Wasserstoffatom
Aufgabenstellung
Das Wasserstoffatom ist das am einfachsten aufgebaute Atom: es besitzt genau ein Elektron in seiner Elektronenhülle. Die folgende Abbildung zeigt das zugehörige Energieniveauschema dieses Atoms:
Die nachfolgenden Aussagen beziehen sich auf das Wasserstoffatom und dessen Energieniveauschema. Beurteilen Sie deren Richtigkeit.
Hinweis: Die Photonenenergien des sichtbaren Lichts liegen im Bereich zwischen 1{,}77~\mathrm{eV} und 3{,}27~\mathrm{eV}.
| Aussage | Richtig | Falsch |
|---|---|---|
| Das Elektron kann im Wasserstoffatom jeden Zustand einnehmen, der im Energieniveauschema eingetragen und durch eine Hauptquantenzahl n charakterisiert ist. | ||
| Im Grundzustand befindet sich das Elektron im Zustand n=1. | ||
| Soll das Elektron von einem Ausgangsniveau in ein Niveau mit höherer Hauptquantenzahl n übergehen, so muss es hierfür Energie aufnehmen. Dies kann beispielsweise durch Absorption elektromagnetischer Strahlung geschehen. | ||
| Die Strahlung, die bei einem Übergang aus einem angeregten Zustand (n>1) in den Grundzustand abgegeben wird, liegt grundsätzlich im Ultraviolettbereich. | ||
| Bei keinem der möglichen Übergänge zwischen den Energieniveaus wird sichtbares Licht angestrahlt. | ||
| Das Elektron kann nur zwischen benachbarten Energieniveaus wechseln (\Delta n= \pm 1). Es kann kein Energieniveau übersprungen werden. |
Bildquelle: Herbert Schletter (derived from a work by w:de:user:Kiko2000 and Cepheiden), Wasserstoff-Termschema einfach, CC BY-SA 4.0
Lösung
- Das Elektron kann im Wasserstoffatom jeden Zustand einnehmen, der im Energieniveauschema eingetragen und durch eine Hauptquantenzahl n charakterisiert ist.
- Richtig: Das Elektron kann jeden der diskreten Zustände einnehmen, jedoch keinen Zustand, der zwischen den eingetragenen Energieniveaus liegt.
- Im Grundzustand befindet sich das Elektron im Zustand n=1.
- Richtig: Der Grundzustand ist derjenige mit der niedrigsten Energie.
- Soll das Elektron von einem Ausgangsniveau in ein Niveau mit höherer Hauptquantenzahl n übergehen, so muss es hierfür Energie aufnehmen. Dies kann beispielsweise durch Absorption elektromagnetischer Strahlung geschehen.
- Richtig: Die erforderliche Energiedifferenz zwischen den beteiligten Energieniveaus muss dem Elektronn zugeführt werden. Absorptionsprozesse, wie sie auch im sichtbaren Bereich beobachtet werden können, sind ein möglicher Prozess hierfür.
- Die Strahlung, die bei einem Übergang aus einem angeregten Zustand (n>1) in den Grundzustand abgegeben wird, liegt grundsätzlich im Ultraviolettbereich.
- Richtig: Bereits zum nächsthöheren Energieniveau besteht eine Energiedifferenz, die den Bereich des sichtbaren Lichts überschreitet.
- Bei keinem der möglichen Übergänge zwischen den Energieniveaus wird sichtbares Licht angestrahlt.
- Falsch: Übergänge aus einem höheren Niveau nach n=2 emittieren teilweise sichtbares Licht, wie ein Vergleich der Energieniveaus mit den Energien des sichtbaren Lichts zeigt. Beim Übergang n=3 \rightarrow n=2 liegt das emittierte Licht beispielsweise im roten Spektralbereich.
- Das Elektron kann nur zwischen benachbarten Energieniveaus wechseln (\Delta n= \pm 1). Es kann kein Energieniveau übersprungen werden.
- Falsch: Es sind beliebige Wechsel zwischen den einzelnen Energieniveaus möglich. Nur so können die verschiedenen emittierten Photonenenergien (bzw. Wellenlängen) erklärt werden.