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Baustein 7.2 Licht und Energie

Die Elemente werden erst durch die Zufuhr von Energie zum Leuchten angeregt. Albert Einstein,leitete im Jahr 1905 aus verschiedenen theoretischen Überlegungen und experimentellen Ergebnissen ab, dass die Energie des Lichtes abhängig von seiner Wellenlänge ist und diese Energie auch nur in definierten „Portionen“, sogenannten Energiequanten, aufgenommen und abgegeben wird. Das Licht, welches die Elemente aussenden trägt also genau die Energiemenge, die sie vorher aufgenommen haben. Er konnte auch eine Formel herleiten, die den Zusammenhang zwischen Wellenlänge und Energie beschreibt. Für diese Arbeit erhielt er 1921 den Nobelpreis für Physik. Die Formel siehst du hier:

\(E= \frac{\left(h\cdot c\right)}{\lambda}\)

mit der Planck-Konstante h = 6,626 • 10-34 J • s

der Lichtgeschwindigkeit im Vakuum c = 299.792.458 \({m \over s}\)

und der Wellenlänge λ in Metern

Mit dieser Formel können wir nun die Energie berechnen, welche durch die jeweiligen Linien des Wasserstoffspektrums abgegeben wird. Für die 4 Linien im Bereich zwischen 400 und 700 nm ergeben sich daraus die folgenden Energiebeträge:

Wellenlänge [nm]

Energie des Lichts [eV]

656

1,89

486

2,55

434

2,86

410

3,02

Hinweis

Die Einheit Elektronvolt [eV] ist die „handliche“ Einheit der Energie, wenn es darum geht sehr kleine Energiebeträge anzugeben. 1 eV entspricht 1,602 · 10-19 J • s

Daraus, dass dem Licht einer Wellenlänge ein genauer Energiebetrag zugeordnet werden kann, können wir schließen, dass die Energiemenge, die ein Element aufnehmen und in Form von Licht einer bestimmten Wellenlänge wieder abgeben kann, ebenfalls klar definiert ist. Die Atome jedes Elements haben also bestimmte, festgelegte Energiestufen, die sie einnehmen können.

Senden Wasserstoffatome rotes Licht mit der Wellenlänge 656 nm aus, so haben sie vorher eine Energiemenge von 1,89 eV aufgenommen. Senden sie blaues Licht mit der Wellenlänge 434 nm aus, haben sie vorher 2,86 eV Energie aufgenommen. Wir sehen in einem Emissionsspektrum aber immer alle Linien zur gleichen Zeit, das heißt: Wird ein Element zum Leuchten angeregt, finden alle diese möglichen Übergänge zwischen allen möglichen Energiestufen zeitgleich statt.

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