter den noch höheren Temperaturen und ionisierenden Bedingungen des elektrischen Funkens gibt esim Spektrum von Natrium eine große Anzahl von anderen Linien.

Das erste Spektrum, das als zufrieden stellend erklärt wurde, war das des Wasserstoffatoms.

Um 1880entdeckte der Schweizer Mathematiker und Physiker Johann Jakob Balmer vier Linien der Wellenlängen 656,3, 486,1, 434,0 und 410,2 Nanometer im sichtbaren Spektrumdes Wasserstoffatoms.

Diese Linien werden jeweils als H α, Hβ, H g und H δ bezeichnet (auch Balmerreihe).

Balmer zeigte, dass diese vier Wellenlängen eine Reihe bilden und mit einer einfachen Formel beschrieben werden können: In der Formel ist λ die Wellenlänge und R H die so genannte Rydbergkonstante für Wasserstoff.

Bei der Rydbergkonstante handelt es sich um eine stoffabhängige Naturkonstante (R H = 1,0974 × 10 7 pro Meter).

In der Formel von Balmer steht m für die Zahlen 3, 4, 5 oder 6.

Kurze Zeit später entdeckte der britische Astronom Sir William Huggins im ultravioletten Bereich eine Anzahl anderer Spektrallinien des Wasserstoffes, deren Wellenlängen sich mit der gleichen Formel bestimmen lassen, wobeim aufeinander folgende höhere Werte annimmt.

Bei sehr hohen Werten von m liegen die Linien näher beisammen, bis sie schließlich beim Grenzwert von 364,6 Nanometern ineinander übergehen. 8 DIE ARBEIT VON NIELS BOHR 1913 veröffentlichte Niels Bohr seine berühmte Arbeit über den Atomaufbau.

Darin war ein Konzept der Aussendung von Strahlung durch elektrisch geladene Teilchenenthalten, die sich in Umlaufbahnen innerhalb des Atoms befanden.

Bohr führte ein Modell ein, das im Prinzip die Theorie über elektromagnetische Strahlung von JamesClerk Maxwell mit der Quantentheorie von Planck verband.

Mit Hilfe der Hybridtheorie leitete Bohr eine allgemeine Formel für die Strahlungsabgabe durch dasWasserstoffatom ab, die nicht nur die beobachteten Wellenlängen der Balmer’schen Linien lieferte (die oben genannte Balmer’sche Formel stellt einen Spezialfall derBohr’schen Formel dar), sondern auch eine Reihe von Linien im ultravioletten und infraroten Bereich des Wasserstoffspektrums richtig vorhersagte.

Bohr überlegte, wie einAtom existieren kann, das aus einem positiv geladenen Proton und einem negativ geladenen Elektron besteht, wobei das Elektron das Proton umkreist.

Die Erklärung hierfürlag nach Bohrs Annahmen in einer Basislänge, die für die stabilen Abmessungen des Atoms verantwortlich ist bzw.

dafür sorgt, dass es nicht in sich zusammenfällt.

DaÜberlegungen zu den Abmessungen zeigen, dass eine solche Länge nicht aus der mathematischen Kombination der elektrischen Ladung e des Elektrons und der Masse m des Elektrons allein abgeleitet werden kann, argumentierte Bohr zugunsten der Einführung einer weiteren physikalischen Grundkonstante in der Atomphysik.

In geeigneterVerbindung mit den Konstanten e und m sollte sie die erforderliche Länge liefern.

Er fand heraus, dass sich die Planck’sche Konstante h für diesen Zweck gut eignete und schlug für die gesuchte Basislänge folgende mathematische Formel vor: Da der Zahlenwert der Länge 10 -8 Zentimeter beträgt, entspricht er dem so genannten Radius des Wasserstoffatoms.

Dieser Wert wird auch als Radius der ersten Bohr’schen Bahn oder als Bohr’sche Bahn bezeichnet.

Er benutzte ein revolutionäres und den klassischen Theorien widersprechendes Konzept: Eine physikalische Größenamens Aktion wird in unteilbare Einheiten von h eingeteilt.

Das bedeutet, dass es keine Aktion geben kann, die kleiner ist als h.

Bohr rechnete mit der Stabilität des Wasserstoffatoms, als er der so genannten Bohr’schen Umlaufbahn den Wert 1 Aktion zuwies.

Er schloss somit die Möglichkeit irgendeiner kleineren Elektronenbahn aus,denn das stünde im Gegensatz zur Quantenhypothese.

Bohr nahm weiter an, dass sich jede folgende höhere Elektronenbahn über dem Kern von der unmittelbar darunterliegenden um eine einzige Aktionseinheit h unterschied.

Daher muss die Aktion der zweiten Elektronenbahn 2 h, die Aktion der dritten Elektronenbahn 3 h usw.

sein. Demzufolge entspricht die Aktion der n-ten Elektronenbahn (wobei n eine ganze Zahl ist) nh.

Der Radius der n-ten Bahn beträgt Aus der klassischen Dynamik wusste Bohr, dass die Gesamtenergie, also die kinetische und die potentielle Energie eines Teilchens, das sich in einer kreisförmigenUmlaufbahn befindet, ein negatives Vorzeichen besitzt: Die negative potentielle Energie der Umlaufbahn ist größer als die positive kinetische Energie.

Gleichzeitig ist dieGesamtenergie auch umgekehrt proportional zum Radius der Umlaufbahn.

Er setzte daher die Energie des Elektrons in der n-ten Elektronenbahn gleich wobei er den negativen Kehrwert des Radius mit e2/2 für die Dimensionierung multiplizierte.

Wenn ein Elektron von einer Elektronenbahn mit der Zahl n in eine Bahn mit der Zahl k springt, ändert sich seine Energie um den Betrag oder Diese Änderung tritt in Form eines einzelnen Energiequantums oder Photons in Erscheinung, das entweder abgegeben oder aufgenommen wird.

Wenn k größer als n ist, dann wird das Photon aufgenommen, wenn k kleiner als n ist, dann wird das Photon abgegeben. So kommt man zur Bohr’schen Formel für den Kehrwert der Wellenlänge λ des Photons, das abgegeben wird, wenn das Elektron von einer Bahn n zur niedrigeren Bahn k springt.

Dazu setzt man das Negative der oben stehenden Formel gleich der Energie des Photons hc/λ.

Man erhält die Gleichung Die Größe wird nach dem schwedischen Physiker Robert Johannes Rydberg als Rydbergkonstante bezeichnet.

Wenn k gleich 2 gesetzt wird, entspricht die Formel vollständig der Balmer’schen Formel, und man erhält alle Balmer’schen Linien, indem man dann n gleich 3, 4, 5 usw.

(Übergänge von Elektronen von höheren Elektronenbahnen zur zweiten Bahn).. »