Die Lyman-Serie: Ultraviolette Wasserstofflinien
1 · Vorhersagen
Elektronen, die bis in den Grundzustand (n = 1) fallen, emittieren die Lyman-Reihe. Würden Sie im Vergleich zur Balmer-Reihe (Abfall auf n = 2) erwarten, dass Lyman-Photonen mehr oder weniger Energie haben?
- Weniger Energie als Balmer-Übergänge.
- Mehr Energie (kürzere Wellenlänge) – der Abfall in den Grundzustand führt zu einer größeren Energielücke als der Abfall auf n = 2.
- Die gleiche Energie wie äquivalente Balmer-Übergänge.
2 · Aufbauen
- Öffnen Sie die Lyman-Alpha-Preset und drücken Sie Zurücksetzen. Der Standardübergang dieser Preset ist n = 2 → n = 1 (Lyman-alpha).
- Aktivieren Sie die Anzeige der emittierten Wellenlänge.
- Legen Sie das Startenergieniveau n_initial für jeden Versuch fest (absteigend auf n_final = 1) und zeichnen Sie die emittierte Wellenlänge auf.
3 · Daten sammeln
| Startniveau n_i | Emittierte Wellenlänge λ (nm) |
|---|---|
| 2 | |
| 3 | |
| 4 |
Tragen Sie für Ihre drei Versuche die emittierte Wellenlänge λ (y-Achse) gegen den Startpegel n_i (x-Achse) auf.
4 · Auswerten
- Berechnen Sie für einen Versuch 1/λ = R(1/n_f² − 1/n_i²) mit n_f = 1. Vergleichen Sie mit der Tabelle. Bestätigen Sie, dass alle drei Wellenlängen unter 122 nm fallen – tiefes Ultraviolett, für das Auge unsichtbar.
- Vergleichen Sie Ihre Lyman-Wellenlängen mit den Wellenlängen des sichtbaren Lichts des Balmer-Alpha-Experiments. Erklären Sie, warum ein Abfall auf n = 1 (eine viel größere Energielücke als ein Abfall auf n = 2) immer Photonen mit höherer Energie und kürzerer Wellenlänge erzeugt.
5 · Vertiefen
- Ultraviolettes Licht der Lyman-Serie wird fast vollständig von der Erdatmosphäre absorbiert, bevor es den Boden erreicht. Erklären Sie, warum Weltraumteleskope (anstelle von bodengestützten) benötigt werden, um die Lyman-Alpha-Emission von Wasserstoff von entfernten astronomischen Objekten zu beobachten.
- Da n_i → ∞, nähert sich 1/λ genau R (der Seriengrenze), was eher einem Elektron entspricht, das dem Atom kaum vollständig entkommt (Ionisation), als einem bestimmten Übergang. Erklären Sie anhand Ihrer Formel, warum die Seriengrenze die Ionisierungsenergie aus dem Grundzustand darstellt.
Die Physik hinter diesem Experiment
Lyman-Reihe (Grundzustandsübergänge)
Übergänge, die bei n_f = 1 enden, erzeugen die größtmöglichen Energielücken im Wasserstoff, da der Grundzustand weit unter jedem angeregten Niveau liegt – und erzeugen so die Spektralreihe mit der kürzesten Wellenlänge (höchste Energie), die vollständig im Ultraviolett liegt.