Elektromagnetische Wellen: Unterschied zwischen den Versionen

Version vom 31. Dezember 2005, 11:34 Uhr

Entstehung des Lichtes

Die Natur des Lichtes ist bis zum heutigen Tag noch nicht abschließend geklärt, so muss man sich, um sein verhalten zu verstehen, mit verschiedenen Denkmodellen behelfen.

Ein kleiner Ausflug in die Atomphysik

So ein Denkmodell ist auch das Atommodell von Bohr - Rutherford. Es geht davon aus, dass sich um ein Atomkern, der im wesentlichen aus positiven geladenen Protonen und neutralen Neutronen besteht, negativ geladene Elektronen aufhalten (Teilchenbetrachtung).
Die Elektronen umkreisen bzw. umhüllen diesen Atomkern auf sphärischen Schalen, welche festgelegt Radien zum Atomkern also einen festen Abstand besitzen.
Die Schalen und ihr Radius zum Kern, entsprechen einem energetischen Gleichgewichtszustand, den so genannten Quantenbahnen. Dieser verhindert, dass sich das Elektron weder zum Kern hin stürzt, noch vom Kern weg flieht. Das Gleichgewicht entsteht zwischen dem elektrostatischen Feld Elektron-Proton (Zentripetalkraft) und der Winkelbeschleunigung (Initialbeschleunigung) des Elektrons.
Außerdem emittiert das Elektron auf seiner jeweiligen Schale keine Strahlung. Dieser Umstand ist bemerkenswert, da ein Teilchen, das sich durch ein elektrostatisches Feld bewegt, eigentlich ein magnetisches Feld hervorrufen .

Datei:Atommodell nach Rutherford.jpg

Die Anzahl der Teilchen in Kern bestimmen u.a. das Gewicht, die Anzahl der Teilchen auf der schale bestimmen im wesentlichen die Eigenschaften der Materie und lasen sich in den Elementen klassifizieren, welche in Periodensystem der Elemente geordnet sind. Im weiteren wollen wir nur die Elektronen betrachten.
Es ist einzusehen, das ein Elektron, das sich auf einer kernferneren Schale befindet, eine absolut gesehen höhere Energie speichert als ein Elektron auf einer kernnäheren Schale (potentielle wie kinetische Energie).
Die Energiedifferenz ∆W von Schale zu Schale verringert sich mit zunehmendem Schalenradius, da die äußeren Schalen engen zusammen liegen als die inneren.)
Jede schale repräsentiert also durch seine Elektronen ein gewisses Energieniveau, welches mit zunehmendem Radius steigt.
Die Elektronen können sich nur auf diesen festgelegten Schalen/Energieniveaus aufhalten. Zwischen den Schalen ist ein Aufenthalt aus energetischen Gründen nicht möglich (Von Neben- und Spinquanten sei hier abgesehen).
Führen wir nur dem Atom und damit dann den Elektronen Energie zu, die der Energiedifferenz ∆W zweier, Schalen entspricht, so wird das Elektron befähigt, auf ein nächst höheres Energieniveau/Schale zu wechseln.
Die Verweilzeit auf einem höhere Energieniveau ist allerdings extrem kurz (etwa 10^-8 sec).
Beim Rückfall des Elektrons auf sein ursprüngliches Energieniveau gibt es die Energiedifferenz in Form elektromagnetischer Strahlung, so genannten Strahlungsquanten wieder ab. <bb> Das Springen der Elektronen zwischen den Schalen wird auch als Ouantensprung bezeichnet, die entstehenden Strahlungsquanten als Protonen. Sie sind kein Teilchen im klassischen Sinne. Ihr Energiegehalt entspricht der Energiedifferenz zweier Schalen, ihre Geschwindigkeit der der Lichtgeschwindigkeit C 0.
Eine Ruhemasse m des Protons und der damit verbundene Impuls lässt sich nach Einstein, W = m × C 0² , bestimmen. Eine Ruhemasse besitzt das Proton nicht.
Wir haben also gesehen, dass beim Quantensprung die erst zugeführte Energie in Form elektro-magnetischer Strahlungswellen wieder abgegeben wird.
Welche Frequenz besitzt diese Strahlung?
Um diese Frage zu beantworten, betrachten wir noch einmal die Elemente. Die Elemente unterscheiden sich durch ihrer Protonen und Neutronen bzw. auch Elektronen voneinander.
Die Schalen, also die Aufenthaltsorte der Elektronen repräsentieren einen energetischen Gleichgewichtszustand. Da dieses Energiegleichgewicht bei höherer Kernladungszahl, also mehr Protonen, also schwereren Elementen woanders liegt, als bei leichteren Elementen mit geringerer Kernladungszahl, ist einzusehen.
Daraus folgt, dass z.B. die 2. Schale - Energieniveau des Lithiums - einen anderen Radius zum Kern hat, also die 2. Schale des Sauerstoffs. Daraus folgt weiterhin, dass die Energiedifferenz zwischen 1. und 2. Schale des jeweiligen Elementes unterschiedlich ist.
Das Experiment ergibt nun, dass z.B. das Proton des Lithiums eine andere Frequenz abstrahlt, als das Proton von Sauerstoff, woraus wir jetzt folgende Erkenntnisse ziehen:

1. Die Frequenz der elektromagnetischen Strahlung/Photon hängt vom Element bzw. dessen Schalenaufbau und der Anzahl der Elektronen ab.
2. Für jede Frequenz ist eine bestimmte mindest Energiemenge aufzubringen, man spricht auch von Energiequantum W
3. Je nach Energiezufuhr kann ein Element auch mehrere Frequenzen abstrahlen
4. Der Zusammenhang von Energie und Frequenz wird durch einen Proportionalitätsfaktor, der Planck'schen Wirkungskonstante h hergestellt. H = 6,626179 × 10^-34 JS
   

W = h × f

f = w / H

W = Energie eines Strahlungsquantum

f = Frequenz

h = Plancksche Wirkungskonstante

Elektromagnetische Wellen