Basiswissen

Charakterisierung elektronischer Übergänge

Gemeint sind: Übergänge zwischen stabilen Zuständen

• Für Elektronen in Atomen (oder Molekülen oder Atomgittern) gibt es bestimmte stabile Zustände.
  

• In diesen Zuständen können Elektronen längere Zeit verbleiben (Minuten, Jahre, Jahrtausende).
  

• Im Bohrschen Atommodell sind diese stabilen Zustände z. B. die berechneten erlaubten Bahnen.
  

• Für jedes Atom oder Molekül (oder Atomgitter) gibt es stabile Zustände und instabile Zustände.
  

• Instabil heißt: das Elektron hält sich in diesem Zustand nicht längere Zeit auf.
  

• Ein Übergang bezieht sich immer auf einen Wechsel von einem zu einem anderen stabilen Zustand.
  

• Siehe auch stabile Zustände [Arten, Beispiele] ↗
  

Stabile Zustände sind keine Umlaufbahnen

• Im Bohrschen Atommodell stellt man sich Elektronen in enger Analogie zu Planetenbahnen um die Sonne vor.
  

• Im Sonnensystem gibt es keine Bahnradien auf denen nicht theoretisch ein Planet sein könnte.
  

• Im Bohrschen Atommodell gibt es diese "verbotenen" Bahnradien allerdings sehr wohl.
  

• Es gibt dazwischen erlaubte Bahnradien, die man z. B. für Wasserstoff berechnen kann.
  

• Für andere chemische Elemente (auch Moleküle etc.) gibt es Näherungsformeln.
  

• Ein Übergang wäre in diesem Modell ist ein Übergang zwischen erlaubten Bahnradien.
  

• Die populäre Vorstellung von Bahnen, auf denen sich Elektronen bewegen ist aber falsch.
  

• Siehe auch saturnisches Atommodell ↗
  

• Die heutige Vorstellung geht von Wahrscheinlichkeitswolken (Orbitalmodell) aus.
  

• Siehe dazu auch Atomorbital ↗
  

Stabile Zustände sind Wahrscheinlichkeitswolken

• Eine zutreffende Vorstellung von Zuständen gibt das Orbitalmodell ↗
  

• In diesem entspricht ein Elektronzustand einer wolkenartigen Darstellung.
  

• Die Wolken sind eine Veranschaulichung eines Wahrscheinlichkeitsfeldes.
  

• Für jeden Punkt im Atom kann eine Wahrscheinlichkeit angegeben werden, dass das Elektron dort ist.
  

• Je höher diese Wahrscheinlichkeit desto dichter (z. B. dunkler) ist die Wolke gezeichnet.
  

• Die Berechnung dieser Wahrscheinlichkeitswolken ist (extrem) schwer und aufwändig.
  

• Jeder stabile Zustand korreliert auch mit einem festen Energieniveau.
  

• Ein stabiler Zustand korreliert mit einer Wahrscheinlichkeitswolke.
  

Ein Übergang ist: von einer Wolke zu einer anderen Wolke

• Ein Übergang ist ein Übergang von einer zu einer anderen stabilen Wahrscheinlichkeitswolke.
  

• Dieser Übergang ist damit auch ein Übergang zwischen verschiedenen Energieniveaus.
  

Wie sieht ein Elektronenübergang aus?

• Eine passende Vorstellung wäre, das sich eine Wahrscheinlichkeitswolke in eine andere verformt.
  

• Dabei werden auch verschiedene (instabile) Zwischenzustände durchlaufen.
  

• Der ganze Prozess braucht Zeit (Nanosekundenbereich).
  

• Siehe auch Nanosekunde ↗
  

Unterscheidungsmerkmale von elektronischen Übergängen

Atome, Moleküle, Kristalle

• Elektronische Übergänge im engeren Sinn finden innerhalb eines Atoms statt.
  

• Sie können aber auch die Energienviveaus in Molekülen oder Festkörpern wie Kristallen betreffen.
  

• In der Schulphysik betrachtet werden meist Vorgänge innerhalb eines Atoms.
  

• Geht ein Elektron von einem Atom/Molekül auf ein anderes über, spricht man von einem Elektronentransfer ↗
  

Spontan und stimuliert

• Fällt ein Elektron auf eine niedrigere Schale als es vorher war, dann kann es dabei ein Photon (Lichtteilchen, Quant) aussenden.
  

• Dieses Aussenden nennt man in der Fachsprach eine Emission.
  

• Erfolgt diese Emission ohne äußer Anregunge ist sie eine spontane Emission ↗
  

• Erfolgt sie auf einen äußeren Einfluss hin ist sie eine stimulierte Emission ↗
  

Strahlungsübergänge

• Wird ein Quant (Photon) absorbiert, wird das Teilchen in einen angeregten Zustand überführt.
  

• Wird ein Quant (Photon) emittiert, fällt das Teilchen in einen energieärmeren Zustand zurück, zum Beispiel den Grundzustand.
  

• Es gilt die Energieerhaltung ↗
  

• Es gilt die Impulserhaltung ↗
  

• Es gilt die Drehimpulserhaltung ↗
  

Strahlungsfreie Übergänge

• Atome können angeregt werden.
  

• Anregung heißt: ein Elektron wechselt durch einen äußeren Anlass auf ein höhere Energieniveau.
  

• Eine Art der Anregung ist die Bestrahlung mit Photonen.
  

• Eine andere Art der Anregung sind mechanische Stöße.
  

• Siehe dazu auch den Franck-Hertz-Versuch ↗
  

Nach Fallweiten unterschieden

• Ein Elektron fällt von einer hohen auf eine niedrigere Schale:
  

• Im Schalenmodell der Atomhülle haben die Schalen oft Buchstaben als Bezeichner.
  

• Der erste große lateinische Buchstabe ist die Zielschale (Endzustand).
  

• Der kleine griechische Buchstabe ist der Abstand zur Herkunftsschale:
  

• K-alpha Strahlung ↗
  

• K-beta Strahlung ↗
  

• L-alpha Strahlung ↗
  

• L-beta Strahlung ↗
  

Fußnoten

• [1] Dem Spektrum Lexikon der Physik zufolge ist "Übergänge, der Vorgang des Wechsels eines quantenmechanischen Teilchens, z.B. eines Atoms, von einem Energieeigenzustand in einen anderen." In: der Artikel "Übergänge". Spektrum Lexikon der Physik. 6 Bände. Greulich, Walter (Hrsg.) Spektrum Akademischer Verlag. Heidelberg, Berlin. 1998-2000. Siehe auch Elektronischer Übergang ↗
  

• [2] "Strahlungsübergänge, Klasse von Übergängen zwischen Energieeigenzuständen eines Atoms oder Moleküls. Dabei liegt die Energiedifferenz in Form elektromagnetischer Strahlung vor." In: der Artikel "Strahlungsübergang". Spektrum Lexikon der Physik. 6 Bände. Greulich, Walter (Hrsg.) Spektrum Akademischer Verlag. Heidelberg, Berlin. 1998-2000. Online: https://www.spektrum.de/lexikon/physik/strahlungsuebergaenge/14018
  

• [3] 1923 veröffentliche Compton den Nachweis, dass Quanten von Röntgenstrahlung Impuls auf Elektronen übertragen. Dafür erhielt Compton später den Nobelpreis: Arthur H. Compton: A Quantum Theory of the Scattering of X-Rays by Light Elements. In: The Physical Review. Vol. 21, No. 5. May, 1923. Siehe unter Compton-Streuung ↗
  

• [4] Otto Frisch: Experimenteller Nachweis des Einsteinschen Strahlungsrückstoßes. In: Zeitschrift für Physik 86, 42-48 (1933). In der Zusammenfassung heißt es: "Ein langer dünner Strahl von Na-Atomen wird mit Resonanzlicht bestrahlt; die Ablenkung der Atome infolge der Impulsübertragung bei der Absorption und Emission wird nachgewiesen." Siehe auch Photonenimpuls ↗
  

• [5] Der Bahndrehimpuls eines Atoms kann sich nur gequantelt ändern. Das bringt die Bahndrehimpulsquantenzahl l, auch Nebenquantenzahl genannt zum Ausdruck. Sie kann nur die Werte 0, 1, 2, 3 und so weiter annehmen. "Nach der Auswahlregel für l muß sich also jedesmal, wenn ein Photon emittiert oder absorbiert wird, der Bahndrehimpuls des Atoms ändern. Nach dem Drehimpulssatz muß aber der resultierende Drehimpuls des Atoms im angeregten Zustand vor der Emission des Photons gleich dem resultierende Drehimpuls von Atom und Photon nach der Emission sein. Da sich bei der Emission oder bei der Absorption eines Photons der Drehimpuls des Atoms allein nicht ändern kann, muß auch das Photon selbst einen Drehimpuls mit sich führen." In: Richard T. Weidner; Robert Sells: Elementare moderne Physik. Verlag Friedrich Vieweg & Sohn, Ausgabe von 1982. ISBN: 3-528-8415-4. Dort das Kapitel "7.2 Quantelung des Bahndrehimpulses", Seite 244. Siehe auch Bahndrehimpuls ↗