Quantenhafte Emission

Die quantenhafte Emission ist ein in der Atomphysik auftretendes Phänomen. Johann Jakob Balmer erforschte dieses Phänomen in physikalischen Versuchen mit Hilfe der von ihm entwickelten Balmer-Formel.

Dem Versuch geht voraus, dass jedes zum Leuchten gebrachte Gas über ein charakteristisches Emissions- bzw. Absorptionsspektrum verfügt. Balmer ging davon aus, dass zwischen dem Aufbau der Atome der entsprechenden Gase sowie der Emission und der Absorption von deren Licht ein ursächlicher Zusammenhang besteht. Um dies zu belegen, untersuchte Balmer anhand von Wasserstoff die von den Atomen abgegebenen Energiebeträge.

Versuch zum Wasserstoffspektrum

Mit einer Balmer-Lampe wird eine Gasentladung hervorgerufen, die die Wasserstoffatome zum Leuchten anregt. So wird Licht emittiert. Dieses Licht wird mit einem Gitter spektral zerlegt. Das so projizierte Wasserstoffspektrum besteht aus vier einzelnen, diskreten Linien im sichtbaren Bereich (Linienspektrum). Mit den Daten aus dem Versuchsaufbau und der Formel

$f=\frac{c}{\lambda}$

können Wellenlänge λ und Frequenz f berechnet werden.

Johann Jakob Balmer fand 1884 folgendes Bildungsgesetz:

$f=C(\frac{1}{2^{2}}-\frac{1}{m^{2}})$

Die so genannte Balmer-Formel arbeitet mit der Konstanten

$C=3,288\cdot10^{15} Hz$.

Aus m = 3,4,5,6 ergeben sich nun die vier bekannten Wasserstofflinien im sichtbaren Bereich des Spektrums. Balmer hielt seine Entdeckung für einen Spezialfall einer noch unbekannten allgemeineren Gleichung, die auch für andere Elemente gültig sein könnte. Diese Vermutung wird durch spätere Untersuchungen von Spektren von Atomen mit nur einem Elektron bestätigt. Ungeklärt blieb jedoch die physikalische Bedeutung der Konstanten m.

Wir wissen aus der Quantenphysik, dass mit Licht der Frequenz Photonen mit der Energie

$E=h\cdot{f}$

erzeugt oder absorbiert werden. Die Spektren leuchtender Gase sind wie gesagt Linienspektren, bestehen also aus diskreten Wellenlängen λ bzw. Frequenzen f. Deshalb werden nur Photonen mit diskreten Energiebeträgen emittiert (wegen E=hf).

Fazit

Man kann das mit dem Wasserstoffgas gewonnene Ergebnis verallgemeinern. Die Emission (Aussendung) von Licht eines Gases in diskreten Linien bedeutet, dass die Gasatome nur bestimmte, für das Gas charakteristische Energiebeträge abgeben. Das ist die quantenhafte Emission.

Literatur

Metzler: Physik, herausgegeben von Joachim Grehn und Joachim Krause, 1998 Schroedel Verlag GmbH, Hannover