Spektren - Flammenfärbung
Schlagwörter: Spektrum, Flammenfärbung, spezifische Energie, Energieniveau, Leuchterscheinung, Farben, Spektralröhre, Leuchtstoffröhre
Feuerwerke liefern faszinierende Farbenspiele am Himmel. Sie bieten ein strahlendes Leuchten in den unterschiedlichsten Farben. Wie entstehen diese Farben?
Wenn wir bestimmte Feststoffe in eine Flamme halten, dass liefern sie ein teilweise faszinierendes Leuchten.
Bei einer geeigneten Anregung können Gase, Flüssigkeiten und Feststoffe Licht abgeben.
Das wird auch bei Feuerwerken ausgenutzt.
Einige Flammenfärbungen
Vielen Dank an Dr. Wenschkewitz, der mit mir die Blider zur Flammenfärbung aufgenommen hat und das chemische Knowhow stellte.
Anwendungen
Leuchtreklamen liefern unterschiedliche Farben. Was befindet sich in den Leuchtstoffröhren? Wie entstehen die Farben?
- Wovon sind die Leuchterscheinungen abhängig?
- Was können wir beobachten?
- Was ist in den Leuchtstoffröhren enthalten?
Um diese Fragen zu klären, müssen wir die angeregten Stoffe in folgende Gruppen unterteilen:
1. Feststoffe
Die folgenden Abbildungen zeigen die Flammenfärbungen verschiedener Feststoffe. Dazu wurden geringe Mengen der Stoffe auf ein Magnesiastäbchen aufgetragen und in die Flamme eines Bunsenbrenners gehalten. Jeweils neben den Flammen findet ihr das spektroskopische Bild der Flammenfärbung, wie es z.B. mit einem Prismen Spektroskop beobachtet werden kann.
Erklärung
Wenn die Stoffe in die Flamme gehalten werden, dann wird ihnen Energie in Form von Wärme zugeführt. Ein Teil der Wärmeenergie wird von dem jeweiligen Stoff in Strahlungsenergie umgewandelt.
Was passiert dabei mikroskopisch im Stoff?
Die Elektronen des Atoms bewegen sich in der Hülle auf verschiedenen Schalen. Bei der Anregung durch thermische Energie können Elektronen in ein höheres Energieniveau gehoben werden. Dabei nehmen sie einen Teil der Wärmeenergie auf. Nach einer kurzen Verweildauer (10-8 s bis 10-6 s) fallen die Elektronen in den Grundzustand zurück. Die dabei frei werdende Energie wird in Form von elektromagnetischer Strahlung (z.B. Licht) freigegeben.
Charakteristik – Materialspezifik
Die Energieniveaus verschiedener Stoffe sind einzigartig, sie sind materialspezifisch. So können mit Hilfe der Spektren die Stoffe identifiziert werden.
„Ein Doktor der Philosophie erzählte mir, ein verrückter Kerl wolle auf der Sonne Natrium entdeckt haben. Ich konnte nicht widerstehen ihm zu sagen, dass ich dieser verrückte Kerl sei.“ // Gustav Kirchhoff (1860) Mit Hilfe der Resonanzabsorption gelang Kirchhoff der Nachweis von Natrium auf der Sonne.
Energieniveaus
Das Energieniveauschema (auch Termschema) ist eine graphische Darstellung, in der die möglichen energetischen Übergänge in einem Atom dargestellt sind. Das einfachste Energieniveau liefert das Wasserstoffatom.
Durch geeignete Anregung kann das Elektron auf ein höheres Energieniveau gehoben werden. Beim Rückgang auf das Grundniveau wird die Energie in Form von elektromagnetischer Strahlung freigegeben.
Die Energieniveaus sind durch das Atom klar definiert. Damit sind auch nur bestimmte Energiedifferenzen möglich.
{ E=h\cdot f\,\,\,und\,\,f=\frac{c}{\lambda }} folgt:
{ \lambda =\frac{c\cdot h}{E}}
Die möglichen Wellenlängen, die ein angeregtes Atom emittieren kann, sind durch die Energieniveaus des Atoms vorgegeben.
Beim Wasserstoffatom sind nur die Übergänge auf das Energieniveau m=2 (Balmer-Serie) im sichtbaren Bereich.
Energieniveaus Quecksilber und Neon
Die Energieniveaus von Mehrelektronensystemen sind deutlich komplexer.
Die Bilder ►20 /21 zeigen einen vereinfachten Ausschnitt der Energieniveauschemata von Quecksilber und Neon. Auch hier ist zu erkennen, dass nur bestimmte Übergänge zwischen den Energieniveaus möglich sind. Auch diese Spektren sind einzigartig und lassen eine Identifikation der Stoffe zu.
⇒ ausführlichere Ausführungen unter dem Franck-Hertz-Versuch
2. Gase / Flüssigkeiten
Die Anregung von Gasen erfolgt durch Elektronenstöße. Dazu wird das Gas in einer Röhre eingeschlossen. An die Röhren werden dann geeignete Spannungen angelegt. Es ist dann ein Leuchten zu beobachten.
Die Spektren können z.B. mit einem Prismen Spektroskop beobachtet werden.
Wie entsteht das Leuchten?
An den Enden der Spektralröhre liegt eine hohe Spannung an. Einige der Atome des eingeschlossenen Gases werden ionisiert. Die freien Elektronen werden dann in Richtung des positiven Pols beschleunigt.
Dabei treffen die Elektronen auf Atome des Gases. Dabei können wir zwischen drei Fällen unterscheiden(vgl. Energieniveau):
- Die Energie reicht nicht aus, um die Atome anzuregen.
- Die Energie reicht aus die Atome anzuregen
- Die Energie reicht aus, um das Atom zu ionisieren.
zu 1) Die Energie reicht nicht aus, um die Atome anzuregen
Wenn die Energie der Elektronen kleiner ist, als die erste Energiestufe im Atom, dann kommt es zwischen Elektron und Atom zu einem elastischen Stoß. Dabei geben die Elektronen quasi keine Energie an das Atom ab.
zu 2) Die Energie reicht aus die Atome anzuregen
Wenn die Energie ausreichend groß ist, dann werden Elektronen der äußeren Schale auf ein höheres Energieniveau gehoben. Nach einer Verweildauer von 10-6 s bis 10-8 s fallen die Elektronen direkt oder über Zwischenniveaus in den Grundzustand zurück. Die dabei freiwerdende Energie wird in Form von Licht abgegeben. Da die Energieniveaus Materialspezifisch sind, sind auch die Leuchterscheinungen charakteristisch für einen bestimmten Stoff.
{\large \left. \begin{array}{l}\Delta E=h\cdot f\\f=\frac{c}{\lambda }\end{array} \right\}\Delta E=\frac{h\cdot c}{\lambda }\,\,\,\Leftrightarrow \lambda =\frac{h\cdot c}{\Delta E}}
zu 3) Die Energie reicht aus, um das Aton zu ionisieren
Wenn die Elektronen ausreichend Energie besitzen, um die Atome zu ionisieren (Stoßionisation), dann erhöht sich die Anzahl der freien Ladungsträger im Gas. Damit können die Leuchtescheinungen stärker werden. Wird die Zahl der freien Ladungsträger zu hoch, dann sinkt der Widerstand des Gases. Die anliegende Spannung kann zusammenbrechen.
Weiterführende Links: