Physik · Klasse 12–13 · aktualisiert
Energieniveaus und Linienspektren einfach erklärt
Du lernst, wie diskrete Energieniveaus helle und dunkle Spektrallinien erzeugen und was ihre Lage über einen Stoff verrät.
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Kurz gesagt
Gebundene Zustände von Atomen und Molekülen besitzen bestimmte Energieniveaus. Bei einem Übergang mit Licht senden sie Photonen aus oder nehmen passende Photonen auf. So entstehen helle Emissionslinien oder, vor einem kontinuierlichen Spektrum, dunkle Absorptionslinien.
Gebundene Zustände eines Atoms oder Moleküls besitzen nur bestimmte Energieniveaus. Bei einem Übergang mit Licht wird ein Photon passender Energie aufgenommen oder abgegeben. Die dabei auftretenden Wellenlängen erscheinen als einzelne Spektrallinien. Auf dieser Seite lernst du, wie du Emissions- und Absorptionsspektren deutest.
Deine Lernziele
Hake ab, was du schon kannst. Löst du alle Aufgaben eines Abschnitts, hakt Mela das Ziel für dich ab.
3 Abschnitte
Ein Spektralapparat zerlegt Licht nach seinen Wellenlängen. Dafür kann er ein Prisma oder ein Gitter verwenden. Auf einem Schirm wird anschließend das Spektrum sichtbar.
Es gibt zwei wichtige Erscheinungsformen: Ein kontinuierliches Spektrum ist ein lückenloses Farbband. Die Farben gehen fließend ineinander über. Ein Beispiel ist das Licht einer Glühlampe. Ein Linienspektrum enthält nur einzelne, voneinander getrennte Linien. Ein heißes oder angeregtes Gas kann ein solches Spektrum erzeugen.
Licht kann auch außerhalb des sichtbaren Bereichs liegen. Ultraviolette Strahlung ist beispielsweise unsichtbar, kann aber einen geeigneten Schirm zum Leuchten anregen.
Definition
Spektrum
Ein Spektrum zeigt, welche Wellenlängen in einer Strahlung enthalten sind. Im sichtbaren Bereich erscheinen sie als Farben von Violett über Blau, Grün, Gelb und Orange bis Rot.
Beispiel: Du betrachtest zwei Lichtquellen mit einem Spektralapparat:
- 1Bei einer Glühlampe siehst du ein durchgehendes Farbband. Das ist ein kontinuierliches Spektrum.
- 2Bei einem heißen Gas siehst du nur einzelne farbige Linien. Das ist ein Linienspektrum.
- 3Entscheidend ist also nicht, ob Licht überhaupt sichtbar ist, sondern welche Wellenlängen darin vorkommen.
Teste dich
Stelle dir drei erlaubte Niveaus vor: E1 liegt unten, E2 darüber und E3 ganz oben. Ein Übergang kann zum Beispiel zwischen E1 und E2 oder zwischen E2 und E3 stattfinden.
Bei einem Übergang mit Licht entspricht die Energie des aufgenommenen oder ausgesendeten Photons der Differenz zwischen Anfangs- und Endniveau. Beim Wechsel nach oben wird ein Photon aufgenommen. Beim Wechsel nach unten wird eines abgegeben. Ein Photon ist ein einzelnes Energiepaket elektromagnetischer Strahlung. Andere Übergänge ohne Photon sind ebenfalls möglich; das Linienspektrum zeigt nur Übergänge mit Licht.
Nicht jede mögliche Linie erscheint gleich stark. Manche Übergänge treten häufiger auf als andere. Deshalb können sich die Intensitäten der Linien unterscheiden.
Emission bedeutet Aussendung. Ein angeregtes Atom oder Molekül kann auf ein niedrigeres Energieniveau wechseln und dabei ein Photon aussenden. Im Spektrum eines heißen oder angeregten Gases erscheinen die ausgesendeten Wellenlängen als helle Emissionslinien vor dunklem Hintergrund.
Absorption bedeutet Aufnahme. Trifft ein Photon passender Energie auf ein System im unteren Zustand, kann es auf ein höheres Niveau wechseln. Durchläuft kontinuierliches Licht ein geeignetes, nicht zu heißes Gas, fehlen in Beobachtungsrichtung passende Photonen. Dort erscheinen dunkle Absorptionslinien im kontinuierlichen Spektrum.
Für dieselben Übergänge liegen dunkle Absorptionslinien und helle Emissionslinien eines Stoffes an denselben Spektralpositionen.
Definition
Energieniveau
Ein Energieniveau ist ein erlaubter Energiewert eines gebundenen Zustands in einem Atom oder Molekül. Diskret bedeutet: Zwischen diesen erlaubten Werten liegen Energien, die das betrachtete System nicht als gebundenen Zustand einnimmt.
Merke: Bei einem Übergang mit Licht entspricht die Energiedifferenz der Photonenergie und damit zu einer Spektralposition. Verschiedene Übergänge können bei gleicher Energiedifferenz dieselbe Position haben.
Beispiel: Zwei mögliche Übergänge
- 1Ein angeregtes Atom befindet sich auf E3 und wechselt auf E1. Dabei gibt es ein Photon ab, dessen Energie der gesamten Differenz zwischen E3 und E1 entspricht.
- 2Wechselt das Atom stattdessen von E3 auf E2 und sind die Energieabstände verschieden, entsteht ein Photon anderer Energie. Im Spektrum liegt dann eine andere Linie.
Teste dich
Ein Energieniveauschema ordnet niedrigere Zustände weiter unten und höhere Zustände weiter oben an. Ein Pfeil zeigt, zwischen welchen Niveaus ein Übergang stattfindet.
Eine häufige Fehlvorstellung lautet: „Drei Energieniveaus ergeben genau drei Linien.“ Das folgt nicht direkt aus der Zahl der Niveaus. Entscheidend sind die tatsächlich auftretenden Übergänge zwischen Niveaupaaren.
Die Lage der Spektrallinien ist für ein Atom oder Molekül charakteristisch. Ein Linienmuster wirkt deshalb wie ein spektroskopischer Fingerabdruck. Bei der Spektralanalyse wird ein beobachtetes Linienmuster mit bekannten Mustern verglichen. Stimmen charakteristische Linien überein, kann ein Stoff nachgewiesen werden. So lässt sich auch Licht weit entfernter Sterne untersuchen, ohne eine Stoffprobe direkt zu besitzen.
Dabei musst du zwischen Linienlage und Linienintensität unterscheiden: Die Lage zeigt, welche Wellenlängen beziehungsweise Energien auftreten. Die Intensität beschreibt, wie stark eine Linie erscheint. Vereinfachte Darstellungen zeigen oft nur die wichtigsten Linien und bilden unterschiedliche Intensitäten nicht vollständig ab.
Beispiel: Drei Niveaus im Schema
- 1Ein Pfeil von E1 nach E3 zeigt eine Absorption: Das System nimmt ein Photon auf und erreicht einen höheren Zustand.
- 2Ein Pfeil von E3 nach E2 zeigt eine Emission: Das System gibt ein Photon ab und erreicht einen niedrigeren Zustand.
- 3Übergänge zwischen unterschiedlichen Niveaupaaren können unterschiedliche Energiedifferenzen besitzen. Verschiedene Differenzen führen zu verschiedenen Spektrallinien.
Beispiel: Gehe beim Deuten in vier Schritten vor
- 1Bestimme das Anfangsniveau des Pfeils.
- 2Bestimme das Endniveau.
- 3Prüfe die Richtung: nach oben oder nach unten.
- 4Ordne den Vorgang der Absorption oder Emission zu.
Beispiel: Dasselbe Gas vor zwei Hintergründen
- 1Kontinuierliches Licht durchläuft ein Gas. Das Gas absorbiert Photonen passender Energie. In Beobachtungsrichtung erscheint an dieser Spektralposition eine dunkle Linie.
- 2Wird das angeregte Gas ohne die kontinuierliche Lichtquelle beobachtet, kann es dort Licht aussenden. An derselben Position erscheint dann eine helle Linie.
Teste dich
Alles auf einen Blick
Energieniveaus und Linienspektren
Niveaus
Gebundene Zustände von Atomen und Molekülen haben bestimmte Energiewerte.
Absorption
Ein passendes Photon hebt das System auf ein höheres Niveau.
Emission
Beim Übergang nach unten wird ein Photon ausgesendet.
Linienlage
Die Energiedifferenz legt die Position der Linie fest.
Linienmuster
Charakteristische Positionen helfen bei der Stoffbestimmung.
Linienstärke
Die Intensität sagt, wie stark eine Linie erscheint.
Musteraufgabe · Schritt für Schritt
Ein Schema ohne gezeichnete Achse deuten
- 1Die Energieachse zeigt nach oben. Die Zustände A, B und C liegen in dieser Reihenfolge von unten nach oben.
- 2Ein Pfeil von B nach C zeigt nach oben: Das System nimmt ein Photon mit der Differenz zwischen C und B auf.
- 3Ein Pfeil von C nach A zeigt nach unten: Das System sendet ein Photon mit der Differenz zwischen C und A aus.
- 4Die beiden Linien liegen nur dann an verschiedenen Spektralpositionen, wenn die beiden Energiedifferenzen verschieden sind.
Fehler finden
Wie viele Linien zeigt das Schema? In einer Zeile steckt ein Fehler. Tippe sie an.
Fehler in Zeile 3Beobachtet werden zwei Lichtübergänge mit verschiedenen Energiedifferenzen. Deshalb zeigt das Spektrum zwei Linien; aus vier Niveaus allein folgt keine vierte Linie.
Lückentext
Wähl in jeder Lücke das passende Wort und prüf dann deine Antworten.
Beim Übergang auf ein Energieniveau wird Energie aufgenommen. Dieser Vorgang heißt . Bei einem Übergang mit Licht auf ein Niveau wird ein Photon ausgesendet. Das ist eine Emission.
Karteikasten
Erst selbst überlegen, dann umdrehen.
Übung mit Feedback