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SG107 Balmer-Serie beim Wasserstoff-Atom

Photon

Gestalt und Größe von Atomen

Glossar

Physik für Schülerinnen und Schüler

Wird Wasserstoff-Gas durch eine elektrische Entladung mit einer Spannung von wenigen kV zum Leuchten angeregt, dann sendet es Licht bestimmter Farben bzw. Frequenzen oder Wellenlängen aus. Es gibt eine einzige Serie von Spektrallinien im Sichtbaren, die Balmer-Serie. Sie wurde nach ihrem Entdecker benannt. Wie wir heute wissen, entstehen die verschiedenen Linien dieser Serie dadurch, dass H-Atome aus einem höher angeregten Energiezustand in einen tieferen Zustand mit der Hauptquantenzahl n = 2 übergehen. Beim Übergang von n = 3 nach n = 2 entsteht die langwelligste Linie der Serie (rot). Die zugehörigen Photonen haben die geringste Energie. *)

Abb. 1: Betrachtung einer schlitzförmigen Lichtquelle durch ein Beugungsgitter in großer Entfernung. Auf einem Maßstab in der Lichtquellen-Ebene kann die Ablenkung Δ abgelesen werden, die zum Ablenkungswinkel führt ("subjektive Betrachtungweise").

Abb. 2: Interferenzfigur nach Abb. 1 erzeugt durch ein mit Wasserstoff-Gas gefülltes Geißler-Röhrchen und einem hochauflösenden Beugungsgitter. Man erkennt auf dem Foto in der 1. Ordnung die rote und die türkisfarbene Linie.

Aus den Frequenzen der Balmer-Serie lässt sich auf Energiestufen im Atom schließen. Das gelang Bohr (vgl. Bohr'sches Atommodell - ein Revival? Entdeckung der Energiestufen des H-Atoms mit einem Tabellenkalkulationsprogramm)

Andere Serien im nicht sichtbaren Bereich:

Endzustand n = 1 : Lyman-Serie im UV-Bereich

Endzustand n =3 : Paschen-Serie im IR-Bereich

und weitere

Abb. 3: Anordnung zur "subjektven Betrachtungsweise nach Abb. 1 für einen Schülerversuch. Eine Schülergruppe nach der anderen ermittelt auf dem Lineal die Ablenkung Δ der Wasserstofflinien und errechnet daraus die Wellenlänge.

Abb. 4:So siehst du das Wasserstoffspektrum mit einem hochauflösenden Beugungsgitter im Schülerversuch nach Abb. 3. Du siehst die rote und die türkisfarbene Linie gut.

Abb. 5: Mit einer modernen Balmer-Röhre erzeugtes Spektrum. Die Messung der Ablenkung Δ ist hier mit einem Papiermaßstab etwas improvisiert.

*) Normalerweise ist Wasserstoff-Gas in einer Gasentladungsröhre (Geißler-Röhrchen) ein molekulares Gas aus H2-Molekülen. Durch die Gasentladung bei angelegter Hochspannung werden aber auch H2-Moleküle in H-Atome zerlegt ("dissoziiert"). Das von den Atomen ausgesandte Spektrum überlagert dann das Molekülspektrum. Es gibt auch spezielle Entladungsröhren, bei denen die atomaren Spektren im Vordergrund stehen.

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( Juni 2014 )