Energiezustände und Quantenzahlen

Wenn man Atome durch Energiezufuhr anregt, erhält man Linienspektren: Elektronen werden durch die Energiezufuhr auf ein höheres Energieniveau (eine höhere Schale) gehoben – beim Zurückfallen in den Grundzustand (die ursprüngliche Schale) wird Licht mit einer Wellenlänge (Farbe!) emittiert, die der Energiedifferenz zwischen den beiden Schalen entspricht. Die Hauptenergiestufe wird Hauptquantenzahl n (n = 1, 2, 3…) genannt.

Da die Hauptenergiestufen (Hauptschalen) nicht zur Erklärung linienreicher Spektren ausreichen (wie sie bei Atomen mit vielen Elektronen in der Elektronenhülle auftreten), zieht man weitere Energieniveaus heran.

Jede Hauptschale wird in Unterschalen aufgeteilt, die mit der Nebenquantenzahl l angegeben werden (l = n-1 bis 0), wobei hier als Werte aus historischen Gründen meistens keine Zahlen, sondern die Buchstaben s, p, d, f (=0, 1, 2, 3) angegeben werden. Die Unterschalen bestimmen den Energiezustand des Elektrons in einer Hauptschale und die räumliche Anordnung der Elektronenwolken. So hat beispielsweise ein s-Elektron eine kugelartige Ladungswolke (= Orbital, der Aufenthaltsort der Elektronen). Jedes Orbital entspricht einem bestimmten Energiezustand, es kann durch maximal zwei Elektronen besetzt sein.

Die magnetische Quantenzahl ml (dritte Quantenzahl) kann alle Werte von +l bis -l (inklusive der 0) annehmen, sie stellt das Verhalten des Elektrons im Magnetfeld dar. Bei einem l-Wert von 1 kann man aus ml = +1, 0, -1 schließen, dass es drei p-Orbitale gibt (sie stehen jeweils in Hantelform zueinander senkrecht).

Die vierte Quantenzahl ist die sogenannte Spinquantenzahl, die die Richtung der Rotation des Elektrons angibt.

Pauli-Prinzip

In einem Atom gibt es kein Elektron, das mit einem anderen in allen 4 Quantenzahlen übereinstimmt.

Daraus folgt: Jedes Elektron wird durch die vier Quantenzahlen n, l, ml und ms charakterisiert.

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