Vorlesungsskript Physik IV - Walther Meißner Institut - Bayerische ...

Kapitel 8Angeregte AtomzuständeDie in Kapitel 7 diskutierten optischen Spektren reichten vom ultravioletten über den sichtbaren bisin den infraroten Spektralbereich hinein. Den einzelnen Linien waren dabei Übergänge eines einzelnenLeuchtelektrons (Einelektronenanregung) zwischen Energieniveaus zugeordnet, die alle oberhalbdenen des Grundzustands des Atoms liegen. Das heißt, das Leuchtelektron konnte nicht in Niveaus tieferliegender Schalen und Unterschalen übergehen, da diese Niveau alle besetzt und somit Übergänge aufgrunddes Pauli-Prinzips verboten waren. Die typischen Energien der betrachteten Übergänge lagen alleim Elektronenvoltbereich. Die Anregung der Atome konnte über inelastische Stöße, durch Absorptionelektromagnetischer Strahlung oder durch hohe Temperaturen erfolgen.Wir wollen uns nun mit den Möglichkeiten beschäftigen, Atome in höher angeregte Zustände zu bringen,bei denen die inneren Schalen der Atome beteiligt sind. Die in Emission erhaltenen Linien entsprechendann Übergängen eines Leuchtelektrons in einen freien Zustand in einer inneren Schale. Umgekehrtwerden bei der Absorption Elektronen aus der entsprechenden inneren Schale emittiert. Ist dabei nur einElektron beteiligt, sprechen wir wiederum von Einelektronenanregungen. Ganz allgemein wollen wirvon Einelektronenanregungen sprechen, wenn im Modell unabhängiger Elektronen, in dem ja die Wechselwirkungder Elektronen untereinander nur in Form eines effektiven Potenzials berücksichtigt wird,sich die Quantenzahl nur eines einzelnen Elektrons ändert. Hierbei ist jedoch zu beachten, dass aufgrundder Korrelationen der Elektronen die beim Übergang vom Zustand E k zum Zustand E i zugeführteEnergie nicht nur auf das eine Elektron übertragen wird, sondern zum Teil auch auf die anderen. Diesliegt daran, dass sich die Coulomb-Wechselwirkung zwischen den Elektronen ändert. Dieser Prozess istbesonders ausgeprägt bei der Anregungen von Elektronen aus inneren Schalen. Er spielt dagegen kaumeine Rolle bei der Anregung eines außen liegenden Leuchtelektrons in eine höhere Schale (z.B. die Anregungdes einzelnen äußeren s-Elektrons von Alkaliatomen in eine höhere Schale oder Unterschale). Beistärkeren äußeren Störungen können auch mehrere Elektronen gleichzeitig angeregt werden. In diesemFall sprechen wir dann von Mehrelektronenanregungen.Die beim Übergang von Elektronen in innere Schalen frei werdenden Photonen haben typische Energienvon 100 eV bis 100 keV. Wir bezeichnen diese hochenergetische Strahlung als Röntgenstrahlung.Das Röntgenspektrum schließt sich zu kurzen Wellenlängen hin an das ultraviolette Gebiet des elektromagnetischenSpektrums an. Wir werden im Zusammenhang mit der Diskussion angeregter Atomzuständealso auch auf die Röntgenstrahlung zu sprechen kommen. Die so genannte charakteristischeRöntgenstrahlung wird in angeregten Atomen beim Übergang von Elektronen aus höheren EnergieniveausE i in innere Schalen mit Energien E k erzeugt. Sie besteht deshalb aus Photonen mit einer diskretenEnergie ¯hω ik = E i − E k , die für das betreffende Atom charakteristisch ist.Die thermische Energie reicht, sofern keine ganz extremen Bedingungen vorliegen, nicht mehr aus, umElektronen aus inneren Schalen der Atome anzuregen. Solche Anregungen erfolgen überwiegend durch281