Elektromagnetische Strahlung und moderne Atommodelle

Grundlagen der elektromagnetischen Strahlung

Elektromagnetische Strahlung: Ausbreitung im Raum in Form von Wellen und elektrischen Feldern / im Ruhezustand elektrisch. Keine elektrische Lastbewegung erzeugt magnetische und elektrische Felder.

Die Doppelnatur des Lichts

Es existieren zwei parallele Theorien: korpuskular (Emission kleiner Teilchen – Newton) und Wellen (Wellentyp der Perturbation – Maxwell). Das Licht hat eine Doppelnatur: Welle-Teilchen.

Experimentelle Fakten zum Atomaufbau

Experimentelle Fakten, die den Aufbau des Atoms bestimmen: Die Erfahrung mit elektrischen Entladungen in Vakuumröhren, die Entdeckung der Radioaktivität und der atomaren Spektren. Das Studium dieser Erscheinungen ermöglichte es uns, die fundamentalen Teilchen des Atoms zu entdecken (die früher als unteilbar galten), den Atomkern und die Verteilung der Elektronen im Atom.

Plancks Quantentheorie

Plancks Theorie: Unterstützt die Doppelnatur des Lichts. Licht wird als ein Paket von Quanten betrachtet, da Energie nur in spezifischen Mengen verfügbar ist. Dies beschränkt sich auf die Quantisierung, die ein Vielfaches der Basismenge der Theorie ist. Sie besagt, dass die von einem Körper abgegebene Strahlung (Energie E) durch den Ausdruck E = h · ν (ν = Frequenz) gegeben ist.

Das Bohrsche Atommodell

Bohr: Erklärte das Spektrum des Wasserstoffatoms (H-Atom) unter Anwendung des Rutherford-Atommodells und der Quantentheorie von Planck, gegeben durch drei Postulate:

• 1. Postulat: Das H-Atom hat ein Proton und ein Elektron. Bahnen: Beschreiben die Wege und die Bewegung um den Kern, ohne Energie zu verbrauchen.
• 2. Postulat: Einführung der Quantentheorie in sein Modell. Er legte willkürlich fest, dass nur Bahnen möglich sind, deren Drehimpuls (L) ein ganzzahliges Vielfaches von h / 2π ist. So erhalten wir die Radien der erlaubten Bahnen (für n=1 erhalten wir den kleinsten Radius der Umlaufbahn, der der niedrigsten Energie entspricht).
• 3. Postulat: Erklärt das Spektrum von H: Wenn ein Elektron von einer Bahn auf eine andere mit niedrigerer Energie fällt, wird ein Photon emittiert (dessen Frequenz durch die Planck-Gleichungen gegeben ist).

Fehler und Erweiterungen des Modells

Fehler in Bohrs Theorie: Schwierigkeiten entstanden sogar beim Spektrum von Helium. Sommerfeld perfektionierte das Bohr-Atommodell unter Berücksichtigung elliptischer Bahnen. Trotzdem war dies für mehratomige Atome nicht gültig. Bohrs Postulate waren eine Mischung aus klassischer Mechanik und Quantenmechanik.

Prinzip der Dualität und De Broglie

Prinzip der Dualität: Planck und Einstein unterstützten die Wellennatur des Lichts und schlugen vor, dass es sich so verhält, als ob es aus Teilchen (Photonen) bestünde. Später schlug Louis de Broglie vor, dass Teilchen Welleneigenschaften aufweisen könnten. Er zeigte, dass die Wellenlänge (λ) einer Teilchenmasse "m", die sich mit einer Geschwindigkeit "v" bewegt, durch die Gleichung λ = h / mv gegeben ist. Damit war es möglich, die Quantenzahl "n" der Bohr-Theorie auf natürliche Weise zu demonstrieren. Eine elektronische Umlaufbahn ist nur möglich, wenn eine stehende Welle gegeben ist. Dies tritt ein, wenn die Länge der Bahn ein ganzzahliges Vielfaches der elektronischen Wellenlänge ist. Durch De Broglie ist diese Bedingung physikalisch vernünftig.

Das quantenmechanische Wellenmodell

Quantenmechanisches Wellenmodell: Das Modell ist eine mathematische Entwicklung, die die Gesetze der klassischen Mechanik und der Quantenmechanik verwendet. Die Lösung der Schrödinger-Wellengleichung beschreibt das Verhalten kleiner Teilchen wie Elektronen durch Wellenfunktionen. Diese messen die Wahrscheinlichkeit, ein Elektron an einem bestimmten Ort zu finden.