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Balmerserie

Balmerserie

Als Balmer-Serie wird die Folge von Spektrallinien im Spektrum des Wasserstoffatoms bezeichnet, deren Wellenzahl durch die Formel :

\tilde\nu = R_\infty \left(  -  \right)

gegeben ist. Darin ist :

R_\infty = 10973731534\cdot 10^\,

die nach dem schwedischen Physiker Janne Rydberg benannte Rydberg-Konstante. Für n sind ganze Zahlen größer als 2 einzusetzen. Die Wellenzahl lässt sich durch die Beziehung :

\lambda = 1 / \tilde\nu

in die Wellenlänge bzw. durch :

E = \tilde\nu \cdot c \cdot h

in die entsprechende Photonenenergie umrechnen. In der letzten Formel sind c die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum und h die Planck'sche Konstante.

Entdeckung der Balmer-Linien

Im sichtbaren Bereich des Wasserstoffatom-Spektrums lassen sich vier Linien beobachten. Ihr Abstand nimmt mit der Wellenlänge ab. Sie werden, beginnend mit der größten Wellenlänge, mit Hα, Hβ, Hγ und Hδ bezeichnet. Im Jahr 1885 entdeckte der Schweizer Johann Jakob Balmer, dass sich die Wellenlänge dieser Linien mit der einfachen Formel berechnen lässt: :

\lambda = A \left(  \right).

In dieser Gleichung ist A eine rein empirische Konstante (A = 3.645,6 10^-8 cm = 3.645,6 Å), und für n sind die ganzen Zahlen 3, 4, 5 und 6 einzusetzen. Im Ultravioletten, dem für das menschliche Auge nicht sichtbaren Bereich des Spektrums, wurden weitere Linien entdeckt. Diese werden fortlaufend mit Hε, Hζ usw. bezeichnet. Die experimentell bestimmte Wellenlänge dieser Linien stimmt mit den rechnerischen Werten aus der Balmerformel für ganzzahlige n größer 6 ebenfalls sehr gut überein.

Verallgemeinerung durch Rydberg

Mit der obigen Beziehung zwischen Wellenlänge und Wellenzahl sowie R = 4/A läßt sich die von Balmer gefundene Formel schreiben: :

\tilde\nu = R \left(  -  \right).

Bereits 1890 verallgemeinerte Johannes Rydberg die Formel von Balmer zur Rydberg-Formel : :

\tilde\nu = R \left(  -  \right) \;\;\;\;mit: m = 1, 2 ... \;\;\;\;und \;\;\;\; n = m+1, m+2...

Bis zu diesem Zeitpunkt waren im Wasserstoffspektrum nur Linien für m = 2 bekannt, d.h. seine Formel war eine Voraussage für noch nicht gefundene Linien! Die Entdeckung einer neuen Serie für m = 1 durch den US-amerikanischen Physiker Theodore Lyman im Jahr 1906 bestätigte Rydbergs Erweiterung. 1906

Das Ritzsche Kombinationsprinzip

Die Formel von Rydberg beschreibt das Wasserstoffspektrum recht genau. Jedoch bei den meisten anderen Atomen liefert sie keine korrekten Ergebnisse. Einen Fortschritt in der Beschreibung der Atomspektren lieferte im Jahr 1908 der Schweizer Mathematiker Walter Ritz. Er entdeckte das nach ihm benannte Ritzsche Kombinationsprinzip: "Durch additive oder subtraktive Kombination, sei es der Serienformeln selbst, sei es der in sie eingehenden Konstanten, lassen sich andere Serienformeln bilden." Vereinfacht ausgedrückt bedeutet dies, dass sich durch zwei bekannte Linien eine mögliche dritte Linie berechnen lässt. Jedoch nicht alle dieser damit berechneten Linien lassen sich beobachten. Welche Linien auch wirklich auftreten, konnte Ritz nicht erklären.

Deutung durch das Bohrsche Atommodell

Die bis zu diesem Zeitpunkt rein empirisch gefundenen Formeln ließen sich erstmals mit dem Bohrschen Atommodell verstehen. Danach sind die Spektrallinien auf den Übergang von Elektronen auf ein anderes Energieniveau zurückzuführen. Mit dem Modell von Bohr erhält man als allgemeine Formel für diese Übergänge: :

\tilde\nu = R \left(  -  \right) \;\;\;\;mit: n \ge m+1

. Das erste Glied in der Klammer, 1/m², ist der so genannte Grundterm. Das zweite, 1/n², wird als Laufterm bezeichnet. Hält man m im Grundterm fest und variiert n im Laufterm, ergeben sich die unten aufgeführten, nach ihren Entdeckern benannten Serien. Mit Ausnahme von Hα, Hβ, Hγ und Hδ liegen sie im ultravioletten bzw. ultraroten Bereich des Frequenzspektrums. Bereits im Bohrschen Atommodell ist, im Gegensatz zur Balmerformel, die Konstante keine rein empirische Größe. Vielmehr lässt sich der Wert direkt auf in die Rechnung eingehende Naturkonstanten zurückführen. Der Index deutet dabei an, dass die Bewegung von Atomkern und Elektron um den gemeinsamen Schwerpunkt berücksichtigt wurde. Auch die Einschränkung auf ganzzahlige Werte für m und n sowie die Bedingung :

n \ge m+1

folgt aus diesem Modell. Die Variablen sind danach Quantenzahlen; m und n sind die Hauptquantenzahlen für den Grundzustand (m) und den angeregten Zustand (n). Termschema (Energieniveauschema) des Wasserstoffs Die Abbildung zeigt das Termschema des Wasserstoffatoms und visualisiert die obigen Formeln: Auf der linken vertikalen Achse ist die Hauptquantenzahl m abgetragen. Auf der rechten vertikalen Achse ist die zugehörige Anregungsenergie vom Grundzustand in eV angegeben. Der Abstand der Energieniveaus ist maßstabsgerecht. In horizontaler Richtung sind für jede Serie exemplarisch die ersten Übergänge eingezeichnet. Die zugehörigen Nebenquantenzahlen n sind in kursiver Schrift darüber angegeben. Der Abstand der Linien zueinander, d.h. in horizontaler Richtung, ist nicht maßstabsgerecht, sondern aus Gründen der Übersichtlichkeit gleich groß gewählt. Die Abbildung verdeutlicht, dass alle Linien einer Serie auf dem gleichen Energieniveau enden. Die Hα-Linie der Balmer-Serie ist somit ein Übergang von m = 3 nach m = 2. Ganz rechts in den Serien ist gepunktet die jeweilige Seriengrenze d.h. :

n \rightarrow \infty

dargestellt. Das Elektron ist dann nicht mehr an dem Atomkern gebunden, das Atom ist ionisiert. Für die Lyman-Serie erhält man mit der Bohrschen Formel eine Energie von 13,6 eV. Auch dieser Wert stimmt mit dem experimentell bestimmten Wert für die Ionisationsenergie des Wasserstoffatoms im Grundzustand gut überein. Die Frage, welche der Linien, die nach dem Ritzschen Kombinationsprinzip möglich sind, auch tatsächlich auftreten, wird durch die Auswahlregeln geklärt. Diese ergeben sich aus quantenmechanischen Rechnungen. Siehe auch: Nebulium Kategorie:Atomphysik ja:バルマー系列

Spektrallinie

Als Spektrallinien bezeichnet man voneinander scharf getrennte Linien eines Spektrums emittierter (Emissionslinien) oder absorbierter (Absorptionslinien) elektromagnetischer Wellen, im engeren Sinne innerhalb des Wellenlängenbereichs des sichtbaren Lichts (Lichtspektrum). Spektrallinien besitzen eine Linienintensität und eine Linienbreite. Spektrallinien sind das von einem Atom oder Molekül aufgrund eines quantenmechanischen Übergangs abgegebene oder absorbierte Licht einer genau definierten Frequenz. Angewandt wird dies bei der instrumentellen Atomspektroskopie oder der Flammenfärbung. Die Frequenz einer Spektrallinie wird durch die Energie des emittierten oder absorbierten Photons bestimmt, die gerade den Unterschied zwischen den Energien der quantenmechanischen Zustände bestimmt. Erstmals entdeckt wurden Absorptionslinien 1802 durch William Hyde Wollaston und 1813, unabhängig von ihm, durch Joseph von Fraunhofer im Spektrum der Sonne. Diese dunklen Linien im Sonnenspektrum werden auch Fraunhofersche Linien genannt. Eine Emissionslinie ergibt sich durch Übergang von einem höheren auf ein tieferes Energieniveau. Hierbei wird ein Photon ausgesendet. Dies kann entweder spontan geschehen (spontane Emission), oder, wie beispielsweise beim Laser, durch Licht passender Frequenz angeregt werden (stimulierte Emission). Sie zeigt sich im Spektrum als helle Linie. Eine Absorptionslinie ergibt sich durch Absorption eines passenden Photons des eintreffenden Lichts, wodurch ein Übergang von einem niedrigeren in ein höheres Energieniveau induziert wird. Sie zeigt sich als dunkle Linie im kontinuierlichen Spektrum des einfallenden Lichtes. Das Licht einer Spektrallinie enthält nicht eine Frequenz, sondern einen (schmalen) Frequenzbereich. Die Breite dieses Bereiches nennt man Linienbreite. Die Linienbreite einer Emissionslinie setzt sich aus mehreren Beiträgen zusammen:
- Die natürliche Linienbreite ergibt sich aus der Lebensdauer des Ausgangszustands durch die Heisenbergsche Unschärferelation. Diese hat die Form einer Lorentzkurve. Es ist nicht möglich, diese zu verringern. Hierbei findet oft auch der Begriff homogene Linienverbreiterung Verwendung.
- Aufgrund der thermischen Bewegung der Atome entsteht ein Dopplereffekt, der das Licht eines einzelnen Atoms oder Moleküls je nach Bewegungsrichtung rot- oder blauverschiebt. Aufgrund der statistischen Bewegung ergibt sich insgesamt eine breitere Frequenzverteilung. Diesen Effekt nennt man Dopplerverbreiterung. Sie hat die Form einer Gaußkurve und ist temperaturabhängig. Meist dominiert die Dopplerbreite deutlich über die natürliche Linienbreite. Der Mechanismus ist auch unter dem Begriff inhomogene Linienverbreiterung bekannt.
- Eine Lorentzkurve endlicher Breite erscheint bei einer Messung gegenüber seiner bekannten Form verändert, wenn die Apparatefunktion der Messanordnung eine Halbwertsbreite in der Größenordnung der betrachteten Lorentzkurve aufweist. Die Linienform läßt sich dann durch die Faltung aus Lorentzkurve und Apparatefunktion beschreiben. Folgt letztere einer Gaußkurve, spricht man bei dem Ergebnis der Faltung von einem Voigt-Profil Die Spektrallinien waren einer der Effekte, die zur Entwicklung der Quantenmechanik beitrugen. Ein klassisches Elektron kann elektromagnetische Wellen beliebiger Frequenzen abgeben, die Existenz von diskreten Linien war klassisch nicht erklärbar. Die Entdeckung, dass die Frequenzen der Spektrallinien des Wasserstoffatoms proportional zu einem Ausdruck der Form (1/n² - 1/m²) mit ganzen Zahlen m und n sind, führte zum Konzept der Quantenzahl und brachte Niels Bohr schließlich auf sein Bohrsches Atommodell, das erste (heute überholte) quantenmechanische Atommodell. Die moderne Quantenmechanik kann die Spektrallinien der Atome mit sehr hoher Genauigkeit vorhersagen. Kategorie:Spektroskopie Kategorie:Atomphysik Kategorie:Astronomie

Spektrum

Ausgehend von der ursprünglichen Bezeichnung für die Darstellung der Spektralfarben in Abhängigkeit von der Wellenlänge bzw. der Frequenz hat der Begriff Spektrum eine komplexere Bedeutung erlangt. Im Besonderen werden unterschieden:
- allgemein: Die Gesamtheit der
- Teilgebiete (Sparten) eines Gebietes (der Wissenschaft, des Handels, der Arbeit, der Forschung u. a. ...)
- Bestandteile eines Gemisches (von Gasen, Flüssigkeiten, Festkörpern, Komponenten u. a.)
- in der Physik und Physikalischen Chemie das Ergebnis der Messwertverteilung einer Messgröße, speziell der Wellenlänge oder der Frequenz. Beispiele:
- das elektromagnetische Spektrum, speziell das Lichtspektrum
- das Linienspektrum (Absorptionsspektrum und Emissionsspektrum)
- eine Energie-Intensitätsverteilung eines Teilchenstromes, zum Beispiel ein Elektronenspektrum
- das Schallspektrum (siehe Akustik, Synthesizer, Vocoder, Formant, Vokaldreieck)
- das Massenspektrum eines Teilchenstrahls
- in der Nautik: Das Spektrum der Energiedichte von Schwerewellen als Seegangsspektrum, Brandungsspektrum
- in der Mathematik:
- in der Funktionalanalysis: siehe Spektrum (Operatortheorie)
- in der kommutativen Algebra: siehe Spektrum eines Ringes
- in der algebraischen Geometrie: siehe Spektrum einer Algebrengarbe
- in der Linearen Algebra die Menge der Eigenwerte: siehe Eigenwertproblem
- in der Politik das politische Spektrum
- die Zeitschrift Spektrum der Wissenschaft ja:スペクトル ko:스펙트럼

Wasserstoff

Wasserstoff ist das chemische Element mit der Ordnungszahl 1 und wird durch das Elementsymbol H abgekürzt (für lateinisch hydrogenium „Wassererzeuger“; von altgriechisch υδωρ „Wasser“ und γεννάει „erzeugen“). Im Periodensystem steht es in der 1. Periode und der 1. Gruppe, nimmt also den ersten Platz ein. Wasserstoff ist das leichteste und das häufigste aller chemischen Elemente. Es ist Bestandteil des Wassers und aller organischen Verbindungen; insbesondere kommt es in sämtlichen lebenden Organismen vor.

Eigenschaften

Wasserstoff ist mit nur einem Proton und einem Elektron das leichteste der chemischen Elemente. Unter Normalbedingungen ist Wasserstoff gasförmig und als solches sowohl farb- als auch geruchlos. Man unterscheidet zwischen atomarem Wasserstoff (H) und der dimerisierten Form, dem molekularen Wasserstoff (H₂). Unter den Bedingungen, die normalerweise auf der Erde herrschen, kommt Wasserstoff nur in der dimerisierten, molekularen Form vor.

Physikalische Eigenschaften

Molekularer Wasserstoff (H₂) ist ein geruchloses und farbloses Gas und etwa 14-mal leichter als Luft. Sein Siedepunkt liegt bei 20,27 Kelvin, der Schmelzpunkt bei 14,02 Kelvin. Das Diffusionsvermögen ist aufgrund der geringen Molekülmasse das höchste aller Gase und führt zu einer Reihe von technischen Problemen beim Umgang mit Wasserstoff. Beispielsweise vermag er durch die Wände von Stahlbehältern zu diffundieren und auf diese Weise langsam auszutreten. Seine Wärmeleitfähigkeit liegt ebenfalls über der anderer Gase. Die ersten Spektrallinien im sichtbaren Bereich, zusammengefasst in der so genannten Balmer-Serie, liegen bei 656 nm, 486 nm, 434 nm und 410 nm. Daneben gibt es weitere Serien von Spektrallinien im Infrarot- und eine im Ultraviolettbereich des elektromagnetischen Spektrums. Eine besondere Bedeutung in der Radioastronomie hat die 21-Zentimeter-Linie in der Hyperfeinstruktur. In einem magnetischen Feld verhält sich H₂ sehr schwach diamagnetisch. Das bedeutet, die Dichte der Feldlinien eines extern angelegten Magnetfeldes nimmt in der Probe ab. Die magnetische Suszeptibilität ist bei Normdruck

\chi_m

= 9,9x10^-9 und typischerweise einige Größenordnungen unter der von diamagnetischen Festkörpern. Gegenüber elektrischem Strom ist H₂ ein Isolator. In einem elektrischen Feld hat er eine Durchschlagsfestigkeit von mehreren Millionen Volt pro Meter.

Aggregatzustände

Bei Temperaturen unterhalb von 20,27 Kelvin verflüssigt sich das Gas und bildet eine klare, farblose Flüssigkeit. Anders als bei Helium tritt bei einfachem Wasserstoff keine Suprafluidität auf. Prinzipiell kann aber das Isotop Deuterium (²H) suprafluid werden. Senkt man die Temperatur weiter, gefriert Wasserstoff bei 14,02 Kelvin und bildet einen kristallinen Festkörper mit hexagonal dichtester Kugelpackung (hcp), wobei ein Atom von zwölf weiteren umgeben ist. Der Tripelpunkt des Wasserstoffs, bei dem seine drei Aggregatzustände gleichzeitig vorkommen, ist einer der Fixpunkte der Internationalen Temperaturskala. Er liegt bei einer Temperatur von exakt 13,8033 Kelvin. Unter extremen Bedingungen, wie sie innerhalb von Sternen herrschen, wird Wasserstoff metallisch. Dabei wird er elektrisch leitend. Über diesen Aggregatzustand sind nur wenige experimentelle Daten vorhanden, denn die Erzeugung ist im Labor äußerst schwierig und der Zustand sehr kurzlebig. Dennoch gelang 1996 einer Forschungsgruppe am Lawrence Livermore National Laboratory unerwartet der Nachweis der Existenz des metallischen Wasserstoffs. Der Zustand bestand etwa eine Mikrosekunde lang. Man vermutet, dass unter hohem Druck entstandener metallischer Wasserstoff teilweise in dieser Form bestehen bleibt, wenn er wieder in eine Umgebung mit Normalbedingungen zurückgeführt wird. Stellt sich das als wahr heraus, könnte metallischer Wasserstoff in Zukunft ein hochinteressanter Werkstoff mit bemerkenswerten Eigenschaften sein. Sind die Temperaturen und Drücke wie im Weltraum sehr niedrig, liegt in der Regel atomarer Wasserstoff vor. Die atomare Form ist sehr reaktiv und geht unter Normalbedingungen sofort Verbindungen ein (meist zu H₂).

Chemische Eigenschaften

Weltraum Wasserstoff im status nascendi, der unmittelbar nach einer Wasserstoff darstellenden Reaktion entsteht, existiert nur für höchstens 0,5 Sekunden. Innerhalb dieser Zeitspanne reagieren in der Regel zwei H-Atome miteinander. Bei diesem Zusammenschluss zu Wasserstoffmolekülen (H₂) wird sehr viel Energie pro Mol freigesetzt. Im Umkehrschluss muss diese Energie (man spricht in diesem Fall von Atomisierungsenthalpie) aufgebracht werden, um molekularen Wasserstoff in die Atome zu zerlegen: :

\mathrm

:Zwei H-Atome reagieren zu einem H₂-Molekül und setzen dabei Energie frei. Auch nach diesem Zusammenschluss liegt der Wasserstoff für kurze Zeit in einem elektronisch angeregten Zustand vor und kann so - abweichend vom "normalen" chemischen Verhalten - für verschiedene Reaktionen genutzt werden. So gelingt es zum Beispiel nicht, mit Hilfe von im Kippschen Apparat erzeugten Wasserstoff, in einer angesäuerten, violetten Kaliumpermanganatlösung (KMnO₄) oder gelben Kaliumdichromatlösung (K₂Cr₂O₇) Farbwechsel hervorzurufen. Mit direkt in diesen Lösungen, durch Zugabe von Zinkpulver generiertem Wasserstoff in statu nascendi gelingt die reduktive Farbänderung. :

\mathrm

:Nascierender Wasserstoff vermag unter sauren Bedingungen violette Permanganatlösung zu entfärben. :

\mathrm

:Unter sauren Bedingungen wird gelbe Dichromatlösung grün durch die reduktive Wirkung des nascierenden Wasserstoffs. Bei Zimmertemperatur ist Wasserstoff vergleichsweise wenig reaktiv und beständig. Gemischt mit Sauerstoff oder Chlor reagiert er jedoch explosionsartig. Bei hohen Temperaturen wird das Gas reaktionsfreudig und geht mit Metallen und Nichtmetallen gleichermaßen Verbindungen ein. Mit Chlor reagiert Wasserstoff exotherm unter Bildung von gasförmigem Chlorwasserstoff, welches in Wasser gelöst Salzsäure ergibt. Beide Gase reagieren dabei mit gleichen Stoffmengenanteilen: :

\mathrm

:je ein Chlor- und Wasserstoffmolekül reagieren zu zwei Chlorwasserstoffmolekülen Diese Reaktion ist unter dem Namen Chlorknallgasreaktion bekannt, welche sich im Gegensatz zur Knallgasreaktion (Wasserstoff und Sauerstoff) schon durch die Bestrahlung mit Licht zünden lässt.

Wasserstoffbrückenbindung

Eine wichtige Eigenschaft des Wasserstoffs ist die sogenannte Wasserstoffbrückenbindung, eine anziehende elektrostatische Kraft zwischen zwei Molekülen. Ist H an ein stark elektronegatives Atom gebunden, so befindet sich sein Elektron eher in der Nähe des Bindungspartners. Es tritt also eine Ladungsverschiebung auf und das H-Atom wirkt nun positiv geladen. Der Bindungspartner wirkt entsprechend negativ. Kommen sich zwei solche Moleküle nahe genug, tritt eine anziehende elektrische Kraft zwischen dem positiven H-Atom des einen Moleküls und des negativen Teils des anderen auf. Das ist eine Wasserstoffbrücke. Da die Wasserstoffbrückenbindung schwächer ist als die Bindungskraft innerhalb eines Moleküls, verbinden sich die Moleküle nicht dauerhaft. Vielmehr bleibt die Wasserstoffbrücke nur Bruchteile einer Sekunde bestehen. Dann lösen sich die Moleküle voneinander, um erneut eine Wasserstoffbrückenbindung mit einem anderen Molekül einzugehen. Dieser Vorgang wiederholt sich ständig. Die Wasserstoffbrückenbindung ist für viele Eigenschaften verschiedener Verbindungen verantwortlich, wie etwa DNS oder Wasser. Bei letzterem führen diese Bindungen u.a. zu der Dichteanomalie.

Van-der-Waals-Bindung

Auch bei nichtpolaren Molekülen kann es zu Ladungsverschiebungen kommen, weil manche Atome eine stärkere Affinität zu Elektronen besitzen als andere. Ein solcher Dipol besteht aber nur sehr kurzzeitig. Dennoch wirkt dann zwischen zwei temporär polaren Molekülen eine Anziehung, die sogenannte Van-der-Waals-Bindung. Sie hat eine sehr geringe Reichweite und ist noch schwächer als die Wasserstoffbrückenbindung, tritt dafür aber auch bei nichtpolaren Molekülen auf. Da Wasserstoff mit einer Elektronegativität von 2,1 einen mittleren Wert hat, kann es besonders im Verbund mit Metallen (niedrige Elektronegativität), aber auch im Verbund mit Nichtmetallen (hohe Elektronegativität) zu einer temporären Dipolbildung kommen. Die Van-der-Waals-Bindung tritt also bei Wasserstoffverbindungen relativ häufig auf.

Atom- und kernphysikalische Eigenschaften

Metall Detaillierte quantenmechanische Aspekte finden sich im Artikel Wasserstoffatom. Ein einzelnes Wasserstoffatom besteht aus einem negativ geladenem Elektron, welches über die Coulomb-Wechselwirkung an einen positiv geladenen Kern gebunden ist. Dieser besteht stets aus einem einzelnen Proton und je nach Isotop eventuell noch aus einigen Neutronen. Das Wasserstoffatom ¹H wird aufgrund seines einfachen Aufbaus als „Modellatom“ in der physikalischen Beschreibung der Atome herangezogen. So entstand am Wasserstoffatom das Bohrsche Atommodell, mit dessen Hilfe eine vergleichsweise einfache Beschreibung vieler Eigenschaften des Wasserstoffatoms möglich ist. Man stellt sich dazu vor, dass das Elektron den Kern auf einer von verschiedenen konzentrischen Kreisbahnen umläuft, ähnlich wie die Planeten die Sonne umlaufen. Laut Bohr besitzt das Elektron aber weiterhin die Möglichkeit, auf andere Bahnen zu springen, wenn es dabei Strahlung abgibt oder aufnimmt. Mit diesem Modell kann man die Spektrallinien des H-Atoms erklären, deren sichtbare Linien bei Wellenlängen 656 nm, 486 nm, 434 nm und 410 nm liegen (Balmer-Serie). Im ultravioletten Bereich liegt die Lyman-Serie mit Wellenlängen von 122 nm, 103 nm, 97 nm und 95 nm. Wichtige Serien im Infraroten sind die Paschen-Serie (1,9 µm; 1,3 µm; 1,1 µm und 1 µm) und die Brackett-Serie (4,1 µm; 2,6 µm; 2,2 µm und 1,9 µm). In allen Serien sind nur die ersten vier Linien angegeben. Bei anderen Atomen oder Betrachtung von Details versagt das Bohrsche Modell aber. Physikalisch korrekter ist die quantenmechanische Beschreibung. Das H-Atom ist das einzige, für das sich das Eigenwertproblem sowohl der nichtrelativistischen Schrödingergleichung als auch der relativistischen Diracgleichung analytisch, das heißt ohne den Einsatz numerischer Verfahren, lösen lässt. Das ist sonst nur für Ionen möglich, denen lediglich ein Elektron verblieben ist (beispielsweise

\mathrm^

\mathrm^

, usw.). Andere quantenmechanische Phänomene bewirken weitere Effekte. Die Feinstruktur der Spektrallinien kommt u. a. daher, dass Bahndrehimpuls und Spin des Elektrons miteinander koppeln. Berücksichtigt man darüberhinaus auch den Kernspin, kommt man zur Hyperfeinstruktur. Eine sehr kleine, aber physikalisch besonders interessante Korrektur durch Vakuumfluktuationen, ist die Lambverschiebung. Durch all diese Korrekturen wird bereits das Spektrum des Wasserstoffs zu einem komplexen Phänomen, dessen Verständnis im Rahmen der Quantenmechanik viel theoretisches Wissen erfordert.

Isotope

Es existieren drei natürlich vorkommende Isotope des Wasserstoffs. Es ist das einzige Element, dessen natürlich vorkommende Isotope eigene Namen haben. Daneben gelang es, vier weitere Isotope künstlich zu erzeugen.

Kernspinzustände im H₂-Molekül

Unter normalen Bedingungen ist Wasserstoffgas H₂ ein Gemisch zweier Molekülarten, die sich durch die "Richtung" ihrer Kernspins unterscheiden. Diese beiden Formen sind als ortho- und para-Wasserstoff bekannt (kurz o- und p-Wasserstoff). Bei o-Wasserstoff haben die Kernspins die gleiche (parallele) Richtung, während sie beim p-Wasserstoff entgegengesetzte (antiparallele) Richtung aufweisen. o-Wasserstoff ist die energiereichere Form. Die beiden Molekülarten hängen über folgende, temperaturabhängige Gleichgewichtsbeziehung miteinander zusammen: :

\mathrm

:Die beiden Formen können unter Energieaufnahme bzw. -abgabe ineinander übergehen. Am absoluten Nullpunkt findet man ausschließlich p-Wasserstoff. Unter Standardbedingungen liegen 25 % des Wasserstoffs als p-Form und 75 % als o-Form vor. Theoretische Berechnungen ergeben, dass der Anteil der o-Form nicht über diesen Anteil hinaus gesteigert werden kann. o- und p-Wasserstoff weisen leicht unterschiedliche physikalische Eigenschaften auf. So liegen beispielsweise der Schmelz- und Siedepunkt der p-Form etwa 0,1 K unter denen der o-Form. Kühlt man Wasserstoff auf -259,2 °C ab, dann geht dieser in einen schlammartigen Zustand, genannt Slush, über. Bei der industriellen Herstellung von flüssigem Wasserstoff spielt obiges Gleichgewicht eine wichtige Rolle. Der Wechsel der Kerne in die antiparallele Orientierung (→ p-Wasserstoff) erfolgt beim Abkühlen nur sehr langsam, da die Wechselwirkungen zwischen den Kernen - genauer gesagt beeinflussen sich die Kerne über ihre magnetischen Momente - nur sehr schwach sind. Deswegen versucht man, die Einstellung des Gleichgewichts durch den Einsatz von Katalysatoren zu beschleunigen.

Geschichte

Entdeckungsgeschichte

Katalysator Entdeckt wurde Wasserstoff vom englischen Chemiker und Physiker Henry Cavendish im Jahre 1766, als er mit Quecksilber und Säuren experimentierte. Als er die beiden Substanzen zusammenbrachte, entstanden im Gemisch kleine Gasbläschen. Bei einer näheren Untersuchung konnte er es nicht als eines der bekannten Gase identifizieren. Obwohl er fälschlicherweise annahm, dass der Wasserstoff ein Bestandteil des Quecksilbers sei (anstatt Bestandteil der Säure), konnte er die Eigenschaften des Gases gut beschreiben. Säure Eine genauere Analyse geschah durch Antoine Lavoisier. Der französische Chemiker entdeckte das Gas im Jahr 1787 unabhängig von Cavendish, als er in einem Experiment zeigen wollte, dass bei chemischen Reaktionen keine Masse verloren geht oder erzeugt wird. Er erhitzte Wasser in einer abgeschlossenen Apparatur und ließ den Dampf an anderer Stelle kondensieren. Dabei stellte er fest, dass die Masse des kondensierten Wassers etwas geringer war als die der ursprünglichen Menge. Dafür entstand ein Gas (H₂), dessen Masse genau der der "verlorengegangenen" Wassermenge entsprach. Sein eigentliches Experiment war also erfolgreich. Lavoisier untersuchte das entstandene Gas weiter und führte die heute als Knallgasprobe bekannte Untersuchung durch, wobei das Gas verbrannte. Er nannte es daher zunächst "brennbare Luft". Als er in weiteren Experimenten zeigte, dass sich aus dem Gas auch umgekehrt Wasser erzeugen lässt, taufte er es als hydro-gène (hydro = Wasser, griechisch; genes = erzeugend). Das Wort bedeutet demnach: "Wasser-Bildner". Die deutsche Bezeichnung lässt auf die gleiche Begriffsherkunft schließen.

Erforschung

Da Wasserstoff das einfachste Element ist, war und ist es Gegenstand intensiver physikalischer Forschung, was entscheidend zur Entwicklung der Atom- und Quantenphysik beigetragen hat. Zu Beginn des 20. Jahrhunderts waren die chemischen Eigenschaften des Wasserstoffs weitgehend bekannt. Allerdings gab es noch keine Begründung für viele dieser Eigenschaften. Niels Bohr konnte mit seinem Atommodell 1913 erstmals das Linienspektrum von Wasserstoff erklären. Bohr bekam dafür den Nobelpreis. Trotz diesem überragenden Erfolg gab das Modell aber noch keine Erklärung für die später beobachtete Aufspaltung der Spektrallinien. Einer der zugehörigen Effekte ist die Aufspaltung aufgrund verschiedener Isotope im Wasserstoff-Gas. Als Harold Clayton Urey (zusammen mit Brickwedde und Murphy) flüssigen Wasserstoff über längere Zeit verdampfen ließ, entdeckte er "schweren Wasserstoff" in dem Rückstand. Als er die Spektrallinien untersuchte, konnte er daraus Deuterium identifizieren. Für seine Entdeckung erhielt er 1934 den Nobelpreis. Tritium wurde im gleichen Jahr von dem Australier Mark Oliphant gefunden. Weitere Effekte wurden von Dirac berücksichtigt. Er entwickelte eine Wellengleichung, die den Spin und die Aussagen der Relativitätstheorie miteinbezieht. 1957 entdeckte Lamb die nach ihm benannte Lambverschiebung: die ständige Erzeugung und Vernichtung virtueller Teilchen (Quantenfluktuation) bewirkt eine geringfügige Verschiebung der Energieniveaus. Gegenwärtig erzeugt man aus Wasserstoff sogenannte exotische Atome, indem Wissenschaftler beispielsweise das Elektron durch ein Myon austauschen (Myonium), oder das Proton durch ein Lambda-Teilchen. Es ist auch gelungen, Antiwasserstoff zu bilden, ein System aus einem Positron und einem Antiproton, also ein komplettes Atom aus Antimaterie. Eine andere Variante ist das Positronium, bei dem anstatt des Protons ein Positron vorhanden ist. Es lässt sich vorstellen, das daraus positronisches Wasser herstellbar ist, bei dem zwei Positronium-Teilchen an ein Sauerstoffatom gebunden sind. Die Forschung in dieser Richtung trägt dazu bei, die Struktur der Materie sowie den Anfang des Universums besser zu verstehen.

Vorkommen

positronisches Wasser Wasserstoff ist das häufigste chemische Element im Weltall. Wasserstoff macht 75 % der gesamten Masse, beziehungsweise 90 % aller Atome im Universum aus.

Außerirdische Vorkommen

Schon kurz nach der Entstehung des Universums waren Protonen und Neutronen in überwältigender Zahl vorhanden. Bei den vorherrschenden hohen Temperaturen vereinigten sich diese zu leichten Atomkernen, wie D und ⁴He. Die meisten Protonen blieben allerdings unverändert und stellten die zukünftigen ¹H-Kerne dar. Nach circa 400.000 Jahren, nachdem sich die Temperatur des Weltalls weit genug abgekühlt hatte, konnten sich Wasserstoff-Atome einfach durch Zusammenschluss der Kerne mit den Elektronen bilden. Zu diesem Zeitpunkt ist das All mit Wasserstoff gefüllt. Mit der weitergehenden Abkühlung des Universums teilte sich die Masse assymetrisch auf und formte Wolken aus Wasserstoffgas. Unter dem Einfluss der Gravitation verdichteten sich diese zunehmend, und unter enormem Druck setzte die Verschmelzung der H-Atome ein. Es entstanden erste Sterne und Sonnen. Dort fusionierten die Wasserstoff-Atomkerne vorrangig zu Helium. Besonders in sehr großen Sternen entstanden aber ebenfalls die schwereren Elemente wie Kohlenstoff, Stickstoff und Sauerstoff, die die Grundbausteine aller bekannten Lebensformen sind. Sterne bestehen hauptsächlich aus Wasserstoff-Plasma. Die Kernfusion von Wasserstoff ¹H über die Zwischenstufen Deuterium ²H und Tritium ³H zu Helium ⁴He in Sternen bildet deren Energiequelle. In unserem Sonnensystem macht der in der Sonne enthaltene Wasserstoff den überwiegenden Großteil der gesamten Masse aus. Aber auch die schwersten Planeten bestehen zu großen Teilen aus Wasserstoff, was den Massenanteil des Elements im Sonnensystem weiter erhöht. Unter den extremen Bedingungen, die in den großen Gasplaneten Jupiter und Saturn herrschen, kann er in metallischer Form existieren. Wahrscheinlich ist der Anteil an metallischem Wasserstoff in den Himmelskörpern noch größer als bisher angenommen. Dieser Zustand ist wegen der elektrischen Leitfähigkeit besonders für die Ausbildung der planetaren Magnetfelder verantwortlich. Außerhalb unseres Sonnensystems kommt Wasserstoff auch in gigantischen Gaswolken vor. In den sogenannten H-I-Gebieten liegt das Element nichtionisiert und molekular vor. Diese Gebiete emittieren Strahlung von etwa 1420MHz, die 21cm-Linie, die von Übergängen des Gesamtdrehimpulses herrührt. Sie spielt eine wichtige Rolle in der Astronomie und dient dazu, Wasserstoffvorkommen im All zu lokalisieren und zu untersuchen. Ionisierte Gaswolken mit atomarem Wasserstoff nennt man dagegen H-II-Gebiete. In diesen Gebieten findet die Entstehung neuer Sterne statt. Mit ihrer Hilfe lassen sich Rückschlüsse ziehen auf die Zusammensetzung in der Nähe befindlicher Galaxien. Wegen ständiger Ionisation und Rekombination der Atome senden sie mitunter sichtbare Strahlung aus, die oft so stark ist, dass man diese Gaswolken mit bloßem Auge sehen kann.

Irdische Vorkommen

Auf der Erde ist der Massenanteil wesentlich geringer. Außerdem liegt - im Gegensatz zu den Vorkommen im All - der irdische Wasserstoff überwiegend gebunden und nur selten rein vor. Von keinem anderen Element sind so viele Verbindungen bekannt; die häufigste ist Wasser.

Erdkruste

Das Element kommt aber auch in allen Lebewesen, in Erdöl, Erdgas und in vielen Mineralen vor. Andere natürliche Vorkommen sind Kohle und natürliche Gase, beispielsweise Methan (CH₄).

Salz- und Süßwasser

Der wahrscheinlich größte Anteil irdischen Wasserstoffs kommt in der Verbindung Wasser vor. In dieser Form bedeckt er zu über zwei Dritteln die Erdoberfläche. Die gesamten Wasservorkommen der Erde belaufen sich auf circa 1.386 Milliarden km³. Davon entfallen 1.338 Milliarden km³ (96,5 %) auf Salzwasser in den Ozeanen. Die verbliebenen 3,5 % liegen als Süßwasser vor. Davon befindet sich widerum der größte Teil im festen Aggregatzustand: in Form von Eis in der Arktis und Antarktis sowie in den Permafrostböden v.a. in Sibirien. Der geringe restliche Anteil ist flüssiges Süßwasser und findet sich meist in Seen und Flüssen, aber auch in unterirdischen Vorkommen, etwa als Grundwasser. In den gesamten Wasservorräten ist eine unvorstellbare Menge Wasserstoff enthalten. Daher gilt H₂, das das Brennmaterial bei einer Kernfusion darstellt, als praktisch unbegrenzt vorhandene Energiequelle.

Atmosphäre

In der Erdatmosphäre liegt Wasserstoff nur in Konzentrationen unter 1 ml/m³ vor. Auch hier kommt er überwiegend als Wasserdampf (an Sauerstoff gebunden) vor. Die prozentuale Häufigkeit von ungebundenem, molekularem Wasserstoff beträgt etwa 0,083 %. Der geringe Anteil folgt aus der geringen Molekülmasse. Bei einer mittleren Temperatur der Atmosphäre von 20 °C bewegen sich die H₂-Teilchen im Durchschnitt mit fast 7000 km/h. Das ist rund ein Sechstel der Fluchtgeschwindigkeit auf der Erde. Aufgrund der Maxwell-Boltzmann-Verteilung der Geschwindigkeiten der H₂-Moleküle gibt es aber dennoch eine beträchtliche Zahl von Molekülen, die die Fluchtgeschwindigkeit trotzdem erreichen. Befinden sich diese in den oberen Schichten der Atmosphäre, können sie aus der Gashülle entweichen. Dabei kühlt das verbliebene Wasserstoffgas ab, wird aber durch Sonneneinstrahlung erneut erwärmt. Weitere H₂-Moleküle kommen aus darunterliegenden Schichten nach, und es entweicht wieder ein bestimmter Anteil, bis letztlich nur noch Spuren des Elements in der Atmosphäre vorhanden sind. Bei diesem geringen Anteil stellt sich ein Gleichgewicht zwischen Entweichen und Neuproduktion (etwa aus dem Meer) ein.

Verwendung

Jedes Jahr werden weltweit mehr als 600 Milliarden Kubikmeter Wasserstoff produziert. Das Element hat zahllose Anwendungen in Industrie und Technik. Wichtige Einsatzgebiete sind:
- Energiespeicher: Beim Schweißen, als Raketentreibstoff, in neuerer Zeit immer mehr in Form von Brennstoffzellen. Auch als Kraftstoff für Strahltriebwerke oder Verbrennungsmotoren kann Wasserstoff verwendet werden - dieser Weg wird vor allem von der Firma BMW verfolgt.
- Reduktionsmittel: H₂ kann mit Metalloxiden reagieren und ihnen dabei den Sauerstoff entziehen. Es entsteht Wasser und das reduzierte Metall. Das Verfahren wird insbesondere bei metallischen Erzen angewandt, um das reine Metall zu gewinnen, und wird deshalb im Bergbau stark genutzt. Mit einem ähnlichen Verfahren kann man auch Stickoxide zu Stickstoff umwandeln (Haber-Bosch-Synthese).
- Kohlehydrierung: Durch verschiedene chemische Reaktionen wird Kohle mit H₂ in flüssige Kohlenwasserstoffen überführt. So lassen sich Benzin, Diesel und Heizöl künstlich herstellen. Momentan hat das Verfahren kaum wirtschaftliche Bedeutung. Das könnte sich aber drastisch ändern, sobald die Ölvorräte der Erde zur Neige gehen.
- Fetthärtung: Gehärtetes Fett wird oft aus Pflanzenöl mittels Hydrierung gewonnen und bildet sogenannte Transfettsäuren. Dabei werden Doppelbindungen in den Fettsäure-Ketten der Fettmoleküle mit Wasserstoff abgesättigt. Die entstandenen Moleküle haben einen höheren Schmelzpunkt, wodurch das Produkt fest wird. Auf diese Weise stellt man Margarine her.
- Kühlmittel: Aufgrund seiner hohen Wärmekapazität benutzt man Wasserstoff in Kraftwerken und industriellen Anlagen als Kühlmittel. Insbesondere setzt man H₂ dort ein, wo eine Flüssigkeitskühlung problematisch werden kann. Die Wärmekapazität kommt dort zum tragen, wo das Gas nicht oder nur langsam zirkulieren kann. Weil die Wärmeleitfähigkeit ebenfalls hoch ist, verwendet man strömendes H₂ auch zum Abtransport von thermischer Energie in große Reservoire (z. B. Flüsse). In diesen Anwendungen schützt Wasserstoff die Anlagen vor Überhitzung und erhöht die Effizienz.
- Cryogen: Wegen der hohen Wärmekapazität eignet sich flüssiger Wasserstoff als Cryogen, also als Kühlmittel für extrem tiefe Temperaturen. Auch größere Wärmemengen können von flüssigen Wasserstoff gut absorbiert werden, bevor eine merkliche Erhöhung in seiner Temperatur auftritt. So wird die tiefe Temperatur auch bei äußeren Schwankungen aufrechterhalten. Eine wichtige Anwendung findet sich beispielsweise bei der Supraleitung. Supraleitende Magnete erzeugen extrem starke Felder und werden in Teilchenbeschleunigern oder Tomografen eingesetzt.
- Traggas: In Ballons und Luftschiffe fand Wasserstoff eine seiner ersten Verwendungen. Wegen der leichten Entzündlichkeit von H₂-Luft-Gemischen führte dies jedoch wiederholt zu Unfällen. Die größte Katastrophe in diesem Zusammenhang ist wohl das Unglück der „Dixmude“ 1923, am bekanntesten wurde sicherlich die „Hindenburg-Katastrophe“ im Jahr 1937. Wasserstoff als Traggas wurde mittlerweile durch Helium ersetzt und erfüllt diesen Zweck nur noch in sehr speziellen Anwendungen. Die beiden natürlichen Isotope haben spezielle Einsatzgebiete. Deuterium verwendet man in Kernkraftwerken als Moderator. In der Verbindung als schweres Wasser bremst Deuterium schnelle Neutronen auf thermische Energien ab, so dass sie für weitere Spaltungen zur Verfügung stehen. Zu schnelle Neutronen können keine Kernspaltung auslösen und gehen dem Reaktor verloren. Daher ist die Verwendung eines Moderators wichtig für die Funktionsfähigkeit eines Kernkraftwerks. Außerdem werden deuterierte Lösungsmittel in der magnetischen Kernresonanzspektroskopie benutzt, da Deuterium einen Kernspin von null besitzt und daher in NMR-Spektren nicht sichtbar ist. In der Chemie und Biologie helfen Deuteriumverbindungen bei der Untersuchung von Isotopeneffekten (Isotopenmarkierung). Das radioaktive Isotop Tritium wird in Kernreaktoren in industriell verwertbaren Mengen hergestellt. In der zivilen Nutzung dient es in Biologie und Medizin als radioaktiver Marker. So lassen sich beispielsweise Tumorzellen aufspüren. In der Physik ist es einerseits selbst Forschungsgegenstand, andererseits untersucht man mit hochbeschleunigten Tritiumkernen schwere Kerne oder stellt künstliche Isotope her. Mit Hilfe der Tritium-Methode lassen sich Wasserproben sehr genau datieren. Mit einer Halbwertszeit von etwa 12 Jahren eignet es sich besonders für die Messung relativ kurzer Zeiträume (bis zu einigen hundert Jahren). Unter anderem lässt sich so das Alter teurer Weine feststellen. Es findet auch Verwendung als langlebige, zuverlässige Lichtquelle (Tritium leuchtet bläulich-grünlich) vor allem in militärischen Anwendungen. Weitere militärische Verwendung findet das Isotop in der Wasserstoffbombe und gewissen Ausführungen von Kernwaffen, deren Wirkung auf Spaltung beruht.

Rolle in der Energieversorgung

Einen besonderen Stellenwert hat Wasserstoff in der Energiewirtschaft. So sind beispielsweise die wichtigen Energieträger Erdöl und Erdgas Wasserstoffverbindungen. Aber auch mit dem Element selbst verbindet man Hoffnung auf eine Wasserstoffwirtschaft. Zwei Technologien sind in dieser Richtung wegweisend: die Brennstoffzelle und die Kernfusion.

Brennstoffzelle

Hauptartikel: Brennstoffzelle Wasserstoff wird an der Anode mit Hilfe eines Katalysators in Kationen (in diesem Fall Protonen) umgewandelt. Dies geschieht unter Abgabe der Elektronen an die Anode. So beginnt ein elektrischer Strom von der Anode zur Kathode zu fließen. An der Kathode wird das Oxidationsmittel, in der Regel Sauerstoff, durch Aufnahme der Elektronen zu Anionen (O^2-). Die negativen Sauerstoff-Ionen reagieren mit den zur Kathode gewanderten H⁺-Ionen zu Wasser. Die auftretenden Reaktionen sind in den folgenden Gleichungen wiedergegeben: Wasser
- Anode: :

\mathrm

:Oxidation / Elektronenabgabe
- Kathode: :

\mathrm

\mathrm

:Reduktion / Elektronenaufnahme
- Gesamtreaktion: :

\mathrm

:Redoxreaktion / Zellreaktion Einige Punkte auf dem Weg zur praktischen Nutzung stellen folgende Ereignisse dar:
- Am 13. April 1994 stellt die Daimler-Benz AG das erste Brennstoffzellen-Fahrzeug NECAR 1 (New Electric Car) der Öffentlichkeit vor. Im Mai 1997 präsentiert die Firma den Stadtomnibus NEBUS mit Brennstoffzellenantrieb.
- 2004 wird das Wasserstoff-Leichtmobil Hysun3000 vom TÜV zugelassen.
- Am 26. Juni 2005 findet der „Eco-Marathon“ in Ladoux statt. Das PAC-II Car braucht nur 8 Liter Wasserstoff, um einmal um den Erdball zu fahren. Entwickelt wurde es von der ETHZ.

Kernfusion

ETHZ Hauptartikel: Kernfusion Schon bald nach den Anfängen der Kernphysik im ersten Viertel des 20. Jahrhunderts, wurde die Aufmerksamkeit der Physiker auf die Energiegewinnung gelenkt. Neben der Kernspaltung wurde auch der Weg einer Verschmelzung der Kerne, die Kernfusion, erforscht. Die ersten gefundenen Reaktionen sind die Proton-Proton-Reaktionen, bei denen Wasserstoffkerne direkt zu Helium verschmelzen. Das konnte die Energiegewinnung in leichten Sternen, wie unserer Sonne, größtenteils erklären. Zwischen 1937 und 1939 entwickelten Hans Bethe und Carl Friedrich von Weizsäcker eine Theorie zur Kernfusion in sehr schweren Sternen, den nach ihnen benannten Bethe-Weizsäcker-Zyklus. Darin spielt Wasserstoff die überwiegende Rolle in der Energiegewinnung. Er wird aber nicht direkt zu Helium verschmolzen, sondern fusioniert in verschiedenen Reaktionen mit Kohlenstoff, Stickstoff und Sauerstoff. Am Ende des Zyklus entsteht Helium; die anderen Elemente wirken als Katalysatoren. Während des Kalten Krieges bauten die Großmächte ihre nuklearen Waffenarsenale aus. Der Schritt zu den Fusionswaffen gelang zuerst den USA: basierend auf der Atombombe, die ihre Energie aus der Kernspaltung bezieht, konstruieren amerikanische Forscher unter Edward Teller die Wasserstoffbombe. In ihr wird durch die Kernfusion ein Vielfaches der Energie einer Uranbombe freigesetzt. 1952 testen die Vereinigten Staaten die erste Wasserstoffbombe auf einer kleinen Pazifikinsel. Es war die erste vom Menschen erzeugte Kernfusion. In der Bombe lief unter anderem folgende Kernreaktion ab: :

\mathrm

:Die Verschmelzung von Tritium und Deuterium erzeugt Helium, ein Neutron und Energie. Damit diese Reaktion aufrechterhalten werden kann, ist dem Fusionsmaterial das Lithiumisotop ⁶Li beigemengt. Die in der Primärreaktion freiwerdenden Neutronen regen die Umwandlung von Lithium in Tritium an: :

\mathrm

:Der Neutronenbeschuss von Lithium erzeugt Helium und den Fusionsbrennstoff Tritium. Neben der militärischen forschten die Physiker auch an einer friedlichen Nutzung der Kernverschmelzung. Früh entwickelten sie verschiedene Vorschläge zur Energiegewinnung durch Fusion. Die gewaltigen Temperaturen, die zu einer Kernfusion nötig sind, bereiten bei einer kontrollierten Reaktion aber nach wie vor Schwierigkeiten. Vor einigen Jahrzehnten wurden die ersten Forschungsreaktoren errichtet, die Wasserstoff zu Helium verschmelzen sollen. Mittlerweile existieren einige dieser Vorrichtungen; beispielsweise JET und ITER (im Bau) in Europa und ein deutscher Tokamak-Reaktor in Garching. Bis diese Technologie aber industriell ausgereift ist, vergeht wohl noch viel Zeit.

Gewinnung

Hauptartikel: Wasserstoffherstellung

Molekularer Wasserstoff

Einfache chemische Prozesse zur Produktion von H₂ sind die Reaktion verdünnter Säuren mit unedlen Metallen (z. B. Zink) oder die Zersetzung des Wassers durch Alkalimetalle. In der Praxis lassen sich damit aber nur geringe Mengen des Gases herstellen. Eine Methode zur industriellen Gewinnung von molekularem Wasserstoff ist die Dampfreformierung. Unter hoher Temperatur und hohem Druck werden Kohlenwasserstoffe, wie fossile Energieträger und Biomasse, mit Wasser zur Reaktion gebracht. Beide Verbindungen setzen Wasserstoff frei. Allerdings entsteht bei diesem Prozess das giftige Kohlenmonoxid (CO), das in einer zweiten Reaktion mit dem überschüssigen Wasser erneut H₂ erzeugt. Die zweite gängige Methode in der Industrie ist die partielle Oxidation. Hierbei reagiert meistens Erdgas mit Sauerstoff unter Bildung von H₂ und Kohlenmonoxid. In diesem Verfahren wird Kohlenmonoxid aber nicht unschädlich gemacht und bleibt deshalb als giftiges Nebenprodukt zurück. Eine alte und effiziente Möglichkeit zur Wasserstoffgewinnung ist die Elektrolyse von Wasser. Dabei wird Wasser mit Hilfe von elektrischem Strom in Wasserstoff und Sauerstoff zersetzt. :

\mathrm

:Wasser wird durch elektrischen Strom in Wasserstoff und Sauerstoff gespalten. Meist wird dem Wasser ein wenig Säure zur Katalyse der Reaktion zugesetzt. An der Kathode entsteht Wasserstoffgas, an der Anode Sauerstoffgas, im Verhältnis 2:1. Diese Reaktion lässt sich mit Solarstrom recht ökonomisch durchführen. Eine sehr moderne Methode ist das Kværner-Verfahren. Dabei zerlegt ein Plasmabrenner Kohlenwasserstoffe zu Kohlenstoff und Wasserstoff und erreicht dabei enorm hohe Wirkungsgrade. Ein anderes modernes Verfahren bedient sich der Grünalgen. Hier kommen biologische Prozesse zum Einsatz. Die benötigte Energie entnehmen die Algen einfach dem Sonnenlicht. Das Verfahren ist also sehr ökonomisch und ökologisch zugleich.

Atomarer Wasserstoff

Der atomare Wasserstoff kann durch Energiezufuhr aus dem molekularen Element erzeugt werden. Methodisch wird dieses bewerkstelligt durch die Erhitzung auf mehrere tausend Grad, elektrische Entladung bei hoher Stromdichte und niedrigem Druck, Bestrahlung mit Ultraviolettlicht, Beschuss mit Elektronen bei 10 bis 20 Elektronenvolt sowie Mikrowellenstrahlung. :

\mathrm

:Durch Energiezufuhr zerfällt molekularer Wasserstoff in die atomare Form. Zur Darstellung von größeren Mengen atomaren Wasserstoffs sind das Woodsche Darstellungsverfahren (Robert Williams Wood, 1898) und dasjenige von Irving Langmuir besonders geeignet.

Sicherheitshinweise

Wasserstoff ist ein hochentzündliches Gas. Gemäß EU-Vorschrift wird er mit dem Kürzel F+ als Gefahrstoff gekennzeichnet. Nach DIN EN 1089-3 werden H₂-Druckgasflaschen mit roter Flaschenschulter und rotem Flaschenkörper versehen. In geringen Mengen ist Wasserstoff für Menschen ungiftig. In hohen Konzentrationen können allerdings Bewegungsstörungen auftreten. Weitere Exposition kann zur Bewusstlosigkeit und schließlich zum Erstickungstod führen. In einem solchen Falle ist die betroffene Person (unter Selbstschutz) an die frische Luft zu bringen und ein Arzt hinzuzuziehen. Bei einem Atemstillstand muss die Person künstlich beatmet werden. Beim Mischen mit Luft zu vier bis 76 Volumenprozent (Vol.-%) Wasserstoff entsteht Knallgas, das bereits durch einen wenig energiereichen Funken zur Explosion gebracht werden kann. In einem ausgewogenen Mischungsverhältnis von O₂ und H₂ kann eine Knallgasexplosion verheerende Wirkung haben. In jedem Fall ist darauf zu achten, keine leicht entzündlichen Materialien oder offene Flammen in der Nähe zu lagern. H₂ reagiert auch heftig mit Chlor (Chlorknallgas) und Fluor. Wird molekularer Wasserstoff in einfachen Metalltanks gelagert, so kommt es wegen der geringen Molekülgröße zu Diffusion, das heißt Gas tritt langsam durch die Gefäßwände aus. Dies ist bei der Speicherung problematisch, insbesondere für Wasserstoff-betriebene Fahrzeuge, wenn diese lange an einem abgeschlossenen Platz (Garage, Tiefgarage) stehen. (Siehe dazu den nächsten Abschnitt: Speicherung.) Zudem rechnet man beim Betanken mit relativ hohen Verlusten von einigen Prozent der Gesamtmenge. Flüssiger Wasserstoff in Metalltanks neigt bei Beschädigungen oder Lecks zur Selbstentzündung. Der Austausch von Wasserstoff-Isotopen in chemischen Verbindungen kann die Toxizität der entsprechenden Verbindung beeinflussen. So ist Schweres Wasser (D₂O) - das Isotop ¹H wurde gegen ²H (Deuterium) ausgetauscht - im Vergleich zu Wasser giftig für viele Lebewesen. Die für Menschen gefährliche Menge ist aber recht groß und im Regelfall kaum zu erreichen.

Speicherung

Hauptartikel: Wasserstoffspeicherung Ehemalige Bedenken, Wasserstoff eigne sich nicht als Kraftstoff für Fahrzeuge, weil die Speicherung noch nicht zufriedenstellend geklärt sei, sind längst ausgeräumt. In den letzten Jahren hat sich speziell in diesem Bereich sehr viel getan. Es gibt mittlerweile neue Techniken zum Aufbau von Wasserstoff-Tanks. Darüber hinaus sind Materialien verfügbar, die auch stärksten Belastungen standhalten. Im Laufe der Entwicklung von Speichermedien für Wasserstoff gab es eine Vielzahl von Methoden, denen zum Teil hervorragende Aussichten zugesprochen wurden. Zur Zeit gibt es jedoch nur drei wirklich aussichtsreiche Speichermethoden:
- die Speicherung von gasförmigem Wasserstoff in Druckbehältern,
- die Speicherung von flüssigem Wasserstoff in vakuumisolierten Behältern,
- die Einlagerung von Wasserstoff in Metallhydriden oder in Kohlenstoff-Nanoröhren; in letzteren aber wohl nicht mehr [http://zeus.zeit.de/text/2004/20/T-Nanor_9ahrchen] Die ersten beiden Methoden erlauben eine einfache Wiedergewinnung, jedoch sind sie problematisch im Hinblick auf die Sicherheitskriterien. Bei einem Unfall mit H₂-betriebenen Fahrzeugen können die Behälter leicht beschädigt werden und eventuell explodieren. Austretender Wasserstoff ist hochentzündlich und fördert die Brand- oder Explosionsgefahr. Die Druckbehälter müssen also ausreichend gegen Beschädigungen gesichert werden, was zusätzlichen Materialaufwand und größeres Gewicht bedeutet. Die Speicherung in Hydriden und Nanoröhren ist dagegen sehr sicher. Die Tanks sind allerdings sehr schwer, in einem 200-kg-Tank können nur etwa 2 kg Wasserstoff gespeichert werden, was energetisch etwa 8 Litern Benzin entspricht. Auch ist die Rückgewinnung gasförmigen Wasserstoffs komplizierter, v. a. in größeren Mengen zur gleichen Zeit. Die dazu verwendete Technik erfordert hohes technisches und physikalisches Verständnis und hochwertige Bauteile. Diese Form der Speicherung kann daher sehr teuer werden. Viele ehemalige Probleme der Wasserstoffspeicherung wurden in den vergangenen Jahren gelöst. Die Brennstoffzelle ist mittlerweile die aussichtsreichste Technologie für zukünftige Energiegewinnung aus Wasserstoff. Es ist zu erwarten, dass die verbleibenden Schwierigkeiten in naher Zukunft überwunden werden.

Nachweis

Molekularen Wasserstoff kann man durch die Knallgasprobe nachweisen. Dabei wird eine kleine, beispielsweise während einer Reaktion aufgefangene Menge eines Gases, in einem Reagenzglas entzündet. Wenn danach ein dumpfer Knall, ein Pfeifen oder ein Bellen zu hören ist, so ist der Nachweis positiv (das heißt, es war Wasserstoff in dem Reagenzglas). Der Knall kommt durch die Reaktion von Wasserstoffgas mit dem Luftsauerstoff zustande: :

\mathrm

(exotherme Reaktion) :Wasserstoff reagiert mit Sauerstoff zu Wasser Mit der gleichen Reaktion verbrennt Wasserstoff mit einer blauen Flamme, wenn man ihn gleich nach dem Austreten laufend entzündet (Pfeifgas). Die Knallgasprobe ist die „klassische“ Methode zum Nachweis und ist besonders in Schulversuchen beliebt. Sehr viel genauer lässt sich das Element mit Hilfe der Kernspinresonanzspektroskopie (kurz NMR; nuclear magnetic resonance) nachweisen, die daher bevorzugt im Laborbetrieb angewandt wird. Dabei macht man sich quantenmechanische Gegebenheiten zu Nutze: Der Kernspin eines Wasserstoffatoms kann sich in einem angelegten äußeren Magnetfeld unterschiedlich ausrichten. Dadurch liegt der Atomkern in einem von zwei möglichen Energiezuständen vor, deren Differenz um so größer ist, je stärker das äußere Magnetfeld ist. Diese Differenz ist charakteristisch für jedes Element und kann durch Strahlungsanregung gemessen werden.

Verbindungen

Wasserstoff geht mit den meisten chemischen Elementen Verbindungen mit der allgemeinen Summenformel EH_n (n = 1, 2, 3, 4) ein. Einige wenige dieser Elementwasserstoffe sind nur in Form so genannter Addukte wie L_m · EH_n (L steht für einen Liganden, wie zum Beispiel PR₃ (Phosphor-organische Verbindungen) oder CO (Kohlenmonoxid)) bekannt. Wasserstoff kann in Verbindungen sowohl positive als auch negative Ladungsanteile tragen. Das ist abhängig davon, ob der Bindungspartner eine höhere oder eine niedrigere Elektronegativität als Wasserstoff (2,2) besitzt. Eine Grenze zwischen den beiden Verbindungstypen lässt sich nicht scharf im Periodensystem ziehen, da zum Beispiel das Säure-Base-Verhalten mit berücksichtigt werden muss. Eine mehr oder weniger willkürliche Betrachtung besagt, dass Wasserstoffverbindungen der Elemente Bor, Silizium, Germanium, Zinn und Blei sowie alle links davon negativ polarisierten Wasserstoff beinhalten, Verbindungen mit Kohlenstoff, Phosphor, Arsen, Antimon, Bismut und allen Elementen rechts davon positiv polarisierten. Entsprechend lässt sich bei Monosilan (SiH₄) die Oxidationszahl für Silizium auf +4 (Wasserstoff dementsprechend -1), in Methan (CH₄) für Kohlenstoff auf -4 (Wasserstoff +1) festlegen. Zur Darstellung von Wasserstoffverbindungen EH_n werden hauptsächlich drei verschiedene Verfahren genutzt:
- Die Umsetzung des entsprechenden Elements E mit Wasserstoff (H₂; Hydrogenolyse) :

\mathrm

:Ein Element reagiert mit Wasserstoff bei Energiezufuhr zum entsprechenden Elementwasserstoff.
- Die Reaktion von Metallverbindungen des Typs M_nE mit Wasserstoffsäuren (H⁺; Protolyse) :

\mathrm

:Eine Metallverbindung des Elements E reagiert mit einer Säure HA zum Elementwasserstoff und einem Metallsalz.
- Die Umsetzung von Halogenverbindungen (EHal_n) mit Hydriden (H^-; Hydridolyse) :

\mathrm

:Hydridionen setzen aus einer Halogenverbindung des Elements E den entsprechenden Elementwasserstoff frei.

Salzartige Verbindungen

In Verbindung mit Metallen kann Wasserstoff jeweils ein Elektron aufnehmen, so dass negativ geladene Wasserstoffionen (Hydridionen, H^-) entstehen, die mit Metallkationen Salze bilden. Diese Verbindungen werden Hydride genannt. Salzartige Elementwasserstoffe sind von den Alkali- und, mit Ausnahme von Beryllium, den Erdalkalimetallen bekannt. Außerdem zählt man die Dihydride des Europiums und Ytterbiums (EuH₂ und YbH₂) dazu. Metallhydride reagieren sehr heftig mit Wasser unter Freisetzung von molekularem Wasserstoff (H₂) und können sich an der Luft selbst entzünden. In der Mehrzahl sind sie aber nicht explosiv. Minerale, die Wasserstoff enthalten, sind Hydrate oder Hydroxide.

Metallartige Verbindungen

In metallartigen Wasserstoffverbindungen - mit wenigen Ausnahmen sind das die Übergangsmetallhydride - ist atomarer Wasserstoff in der entsprechenden Metallstruktur eingelagert. Man spricht in diesem Fall auch von Wasserstoff-Einlagerungsverbindungen, obwohl sich bei der Aufnahme des Wasserstoffs die Struktur des Metalls ändert (was nach der Definition für Einlagerungsverbindungen eigentlich nicht zulässig ist). Das Element besetzt die oktaedrischen und tetraedrischen Lücken in den kubisch- bzw. hexagonal-dichtesten Metallatompackungen. Die Löslichkeit von Wasserstoff steigt mit zunehmender Temperatur. Man findet jedoch selbst bei Temperaturen über 500 Grad Celsius höchstens 10 Atomprozente Wasserstoff im betreffenden Metall. Am meisten Wasserstoff können die Elemente Vanadium, Niob und Tantal aufnehmen. Bei Raumtemperatur sind folgende Johannes Robert Rydberg (
- 8. November 1854 in Halstad; † 28. Dezember 1919 in Lund) auch bekannt als Janne Rydberg, war ein schwedischer Physiker und ist hauptsächlich bekannt für die Aufstellung der Rydberg-Formel. Sie gibt die Wellenlänge von elektromagnetischer Strahlung an, die ein Elektron in einem Atom beim Übergang zwischen zwei Energieniveaus emittiert. Die physikalische Konstante bekannt als Rydberg-Konstante wurde nach ihm benannt. Angeregte Atome mit sehr hohen Werten der Hauptquantenzahl n werden Rydberg-Atome genannt und in der Rydberg-Physik untersucht. In Anerkennung seiner Leistungen ist sogar ein Krater des Mondes nach ihm benannt. An der Universität Lund verbrachte er sein gesamtes wissenschaftliches Leben.

Weblinks

- Rydberg, Johannes Rydberg, Johannes Rydberg, Johannes Rydberg, Johannes Rydberg, Johannes ja:ヨハネス・リュードベリ

Wellenzahl

Die Wellenzahl σ (griech. sigma) ist eine physikalische Größe und ist der Kehrwert der Wellenlänge

\lambda

. :

\sigma =  \frac = \frac

Die Wellenzahl ist der Quotient aus der Anzahl n der auf die Länge l entfallenden Wellenlängen und dieser Länge l. Sie wird in der SI-Einheit m^-1 (d. h. Anzahl der Wellen pro Meter) angegeben. Die Wellenzahl ist proportional zum Impuls

p = \hbar k

der Strahlung.

\hbar

ist dabei das plancksche Wirkungsquantum. Da der Impuls im allgemeinen eine vektorielle Größe darstellt, benötigt man im allgemeinen einen Wellenzahlvektor

\vec k

. Da für die Größe 1/λ der Name "Wellenzahl" gebräuchlich ist, nennt man analog zum Unterschied zwischen Frequenz und Kreisfrequenz die Größe k richtig Kreiswellenzahl. Da die Kreiswellenzahl das Formelzeichen k hat, sollte die Wellenzahl nur σ genannt werden.
Die Kreiswellenzahl

k = \frac

und die Wellenzahl

\sigma = \frac

sind unbedingt auseinanderzuhalten. Kategorie:Wellenlehre ja:波数

Photon

In der Physik bezeichnet man mit Photon (von Griechisch φως = Licht) die elementare Anregung (Quant) des quantisierten elektromagnetischen Felds. Es ist eines der Studienobjekte der Quantenelektrodynamik, des ältesten Teils des Standardmodells der Teilchenphysik. Anschaulich gesprochen sind Photonen die "Bausteine" elektromagnetischer Strahlung, so etwas wie "Lichtteilchen". Allerdings darf dabei nicht vergessen werden, dass alle (Elementar-) Teilchen einschließlich der Photonen auch Welleneigenschaften besitzen (siehe auch: Welle-Teilchen-Dualismus).

Geschichte

Seit der Antike gab es verschiedene, oft einander widersprechende Vorstellungen über das Wesen des Lichts. Im 19. Jahrhundert konkurrierten Wellen- und Teilchentheorien. Während viele Phänomene wie Interferenz- und Polarisationserscheinungen für eine Wellennatur des Lichts sprachen, gab es auch Indizien für einen Teilchencharakter. Ein historisch sehr wichtiges Experiment, welches auf eine Teilchennatur des Lichts hinwies, war im Jahre 1887 die Beobachtung des Photoelektrischen Effekts durch Heinrich Hertz und Wilhelm Hallwachs. Die Quantisierung der elektromagnetischen Strahlung geht letztendlich auf die Erklärung der Schwarzkörperstrahlung durch Max Planck im Jahr 1900 zurück (Plancksches Strahlungsgesetz). Planck selbst stellte sich allerdings nicht die elektromagnetische Strahlung an sich quantisiert vor, sondern erklärte die Quantisierung damit, dass die Oszillatoren in den Wänden der Schwarzkörperresonatoren nur diskrete Energiemengen mit dem elektromagnetischen Feld austauschen können. Albert Einstein beschrieb 1905 in seiner Publikation zum photoelektrischen Effekt das Licht als aus Lichtquanten mit Partikeleigenschaften bestehend (für diese Arbeit übrigens – nicht etwa für seine Relativitätstheorie – wurde er 1921 mit dem Nobelpreis ausgezeichnet). Die formale Quantentheorie des Lichtes wurde erst seit 1925 beginnend mit Arbeiten von Max Born, Pascual Jordan und Werner Heisenberg entwickelt. Die bis heute gültige Theorie der elektromagnetischen Strahlung, welche auch die Lichtquanten beschreibt, die Quantenelektrodynamik (QED), geht in ihren Anfängen auf eine Arbeit von Paul Dirac im Jahr 1927 zurück, in der er die Wechselwirkung von quantisierter elektromagnetischer Strahlung mit einem Atom beschreibt. Die QED wurde in den 1940er Jahren entwickelt und 1965 mit der Verleihung des Nobelpreises für Physik an Richard P. Feynman, Julian Schwinger und Shinichiro Tomonaga gewürdigt. Der Begriff "Photon" wurde 1926 durch den Chemiker Gilbert Newton Lewis geprägt, der darunter aber nicht das Lichtquant verstand. Er verwandte den Begriff im Rahmen eines von ihm vorgeschlagenen (und allgemein nicht anerkannten) Modells der Wechselwirkung von Atomen mit Licht.

Symbol

Für das Photon wird im allgemeinen das Symbol

\gamma

(gamma) verwandt. In der Hochenergiephysik ist dieses Symbol allerdings reserviert für die hochenergetischen Photonen der Gammastrahlung (Gamma-Quanten), und die in diesem Zweig der Physik ebenfalls relevanten Röntgenphotonen erhalten das Symbol X (von Englisch: X-ray).

Eigenschaften

Jegliche elektromagnetische Strahlung, von Radiowellen bis zur Gammastrahlung, ist in Photonen quantisiert. Das bedeutet, die kleinste "Menge" an elektromagnetischer Strahlung beliebiger Frequenz ist ein Photon. Photonen haben eine unendliche natürliche Lebensdauer, können aber bei einer Vielzahl physikalischer Prozesse erzeugt oder vernichtet werden. Photonen besitzen keine Ruhemasse, aber sie besitzen Energie. Ein freies Photon befindet sich nie in Ruhe, sondern bewegt sich mit der Vakuumlichtgeschwindigkeit. In optischen Medien ist die effektive Lichtgeschwindigkeit aufgrund der Wechselwirkung der Photonen mit der Materie verringert. Da Photonen Energie besitzen, wechselwirken sie gemäß der Allgemeinen Relativitätstheorie mit der Gravitation.

Erzeugung und Detektion

Photonen können auf vierlei Arten erzeugt werden, insbesondere durch Übergänge ("Quantensprünge") von Elektronen zwischen verschiedenen Zuständen (z. B. verschiedenen Atom- oder Molekülorbitalen oder Energiebändern in einem Festkörper). Photonen können auch bei nuklearen Übergängen, Teilchen-Antiteilchen-Vernichtungsreaktionen, oder durch beliebige Fluktuationen in einem elektromagnetischen Feld erzeugt werden. Zum Nachweis von Photonenströmen können z. B. Photomultiplier, Photoleiter oder Photodioden verwendet werden. CCDs, Vidicons, PSDs, Quadrantendioden oder Fotoplatten und -filme werden zur ortsauflösenden Detektion von Photonen benutzt. Im IR-Bereich werden auch Bolometer eingesetzt. Photonen im Gammastrahlen-Bereich können durch Geigerzähler einzeln nachgewiesen werden. Photomultiplier und Avalanche-Photodioden können auch zur Einzelphotonendetektion im optischen Bereich verwendet werden, wobei Photomultiplier im Allgemeinen die niedrigere Dunkelzählrate besitzen, Avalanche-Photodioden aber noch bei niedrigeren Photonenenergien bis in den IR-Bereich einsetzbar sind.

Spin

Photonen sind Spin-1 Teilchen und somit Bosonen. Es können also beliebig viele Photonen denselben quantenmechanischen Zustand besetzen, was zum Beispiel in einem Laser realisiert wird. Photonen vermitteln die elektromagnetische Wechselwirkung: Sie sind die Teilchen, die es anderen Teilchen erlauben, miteinander elektromagnetisch wechselzuwirken. Da die elektromagnetische Wechselwirkung eine sogenannte Eichtheorie ist, zählen die Photonen zu den Eichbosonen.

Photonen im Vakuum

Im Vakuum bewegen sich Photonen mit der Vakuumlichtgeschwindigkeit

c\,

= 299792458 ms^-1. Die Dispersionsrelation, d.h. die Abhängigkeit der Energie

E\,

von der Frequenz

\nu\,

(ny), ist linear, und die Proportionalitätskonstante ist das Planck'sche Wirkungsquantum

h\,

, :

E=pc=h\nu\,.

Der Impuls

p\,

eines Photons beträgt damit :

p=\frac=\frac\,.

Photonen in Medien

In einem Material wechselwirken Photonen mit dem sie umgebenden Medium, woraus sich veränderte Eigenschaften ergeben. Das Photon kann absorbiert werden, wobei seine Energie natürlich nicht verschwindet, sondern in elementare Anregungen (Quasiteilchen) des Mediums wie Phononen oder Exzitonen übergeht. Möglich ist auch, dass es sich durch ein Medium ausbreitet; zum Beispiel als gekoppeltes Phonon-Photon-Paar (Polariton). Diese elementaren Anregungen in Materie haben üblicherweise keine lineare Dispersionsrelation, und ihre Ausbreitungsgeschwindigkeit ist niedriger als die Vakuumlichtgeschwindigkeit bis hin zu nur einigen Metern pro Sekunde für spezielle Materialien.

Wechselwirkung von Photonen mit Materie

Photonen die auf Materie treffen lösen bei bestimmten Energien unterschiedliche Prozesse aus. Im Bereich von:
- 1 eV - 100 keV Photoeffekt,
- 100 keV - 1 MeV Compton-Effekt,
- 1,022 MeV - 6 MeV Paarbildung
- 2,18 MeV - 16 MeV Kernphotoeffekt. Diese Effekte tragen maßgeblich dazu bei, dass man diese Strahlung detektieren kann und sich bestimmte Stoffe mit bestimmten Effekten anhand der Gammaspektroskopie nachweisen lassen.

Literatur

- [http://www.osa-opn.org/abstract.cfm?URI=OPN-14-10-49 C. Roychoudhuri and R. Roy (editors) The Nature of Light, What is a Photon?, Supplement to Optics & Photonics News, Vol. 3 No. 1, October 2003, ISSN 10476938]
- Harry Paul Photonen, Januar 1999, ISBN 3519132222
- Klaus Hentschel: Einstein und die Lichtquantenhypothese. Naturwissenschaftliche Rundschau 58(6), S. 311 - 319 (2005),

Weblinks

- [http://www.activeart.de/dim-shops/demo/lichtMaterie Interaktive Darstellung] von Absorption, Emission und der stimulierten Emission Kategorie:Elementarteilchen Kategorie:Quantenphysik Kategorie:Optik ja:光子 ko:광자 simple:Photon

Plancksches Wirkungsquantum

Das plancksche Wirkungsquantum h ist eine fundamentale Naturkonstante der Physik, die zur Beschreibung der Werte von quantisierten Größen verwendet wird. Sie ist von grundlegender Bedeutung in der Quantenphysik. Der Wert des planckschen Wirkungsquantums beträgt etwa :

h = 662607 \cdot 10^\,\rm = 413567 \cdot 10^ \rm ,

und hat demnach die Dimension von Energie mal Zeit, also einer Wirkung. Häufig wird statt

h

auch die Größe

\hbar

(sprich „h-quer”) verwendet mit: :

\hbar = \frac = 1054572 \cdot 10^\,\rm ,

wobei

\pi

die Kreiszahl (pi) ist.

\hbar

wird manchmal auch nach Paul Dirac als diracsche Konstante bezeichnet.

Bedeutung

Das plancksche Wirkungsquantum tritt bei der quantisierten Beschreibung von Phänomenen auf. Insbesondere mikroskopische Objekte wie Elementarteilchen, Elektronen oder Photonen haben physikalische Eigenschaften, die erkennbar nicht jeden beliebigen kontinuierlichen Wert, sondern nur bestimmte diskrete Werte annehmen können.

Proportionalitätsfaktor zwischen Photonenenergie und Frequenz

Die Energie E elektromagnetischer Strahlung einer gegebenen Frequenz

\nu

(gr. Buchstabe "ny") kann nur in bestimmten Portionen absorbiert und emittiert werden. Die Energie eines Feldes kann sich also nur um den folgenden Betrag ändern: :

\Delta E = h \, \nu

Max Planck führte die Konstante h (von Hilfsgröße) im Jahr 1900 zunächst nur als Hilfsmittel zur Lösung des Problems der Beschreibung des Strahlungsverhaltens schwarzer Körper (auch bezeichnet als Schwarzkörperstrahlung oder Hohlraumstrahlung) ein. Nach der klassischen Ableitung (→ Rayleigh-Jeans-Gesetz) hätte die Intensität mit steigender Frequenz immer größer werden müssen (was der Realität widerspricht und als Ultraviolettkatastrophe bezeichnet wird). Planck setzte in seiner Rechnung voraus, dass Strahlung der Frequenz

\nu

nur in Energiepaketen der Größe

E = h  \nu

emittiert und absorbiert werden kann. Das Wirkungsquantum ist hier eine Proportionalitätskonstante, deren Größe sich aus der Anpassung an die experimentell ermittelten Werten der Hohlraumstrahlung ergibt. Die Energiepakete behandelte Planck nun mit den Gesetzen der statistischen Gastheorie. Auf diese Weise erhielt er eine gute Übereinstimmung mit den gemessenen Resultaten. Planck hielt den nichtkontinuierlichen Charakter der Energie zunächst für eine Folge der Eigenschaft der Strahlungsquelle. Erst Albert Einstein postulierte 1905 die Lichtquantenhypothese, die besagt, dass die Quantisierung unabhängig von der Strahlungsquelle eine Eigenschaft des Strahlungsfeldes ist. Anlass dazu waren die experimentellen Ergebnisse zum photoelektrischen Effekt. Häufig ersetzt man die Frequenz

\nu

durch die Kreisfrequenz

\omega=2 \pi \nu

. Dann wird

E=h \nu

zu :

E=\hbar \omega

Proportionalitätsfaktor zwischen Drehimpulsquantenzahl und Drehimpuls

Plancks Motivation für die Bezeichnung "Wirkungsquantum" war zunächst alleine die Dimension der Konstanten. Erst in dem 1913 von Niels Bohr aufgestellten Atommodell des Wasserstoffatoms trat das Wirkungsintegral eines um den Atomkern kreisenden Elektrons über einen geschlossenen Umlauf als quantisierte Größe in Erscheinung. Aus dieser Quantisierungsbedingung folgt, dass der Drehimpuls

\vec L

des Elektrons nur ganzzahlige Vielfache von

\hbar

annehmen kann. (Neben dem Produkt einer Energie mit einer Zeitdifferenz hat auch das Produkt eines Impulses mit einem Abstand die Dimension einer Wirkung, und damit auch der Drehimpuls.) Genauere Betrachtungen des Betrages des Bahndrehimpulses

\vec

jedes Systems in jedem beliebigen Inertialsystem haben später ergeben, dass dieser entgegen dem veralteten bohrschen Atommodell nicht als ganzzahliges Vielfaches von

\hbar

auftritt. Die Relation lautet vielmehr: :

|\vec| = \sqrt \hbar

\hbar

tritt also weiterhin als Proportionalitätskonstante auf. Die Bahndrehimpulsquantenzahl

l

kann ganzzahlige Werte von 0 bis

n-1

annehmen, wobei

n

die Hauptquantenzahl ist. Für die Komponente des Drehimpulses entlang einer beliebigen Achse gilt allerdings, dass deren Betrag ein ganzzahliges Vielfaches von

\hbar

ist. Kommt der Spin ins Spiel, können die Quantenzahlen auch halbzahlige Werte annehmen.

Proportionalitätsfaktor zwischen Impuls und Wellenzahlvektor

Im Jahr 1924 schrieb Louis de Broglie auch massereichen Teilchen wie Elektronen Welleneigenschaften zu. Er verknüpfte den Impuls

\vec p

mit der Wellenlänge

\lambda

p = h/\lambda

, beziehungsweise vektoriell

\vec p = \hbar\,\vec k

, mit dem Wellenzahlvektor

\vec k

vom Betrag

|\vec k|=2\pi/\lambda

. Die Richtung von

\vec k

entspricht der des Teilchens, dessen Materiewelle

\vec k

beschreibt.

Allgemeine Bedeutung in der Quantenmechanik

In der in den 1920er Jahren entwickelten Quantenmechanik kommt dem Wirkungsquantum dann eine allgemeine Bedeutung zu. Es tritt z. B. im Impulsoperator und Energieoperator in der Schrödingergleichung, der fundamentalen Gleichung dieser Theorie, auf. Später wurde erkannt, dass das Planck'sche Wirkungsquantum auch in der heisenbergschen Unschärferelation auftritt. Manchmal wird

\hbar

deshalb als die fundamentalere Konstante angesehen.

Siehe auch

- Naturkonstanten Kategorie:Quantenphysik ja:プランク定数 ko:플랑크 상수 th:ค่าคงที่ของพลังค์

Johann Jakob Balmer

Johann Jakob Balmer (
- 1. Mai 1825 in Lausen/Baselland, † 12. März 1898 in Basel) war ein Schweizer Mathematiker und Physiker. Er studierte Mathematik und Architektur an der Universität Karlsruhe und an der Universität Berlin. 1849 promovierte er an der Universität Basel über die Zykloide. Von 1859 bis zu seinem Tode 1898 arbeitete er als Mathematiklehrer an der Unteren Töchterschule in Basel. Daneben war er von 1865 bis 1890 als Privatdozent an der Universität Basel tätig, wobei sein Kerngebiet die Geometrie war. Er heiratete 1868 Christine Pauline Rinck, mit der er sechs Kinder hatte. Balmer war sehr vielseitig in seinen Interessen. Er beschäftigte sich mit Kabbalistik und Numerologie, so errechnete er z. B. die Stufenanzahl von Pyramiden oder den Grundriss biblischer Tempel. Außerdem beschäftigte er sich mit Architektur, Sozialhygiene und sozialem Wohnungsbau, und darüber hinaus mit den gemeinsamen Grundfragen von Naturwissenschaft, Philosophie und Religion. 1885 fand er eine einfache Formel, die es ermöglichte, die Wellenlänge für eine Serie von Spektrallinien des Elements Wasserstoff zu ermitteln. Balmer fand eine Grundzahl, die später als Rydberg-Konstante bezeichnet wurde, die mit gesetzmäßig wachsenden Brüchen die Wellenlänge der Wasserstofflinien ergab. Er hatte eine empirische Formel dafür entwickelt, mittels Divisionen (mit sog. negativem Rest) und mathematischen Umformungen ganzzahlige Verhältnisse der Wellenzahlen hergestellt. Diese Serie wird heute Balmer-Serie genannt. Erst die Entwicklung der Quantentheorie zu Beginn des 20. Jahrhunderts lieferte Beweise für die Genauigkeit und die Richtigkeit, mit der Balmers Formel die Wellenlinien berechnet.

Werke

- Arbeiterwohnungen in und um Basel (mit Plänen und Kostenberechnungen für eine auf der Breite ausgeführte Wohnsiedelung) 1853
- Des Propheten Ezechiel Gesicht vom Tempel, 1858
- Die Naturforschung und die moderne Weltanschauung, 1868
- Wohnungsübelstände 1878
- Die Wohnung des Arbeiters, Basel 1883
- Notiz über die Spectrallinien des Wasserstoffes, Verhandlungen der Naturforschenden Gesellschaft 7, 1885
- Die freie Perspektive, 1887
- Gedanken über Stoff, Geist und Gott, Aphorismen, 1891
- Eine neue Formel für Spektralwellen, Leipzig 1897 Siehe auch: Spektroskopie Balmer, Johann Jakob Balmer, Johann Jakob Balmer, Johann Jakob Balmer, Johann Jakob Balmer, Johann Jakob Balmer, Johann Jakob Balmer, Johann Jakob

Ultraviolettstrahlung

Ultraviolettstrahlung sind elektromagnetische Wellen der Wellenlänge von etwa 380 bis 10 nm oder einer Frequenz von ca. 790 THz bis 30 PHz. Die Energie eines einzelnen Lichtquants liegt im Bereich von ca. 3,3 eV (380 nm) bis ca. 124 eV (10 nm).
Ultraviolettstrahlung ist nicht sichtbar. Sie zählt jedoch zur Gruppe der optischen Wellenlängen, weshalb häufig der irreführende Begriff "UV-Licht" anzutreffen ist. UV-Strahlung kann wie das Licht anderer Wellenlängen oder der Infrarot-Strahlung gebrochen, reflektiert, transmittiert, absorbiert und gebeugt werden.
Durch Fluoreszenz kann Ultraviolettstrahlung indirekt sichtbar gemacht werden.
In der sogenannten Höhensonne, in Solarien oder auch in sog. "Schwarzlichtlampen" (sie alle enthalten eine Quecksilberdampflampe als wesentlichen Bestandteil), lässt sich ultraviolette Strahlung auch künstlich erzeugen. Unterhalb einer Wellenlänge von ca. 200 nm ist die Energie eines einzelnen ultravioletten Lichtquants ausreichend, Elektronen aus Atomen oder Molekülen zu lösen, d.h. diese zu ionisieren. Wie auch Gamma- und Röntgenstrahlung bezeichnet man daher kurzwellige Ultraviolettstrahlung unterhalb ca. 200 nm als ionisierende Strahlung.
Obwohl sie die ionisierende Strahlung mit der geringsten Energie pro Lichtquant ist, ist sie für den Menschen gefährlich. Auch UV-Strahlung mit größerer Wellenlänge vermag bereits organische Bindungen zu zerstören. Daher ist ein verantwortungsvoller Umgang mit Sonnenlicht (Sonnenschutz) angebracht, da Sonnenlicht einen hohen Anteil an Ultraviolettstrahlung enthält. Auch der übermäßige Besuch von Solarien ist aus diesem Grund umstritten.

Einteilung, Biologische Wirkung

Der UV-Anteil des Sonnenlichts teilt sich im allgemeinen wie folgt auf: Die UV-Strahlung mit Wellenlängen kleiner als 100 nm kommt im Sonnenlicht nur mit sehr geringer Intensität vor. Eine andere Einteilung des UV-Strahlungsspektrums ist die in nahes Ultraviolett (entspricht im wesentlichen UV-A), mittleres Ultraviolett (etwa UV-B), fernes Ultraviolett (Wellenlängen von 200 bis etwa 280 nm) und Vakuumultraviolett (Wellenlängen kleiner als 200 nm, Luft wird hier undurchsichtig). Vorsicht bei der Beurteilung biologischer Wirkungen der verschiedenen UV-Bereiche! Die Schädigung hängt nicht nur von der Energie des UV-Lichts ab, sondern auch von der Eindringtiefe und der Zeit der bestrahlung des Gewebes. UV-C-Licht bei 253,7 nm wird durch verhornte Haut praktisch schon an der Oberfläche vollständig absorbiert und ist daher weniger effektiv bei der Schädigung tieferliegender Zellschichten als UV-B-Licht, das schwächer absorbiert bis in diese eindringt. Langzeitschäden wie Hautalterung, Hautkrebs oder Katarakt können auch auftreten, wenn die Erythemschwelle zwar nicht überschritten wird, die Bestrahlung aber häufig erfolgt. Haut und Augen registrieren jede UV-Strahlung und nicht nur diejenige, die über der Erythemschwelle liegt. Auch auf Solarien soll hier noch einmal hingewiesen werden. Wenn Hautärzte bei bestimmten Hautkrankheiten eine so genannte Phototherapie durchführen, so handelt es sich um kleine Dosen bei ganz bestimmten Wellenlängen. Der Hautarzt wiegt dabei das kleinere Übel gegen das größere ab, um eine Krankheit zu bekämpfen. Blässe hingegen ist keine Krankheit! Moderne Solarien verzichten mittlerweile fast vollständig auf UVB-Strahlung, die für den Sonnenbrand verantwortlich ist und Krebs hervorrufen kann. Aber auch die längerwellige UVA-Strahlung ist, wie man heute weiß, alles andere als harmlos. Sie dringt tiefer in die Haut ein, bewirkt ebenfalls DNA-Schäden, die wiederum Krebs verursachen können, und führt nebenbei auch noch zur vorzeitigen Hautalterung. Dabei hat UVA noch eine zusätzliche Tücke: der warnende Sonnenbrand bleibt nämlich aus, man merkt gar nicht, dass man sich einer Gefahr aussetzt und bleibt zu lange unter der Strahlenquelle (Vorsicht: Dies soll nicht heißen das man bis zu einem Sonnenbrannd in der Sonne liegen kann, denn dieser wird oft erst dann bemerkt wenn es schon zu spät ist). UV-Strahlung ist in der Lage, neben dem Hautkrebs, ein Reihe anderer Hauterkrankungen hervorzurufen, wie z.B. die Sonnenallergie (polymorphe Lichtdermatose) und andere so genannte Lichtdermatosen. Glas (Natron-Kalk-Glas) ist für Ultraviolettstrahlung unterhalb 350 nm undurchlässig, Borosilikatglas (Jenaer Glas) lässt dagegen UV-Licht bis etwa 290 nm durch, eisenfreies Borosilikatglas sogar noch UV-C-Licht bei 253,7 nm. Während natürlicher Quarz durch seinen Titangehalt kein Vakuum-UV-Licht unter 200 nm durchlässt, wird synthetisches hochreines Quarzglas für ozonisierende UV-Lampen (z. B. in der Aufbereitung hochreinen Wassers zur Oxidation der gelösten organischen Kohlenstoffverbindungen) verwendet. UV-B-Strahlung wurde früher auch Dorno-Strahlung nach Carl Dorno, der diese intensiv untersuchte, benannt.

UV-Absorption

Normales Glas ist nur für UV-A-Strahlung gut durchlässig, für UV-Strahlung kürzerer Wellenlängen hingegen praktisch undurchsichtig. Quarzglas ist auch für kürzere Wellenlängen durchsichtig, je nach Reinheit auch bis in den Bereich des Vakuumultraviolett bis ca. 180 nm. Spezielle Materialien wie z. B. Calciumfluorid sind auch für noch kleinere Wellenlängen durchsichtig. Der Sauerstoff macht Luft unter Bildung von Ozon für UV-Strahlung mit weniger als 200 nm Wellenlänge undurchsichtig, mit reinem Stickstoff erreicht man Transparenz

UV-Index

Der UV-Index ist eine international festgelegte Messgröße. Er gibt den zu erwartenden Tageshöchstwert der Sonnen UV-Strahlung an. Abhängig von der geographischen Lage, sowie von Jahreszeit und Wetterlage kann er variieren.

UV-Filter in der Fotografie

UV-Filter sind spezielle Glasscheiben, die ultraviolettes Licht abblocken. Sie werden bei der Fotografietechnik sehr oft verwendet, da sie für mehr Kontrast sorgen und zugleich bei Digitalkameras die hochempfindlichen Sensoren (beispielsweise CCD) vor den UV-Strahlen schützen. Dieses für das Auge unsichtbare Licht wird, da Objektive nur für sichtbares Licht korrigiert sind, infolge chromatischer Aberration (d.h. Licht unterschiedlicher Farbe trifft sich nicht in einem Punkt) unscharf auf dem Film abgebildet, wo es zur Belichtung der blauempfindlichen Schicht führt. Dies hat nach Angaben der Filterhersteller einen blauen Farbstich und Bildunschärfen zur Folge. In der Praxis benötigt man UV-Filter für diesen Zweck jedoch nicht, weil erstens das in Summe dicke Glas der Objektive (kaum eines hat weniger als 6 Linsen, oft sind es deutlich mehr) UV-Strahlung bereits ausreichend sperrt und zweitens moderne Filme als erste Schicht eine UV-Schutzschicht besitzen. Dass ein UV-Filter trotzdem sinnvoll sein kann, hat einen ganz anderen Grund: Er schützt die Frontlinse des möglicherweise sehr teuren Objektivs vor Beschädigung. Der Austausch einer zerkratzten oder durch aggressive Flüssigkeiten (zum Beispiel Meerwasser) beschädigten Frontlinse ist oft so teuer, dass er nicht lohnt. Ein guter Filter ist zwar vor allem bei einem großen Durchmesser nicht gerade billig, kostet im Vergleich zu einem neuen Objektiv aber sehr wenig Geld. Fotopuristen, die in der Regel auch die Verwendung von Zoom-Objektiven ablehnen, werden das Einbringen einer zusätzlichen Glasfläche in den Strahlengang oft aus Prinzip ablehnen. Der theoretisch denkbare bildverschlechternde Einfluss kann bei hochwertigen Filtern jedoch vernachlässigt werden.

Schwarzlicht

Dieser Begriff bezeichnet UV-Licht (ca. 365 nm) aus künstlichen Leuchtquellen (Leuchtstofflampen oder auch Glühlampen mit speziellem Glaskolben) und ist vor allem in Diskotheken und für Showeffekte üblich. "Schwarzlicht" regt fluoreszierende Stoffe (z.B. weißer Baumwollstoff oder Fluoreszenzfarbstoffe) zum Leuchten an. Man verwendet es auch für Schwarzlichttheater.

Verwendung von UV-Strahlung

- Halbleiterindustrie: zur Belichtung der Wafer bei der Herstellung integrierter Schaltkreise (ICs)
- Druckindustrie: zur Härtung ("Trocknung") von speziellen, lösemittelfreien, UV-empfindlichen Druckfarben.
- Physikalischen Desinfektionstechnik: UV-Entkeimung
- Elektronik: Löschen von EPROM-Speichern (253,7 nm)
- Sichtbarmachen von Sicherheitsmerkmalen, u.a. auf Dokumenten (z.B. Ausweispapiere) oder Zahlungsmitteln (z.B. EURO-Scheine).
- Reflexion durch bestimmte Pflanzen: Anlocken von Tieren
- Optischen Spektroskopie: UV/VIS-Spektroskopie, Photolumineszenzspektroskopie
- Gas Analyse (NO,NO2,H2S,SO2)
- Zahnheilkunde: Lichthärtende Materialien
- Bestimmung der Zinnseite von Floatgla

Balmerserie

Entdeckung der Balmer-Linien

Verallgemeinerung durch Rydberg

Das Ritzsche Kombinationsprinzip

Deutung durch das Bohrsche Atommodell

Spektrallinie

Spektrum

Wasserstoff

Eigenschaften

Physikalische Eigenschaften

Aggregatzustände

Chemische Eigenschaften

Wasserstoffbrückenbindung

Van-der-Waals-Bindung

Atom- und kernphysikalische Eigenschaften

Isotope

Kernspinzustände im H2-Molekül

Geschichte

Entdeckungsgeschichte

Erforschung

Vorkommen

Außerirdische Vorkommen

Irdische Vorkommen

Erdkruste

Salz- und Süßwasser

Atmosphäre

Verwendung

Rolle in der Energieversorgung

Brennstoffzelle

Kernfusion

Gewinnung

Molekularer Wasserstoff

Atomarer Wasserstoff

Sicherheitshinweise

Speicherung

Nachweis

Verbindungen

Salzartige Verbindungen

Metallartige Verbindungen

Weblinks

Wellenzahl

Photon

Geschichte

Symbol

Eigenschaften

Erzeugung und Detektion

Spin

Photonen im Vakuum

Photonen in Medien

Wechselwirkung von Photonen mit Materie

Literatur

Weblinks

Plancksches Wirkungsquantum

Bedeutung

Proportionalitätsfaktor zwischen Photonenenergie und Frequenz

Proportionalitätsfaktor zwischen Drehimpulsquantenzahl und Drehimpuls

Proportionalitätsfaktor zwischen Impuls und Wellenzahlvektor

Allgemeine Bedeutung in der Quantenmechanik

Siehe auch

Johann Jakob Balmer

Werke

Ultraviolettstrahlung

Einteilung, Biologische Wirkung

UV-Absorption

UV-Index

UV-Filter in der Fotografie

Schwarzlicht

Verwendung von UV-Strahlung

Kernspinzustände im H₂-Molekül