Energieniveau

Im vorherigen Kursabschnitt haben wir uns mit der Grobstruktur von Baustoffen befasst. Nun gehen wir thematisch eine Ebene weiter und betrachten die Mikrostruktur. 

Schaut man sich die Mikrostruktur eines Baustoffs an, so fällt direkt auf, dass die Grundbausteine entweder Atome und/oder Moleküle sind.
Beide haben die Bestrebung sich derart anzuordnen, dass die potentielle Energie des Baustoffs einen minimalen Wert annimmt. Folglich kann man daraus ableiten, dass eine Veränderung des Baustoffs ein Maximum an zu leistender Arbeit erfordert. 

Den Zusammenhang zwischen Energieniveau und Ordnung lässt sich am besten wie folgt beschreiben:

Aufbau der Elektronenhülle

Ein Atom ist so aufgebaut, dass sich im Inneren Elektronen auf Bahnen um den Kern herum bewegen.

Atom (Illustration)

Diese Bahnen können entweder kreisförmig oder elliptisch sein. Ferner unterscheiden sie sich zueinander in ihrer Lage und Größe, d. h. sie liegen nicht alle in einer Ebene bzw. Umlaufbahn. Die Bahnen lassen sich in Form von Schalen oder Stufen beschreiben. Wie sich letztlich die Elektronenhülle zusammensetzt, hängt zum einen von den chemischen, als auch physikalischen Eigenschaften eines Stoffes ab.

Atommodell nach Rutherford

Nach dem Bohrschen Schalenmodell hängt die Umlaufbahn eines Elektrons von seiner Energie ab. Führt man diesem Energie zu, so kann es in eine weiter außen liegende Bahn überführt werden. Fällt das Elektron wieder in die ursprüngliche Bahn zurück, wird die Energie in Form von Strahlung wieder abgegeben. Die Wellenlänge der abgegebenen Strahlung lässt sich mit einer Spektralanalyse messen und gilt als charakterisierend für den Stoff. 

Da es unmöglich ist, sowohl den Aufenthaltsort und gleichzeitig die Geschwindigkeit eines Elektrons zu bestimmen (vgl. auch W. Heisenberg), wird mit Hilfe eines Orbitalmodells versucht, die Aufenthaltswahrscheinlichkeit eines Elektrons zur berechnen. 

Quantentheorie

Die Quantentheorie ordnet jedem Elektron im Atom vier Quantenzahlen zu, die dessen Energiezustand eindeutig beschreiben. 

1. Hauptquantenzahl
2. Nebenquantenzahl
3. Magnetquantenzahl
4. Spinquantenzahl

Hauptquantenzahl

Die Hauptquantenzahl hat einen Wert zwischen 1-7 und gibt Auskunft über die mittleren Energiezustände bzw. die Elektronenschalen. In diesen Schalen sind die Nebenelektronenbahnen zusammengefasst. Es existieren n=7 Hauptschalen mit der Kennzeichnung:

K,L,M,N,O,P,Q - Die Kennzeichnung geht immer vom Kern aus. Jede Schale kann $ 2 n^2 $ Elektronen aufnehmen. Somit hat die K-Schale zwei Elektronen, die L-Schale bis zu 8 Elektronen usw..

Nebenquantenzahl

Die Nebenquantenzahl hat einen Wert zwischen l = 0,1,2,3,4....,n-1 und  charakterisiert die Abweichung von einer kugelsymmetrischen Ladungsverteilung infolge des Bahndrehimpulses. Die Elektronen mit l = 0, 1, 2, 3, n-1 bezeichnet man als s-Elektronen, p-Elektronen, d-Elektronen, f-Elektronen. Je nachdem welchen Wert l annimmt, können bis zu 2(2l + 1) Elektronen vorkommen. Somit sind maximal 2 s-Elektronen, 6 p-Elektronen, 10 d-Elektronen usw. möglich. 

Magnetquantenzahl

Die Magnetquantenzahl m berücksichtigt den Einfluss auf die Elektronenenergie, welcher durch die Orientierung des Bahndrehimpulsvektors gegenüber einem äußeren Magnetfeld bestimmt ist. m kann jeden ganzzahligen Wert zwischen -l und l annehmen. 

Spinquantenzahl

Die Spinnquantenzahl s berücksichtigt den Einfluss auf die Elektronenenergie, welcher durch den Spin (Eigenrotation) des Elektronen entstehenden Spindrehimpulses entsteht. Die Spinquantenzahl hat den Wert $\ - \frac{1}{2} $ oder $\ + \frac{1}{2} $.

#