Beitrag zur Astrospektroskopie 8.7 - UrsusMajor

Beitrag zur Spektroskopie für Amateurastronomen 37
9 Sichtbare Effekte der Quantenmechanik
9.1 Schulbeispiel Wasserstoffatom und Balmerserie
Das folgende Orbital- Energieschema zeigt am einfachsten Beispiel des Wasserstoffatoms
den fixen Raster der Energieniveaus (oder „Terme“) , welche das einzige Elektron auf seinem
Orbit um den Atomkern besetzen kann. Diese sind mit den Schalen des bekannten
Bohrschen Atommodells identisch und werden auch Hauptquantenzahlen genannt. Welches
Niveau das Elektron aktuell einnimmt, hängt dabei von seinem Anregungszustand ab.
Ein Aufenthalt zwischen den Orbits ist dabei extrem unwahrscheinlich. Das niedrigste Niveau,
d.h. dem Atomkern am nahesten, ist der sog. Grundzustand (ground state).
Mit zunehmender n- Nummer (d.h. hier von unten nach oben):
– nimmt der Abstand zum Atomkern zu
– wird die gesamte Energiedifferenz, bezogen auf , immer grösser
– werden die Zwischenabstände und damit die erforderlichen Energien, um das jeweils
nächst höhere Niveau zu erreichen, immer kleiner, bis sie auf dem Level (oder
) gegen gehen.
Das Energieniveau auf dem Level ist physikalisch als definiert [5] und wird
Ionisationsgrenze genannt. Dabei ist die Niveaunummer als „theoretisch“ zu betrachten,
weil in der Praxis beim Wasserstoff im interstellaren Raum mit einer begrenzten Zahl
von ca. 200 gerechnet wird [6], auf denen sich ein Elektron noch aufhalten kann.
Definitionsgemäss wird im Schalenbereich mit sinkender - Nummer die Energie zunehmend
negativ, oberhalb von , d.h. ausserhalb des Atoms, positiv.
E = 0 eV
E 5
E 4
Energieniveaus
E 3
E 2
E 1
Lyman
(Ultraviolett)
Wasserstoff Serien
Hα
Hβ
Hγ
Hδ
Hε
Balmer
(sichtbar)
Paschen
(Infrarot)
n = ∞
n = 6
n = 5
n = 4
Absorption erfolgt nur dann, wenn das Atom von einem Photon getroffen wird, dessen
Energie exakt zu einer Niveaudifferenz passt, um welche das Elektron dann kurzzeitig auf
den höheren Level angehoben wird (Resonanz Absorption).
Emission erfolgt beim Zurückfallen des Elektrons auf ein tieferes Niveau, wobei ein Photon
abgegeben wird, dessen Energie wiederum exakt der Niveaudifferenz entspricht.
Ionisation des Atoms erfolgt, wenn die Anregungsenergie so gross ist, dass das negative
Elektron über die Ebene hinausgehoben wird und das Atom verlässt. Dies kann
Emission
Generelle Übergänge
Absorption
Ionisation
Rekombination
n = 3
n = 2
n = 1
Anregungsniveaus