National Aeronautics and Space Administration (Deutsch)

Atome und Lichtenergie

Die Untersuchung von Atomen und ihren Eigenschaften überlappt mehrere verschiedenewissenschaften. Chemiker, Physiker und Astronomen müssen alle den makroskopischen Maßstab verstehen, in dem ein Großteil des Universums funktioniert, um das „größere Bild“zu sehen.,

Innerhalb des Atoms

Genau wie Ziegel die Bausteine eines Hauses sind, sind Atome die Bausteine der Materie. Materie ist alles, was Masse hatund nimmt Platz (Volumen) ein. Alle Materie besteht aus Atomen. Der Kern hat einen Kern, der Partikel mit positiver Ladung(Protonen) und neutralgeladene Teilchen (Neutronen) enthält. Umgebender Thenucleus eines Atoms sind Schalen von Elektronen – kleine negativ geladenpartikel., Diese Schalen sind eigentlich verschiedene Energieniveaus undinnerhalb der Energieniveaus umkreisen die Elektronen den Kern des Atoms.

Der Grundzustand eines Elektrons, das Energieniveau, das es normalerweise einnimmt, ist der Zustand der niedrigsten Energie für dieses Elektron.

Es gibt auch eine maximale Energie, die jedes Elektron canhave und immer noch Teil seiner atom. Darüber hinaus ist das Elektron nicht mehr an den Kern des Atoms gebunden und gilt als ionisiert.,

Wenn ein Elektron vorübergehend einen Energiezustand einnimmt, der größer als sein Grundzustand ist, befindet es sich in einem angeregten Zustand. state.An elektron kann angeregt werden, wenn ihm zusätzliche Energie gegeben wird, z. B. wenn es ein Photon oder ein Lichtpaket absorbiert oder mit einem nahe gelegenen Atom oder Teilchen kollidiert.

Lichtenergie

Jedem Orbital ist eine bestimmte Energie zugeordnet., Damit ein Elektron zu einem Orbital mit einer höheren Energie befördert werden kann, muss es die Energiedifferenz zwischen dem Orbital, in dem es sich befindet, und dem Orbital, zu dem es geht, überwinden. Dies bedeutet, dass es ein Photon absorbieren muss, das genau diese Energiemenge enthält, oder genau diese Energiemenge von einem anderen Teilchen bei einer Kollision aufnehmen muss.

Die Abbildungen auf dieser Seite sind natürlich vereinfachte Versionen realer Atome. Echte Atome, selbst relativ einfache wie Wasserstoff,haben viele verschiedene Orbitale, und so gibt es viele mögliche Energiemit unterschiedlichen Anfangs-und Endzuständen., Wenn sich ein Atom in einem erregten Zustand befindetzustand, Das Elektron kann auf einmal den ganzen Weg in den Grundzustand fallen, oder auf dem Weg in einer Zwischenebene anhalten.

Elektronen bleiben nicht sehr lange in angeregten Zuständen – sie kehren bald zu ihren Grundzuständen zurück und emittieren ein Photon mit der gleichen Energie wie das, das absorbiert wurde.,

Identifizierung einzelner Arten von Atomen

Die Übergänge zwischen den verschiedenen Orbitalen sind für jedes Element eindeutig, da Dieenergieniveaus werden eindeutig durch die Protonen und Neutronen im Kern bestimmt. Wir wissen, dass verschiedene Elemente eine unterschiedliche Anzahl Vonprotonen und Neutronen in ihren Kernen haben. Wanndie Elektronen eines bestimmten Atoms kehren zu niedrigeren Orbitalenaus angeregten Zuständen haben die Photonen, die sie emittieren, Energien, die für diese Art von Atom charakteristisch sind., Dies gibt eachelement einen einzigartigen Fingerabdruck, so dass es möglich ist, die in einem Gasbehälter oder sogar einem Stern vorhandenen Elemente zu identifizieren.

Wir können Werkzeuge wie das Periodensystem der Elemente verwenden, um genau herauszufinden, wie viele Protonen und damit Elektronen ein Atom hat. Zuallererst wissen wirdass ein Atom, um eine neutrale Ladung zu haben, die gleiche Anzahl von Protonen und Elektronen haben muss. Wenn ein Atom Elektronen verliert oder gewinnt, wird es ionisiert oder geladen. Das Periodensystem gibt uns die Ordnungszahl vonein Element. Die Ordnungszahl sagt uns, wie viele Protonen ein Atom hat., Zum Beispiel hat Wasserstoff eine Ordnungszahl von eins – was bedeutet, dass er hatein Proton und damit ein Elektron – und hat tatsächlich keine Neutronen.

Zeichnen Sie für den Schüler

Zeichnen Sie basierend auf der vorherigen Beschreibung des Atoms ein Modell des Wasserstoffatoms. Das „Standard“ – Modell eines Atoms ist bekanntals das Bohr-Modell.

Verschiedene Formen desselben chemischen Elements, die sich nur durch die Anzahl der Neutronen in ihrem Kern unterscheiden, werden Isotope genannt. Die meisten Elemente haben mehr als ein natürlich vorkommendes Isotop., Viele weitere Isotope wurden in Kernreaktoren und wissenschaftlichen Laboratorien hergestellt. Isotope sind normalerweise nicht sehr stabil, und sie neigen dazu, radioaktiven Zerfall zu erleiden, bis etwas Stabileres entsteht. Sie können mit dem Elementuran vertraut sein – es hat mehrere instabile Isotope, U-235 ist einer der am meisten bekannten. Die 235 bedeutet, dass diese Form von Uran 235 Neutronen hatund Protonen kombiniert. Wenn wir Urans Ordnungszahl nachschlagen und subtrahieren, dass von 235, könnten wir die Anzahl der Neutronen berechnen, die Isotop hat.,

Hier ist ein weiteres Beispiel-Kohlenstoff tritt normalerweise in Form von C-12 (Kohlenstoff-12) auf, dh 6 Protonen und 6 Neutronen, obwohl ein Isotop C-13 ist, mit 6protonen und 7 Neutronen.

Für den Schüler

Verwenden Sie das Periodensystem und die Namen der unten angegebenen Elemente, um herauszufinden, wie viele Protonen, Neutronen und Elektronen sie haben.Zeichnen Sie ein Modell eines Atoms des folgenden Elements: Silizium-28, Magnesium-24, Schwefel-32, Sauerstoff-16 und Helium-4.,

Definieren Sie für den Schüler

Definieren Sie anhand des Textes die folgenden Begriffe: Energieniveaus, Absorption, Emission, angeregter Zustand, Grundzustand, Ionisation, Atom,Element, Atommasse, Ordnungszahl, Isotop.

Ein Optionaler Hinweis auf den Quantenmechanischen Natur der Atome Während das Bohr-atom oben beschrieben, ist ein schöner wayto erfahren Sie mehr über die Struktur von Atomen, es ist nicht der Genaueste Weg, tomodel Sie., Obwohl jedes Orbital eine genaue Energie hat, wird das Elektron jetzt als in einer „Elektronenwolke“um den Kern herum verschmiert angesehen. Es ist üblich, von der mittleren Entfernung zu thecloud als Radius des Elektrons zu sprechen orbit.So denken Sie daran, wir werden die Wörter „Orbit“ und „Orbital“ behalten, obwohl wir sie nicht verwenden, um keine flache Orbitalebene zu beschreiben, sondern Aregion, wo ein Elektron eine Wahrscheinlichkeit hat zu sein. Elektronen werden in der Nähe von thenucleus durch die elektrische Anziehung zwischen dem Kern und den Elektronen gehalten.,Dort bleiben die neun Planeten in der Nähe der Sonne, statt in der Galaxie. Im Gegensatz zum Sonnensystem, wo alle Umlaufbahnen der Planetensind auf der gleichen Ebene, Elektronen Umlaufbahnen sind dreidimensionaler. Jedes Energieniveau auf einem Atom hat eine andere Form. Es gibt mathematische Gleichungen, die Ihnen die Wahrscheinlichkeit des Orts des Elektrons in dieser Umlaufbahn mitteilen. Betrachten wir Diehydrogenatom, von dem wir bereits ein Bohr-Modell gezeichnet haben., Wahrscheinliche Positionen des Elektrons im Ausgangszustand des Wasserstoffatoms. Was Sie in diesen Bildern betrachten, sind Graphen der Wahrscheinlichkeit der Position des Elektrons. Der Kern befindet sich im Zentrum jedes dieser Graphen, und wo der Graph am leichtesten ist, liegt das Elektron am wahrscheinlichsten. Was Sie hier sehen, ist eine Art Querschnittsabschnitt. Das heißt, Sie müssen sich das Bild vorstellen, das sich drehtdie vertikale Achse., Also die Region bewohnt vondieses Elektron sieht aus wie eine Scheibe, aber es sollte eigentlich seineine Kugel. Dieser Graph ist für ein Elektron in seinem niedrigsten MÖGLICHENENERGIEZUSTAND oder “ Grundzustand.“ Rechts ist ein angeregter Zustand von Wasserstoff. Beachten Sie, dass in der Mitte, wo der Kern ist, das Bildist dunkel, was darauf hinweist, dass das Elektron wahrscheinlich nicht da ist. Die beiden Lichtregionen, in denen das Elektron am wahrscheinlichsten zu finden ist, sind wirklich nur eine Region., Denken Sie daran, Sie müssen dies experimentell um eine vertikale Achse drehen, so dass in drei Dimensionendie Lichtregion ist wirklich donutförmig. Wahrscheinliche Positionen des Elektrons in einem erregten Zustand Wasserstoff. Der Text und die Bilder in diesem Abschnitt wurden von Dave Slavens Seite aufdas Atom angepasst (siehe Referenzen unten).