Anwendungen: Licht und Elektronenhülle

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1 Fachdidaktik Chemie ETH Grundlagenfach: Atombau S. 11 Anwendungen: Licht und Elektronenhülle Was man über Licht wissen muss Demonstration: Weisses Licht besteht aus allen Farben Hellraumprojektor abdecken so, dass nur ein Spalt Licht durchgeht. Ein optisches Gitter unter der Linse des Hellraumprojektors befestigen. Flammenfarbe Demonstration: Wattestäbchen befeuchten und ein Körnchen Lithiumchlorid in die Bunsenbrennerflamme halten. Wiederholung mit Natriumchlorid und Kupfer(II)-chlorid. Immer ein frisches Wattestäbchen verwenden. Erkenntnisse: Weil Elektronen sich in Schalen aufhalten, entsteht Licht mit einer einzigen Wellenlänge In verschieden Atomen sind die Abstände zwischen den Schalen unterschiedlich

2 Fachdidaktik Chemie ETH Grundlagenfach: Atombau S. 12 Fluoreszenz Fluoreszierende Materialien vergrössern die Wellenlänge des Lichts. Demonstration 1: a) Ein grosses Becherglas mit 4 L Wasser füllen, automatisch rühren bis sich ein Wirbel bildet, eine UV-Lampe auf das Becherglas legen, den Raum verdunkeln, UV 366 nm einstrahlen, ganz wenig festes Fluorescein neben den Wirbel ins Wasser geben. b) Mit einem Leuchtstift ein Signet auf ein Blatt Papier ohne Aufheller zeichnen. Raum verdunkeln und das Signet unter UV-Licht mit einer Wellenlänge von 366 nm betrachten Demonstration 2: Raum verdunkeln und Banknoten verschiedener Länder, Fahrkarten der SBB, Pass, Identitätskarte, Maestrokarte und Briefmarken mit langwelligem UV-Licht bestrahlen. Im Gegensatz zu Dollarnoten zeigen Euroscheine beeindruckende Bilder, die nur unter ultraviolettem Licht von 366 nm Wellenlänge zu sehen sind. Weisses Papier mit und ohne Aufheller, Umweltschutzpapier und Leuchtstifte lohnen sich ebenfalls. Neonröhren Amadeus Bärtsch 23. Okt. 2015

3 Fachdidaktik Chemie ETH Grundlagenfach: Atombau S. 13 Leuchtstoffröhren Die in der Umgangssprache als Neonröhren bezeichneten Lampen, enthalten Quecksilberdampf und kein Neon. Korrekt werden sie Leuchtstoff- oder Fluoreszenzröhren genannt. Demonstration: Zerlegte Leuchtstoffröhre unter sichtbarem und ultraviolettem Licht von 256 nm ansehen. Glühbirnen wird viel heisser als und Energiesparlampen, weil sie viel Wärme und wenig Licht erzeugen. Leuchtstoffröhren, Energiesparlampen, Glühbirnen und Sonnenlicht mit einem Spektroskop betrachten. Billige Handspektrometer rechts abgebildet können bei bestellt werden. Phosphoreszenz Demonstration: Sterne oder Spielzeuge, die in der Nacht leuchten im verdunkelten Zimmer zeigen. Phosphoreszierende Materialien nehmen Tageslicht auf und geben es später wieder ab. Die Abbildung zeigt Kohlenstoffatome der phosphoreszierenden Substanz: Erkenntnisse: In gewissen Materialien bleiben die Elektronen lange im angeregten Zustand Ein Elektron nach dem andern fällt in den Grundzustand Wenn alle Elektronen nach unten gefallen sind, leuchtet der Gegenstand im Dunkeln nicht mehr.

4 Fachdidaktik Chemie ETH Grundlagenfach: Atombau S. 14 Laser Laser ist die Abkürzung für Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation. Wörtlich übersetzt heisst das "Licht Verstärkung durch erzwungene Abgabe von Strahlung". Diese Worte beschreiben die Vorgänge in einem Laser. Ein Laser besitzt ein lichtverstärkendes Medium, z. B. ein Gas. Energie wird zugeführt so dass die meisten Atome des Gases im angeregten Zustand vorliegen. Das Licht, das ausgesandt wird, wenn ein Elektron spontan in den Grundzustand fällt, lässt andere Elektronen in den Grundzustand zurückkehren. Man spricht von erzwungener Emission. So wird das Licht in einem optischen Empfehlungen für eine Animation und einen Zeitungsartikel finden Sie im Skript auf Soll das Orbitalmodell im Grundlagenfach unterrichtet werden? Was spricht dagegen? Was spricht dafür? Das Kugelwolkenmodell (Kimball-Modell) ist einfacher als das Orbitalmodell. Eine ganze Reihe von Kolleginnen und Kollegen setzen das Kugelwolkenmodell ein und nehmen in Kauf, dass sie ein Konzept einführen, das pädagogisch motiviert ist und in der Wissenschaft nicht verwendet wird. Zudem sind Kugelwolken- und Orbitalmodell derart ähnlich, dass es leicht zu Verwechslungen kommen kann.

5 Fachdidaktik Chemie ETH Grundlagenfach: Atombau S. 15 J. Laukenmann berichtet in der SonntagsZeitung vom 16. Mai 2010 in einem ausgezeichneten Artikel in Text und Bild von den anfänglichen Schwierigkeiten der Laserpioniere und dem weiten Nutzen des Lasers heute. Ein Licht geht auf Dank Laser drucken wir und surfen im Internet, Forschung und Industrie kommen ohne ihn nicht aus heute wird er 50 Jahre alt Im Alltag sind wir uns kaum bewusst, welch zentrale Rolle der Laser in der modernen Gesellschaft spielt. Laser schicken Datenpakete durch die Glasfasernetze der Telekommunikation und des World Wide Web. Winzige Laserdioden lesen und beschreiben CDs und DVDs. Laser stecken in Druckern und Kopierern. Sie schneiden, verschweissen und bohren Materialien wie Metall, Glas und Kunststoff. In Schiffen und Flugzeugen ersetzen ringförmige Lasersysteme den Kreiselkompass. Laser kommen bei der sicheren Datenübertragung zum Einsatz, der Quantenkryptografie. Das Militär verwendet sie beim Laserradar, zur Markierung von Zielobjekten und bald vielleicht auch zur Zerstörung von Raketen. Auch für die Forschung sind Laser ein unverzichtbares Hilfsmittel. Astronomen beispielsweise werfen mit Lasern «Leitsterne» an den Nachthimmel, mit deren Hilfe das von der Erdatmosphäre induzierte Flackern aus den Bildern entfernter Sterne und Galaxien herausgerechnet wird. Satelliten nutzen Laserstrahlen, um die Erdoberfläche abzuscannen. Mit Lasern lässt sich die Konzentration umweltschädlicher Gase in der Atmosphäre messen. Laserlicht kann die Wärmebewegung von Atomen fast zum Erliegen bringen und mit den «erstarrten» Atomen erstaunliche Quantenexperimente machen. Mit ultrakurzen Laserpulsen gelingt es, in Windeseile ablaufende chemische Reaktionen zu studieren. Und und und. Anfänglich ernteten die Laserpioniere nur Spott Als der erste Laser vor genau 50 Jahren präsentiert wurde, konnten die Forscher nicht einmal erahnen, welch beispiellose Erfolgsgeschichte der Laser schreiben sollte. Der Tag Eins des Lasers ist der 16. Mai In einem Labor der Hughes Aircraft Company in der kalifornischen Stadt Culver City schaltet der Physiker Theodore Maiman eine spiralförmige Stroboskoplampe an. In ihr steckt ein zwei Zentimeter langer, stabförmiger Rubinkristall, dessen Enden poliert und verspiegelt sind. Im Takt des Blitzlichts sendet der Kristall Lichtpulse aus die neue Wunderlampe aus der Welt der Quantenphysik wurde erstmals Realität. Auf einer Pressekonferenz am 7. Juli 1960 erfährt die Öffentlichkeit von Maiman den Namen der neuen Lichtquelle: «Light amplification by stimulated emission of radiation», auf Deutsch «Lichtverstärkung durch stimulierte Emission von Strahlung», kurz: Laser. Doch der Laser findet zunächst kaum Beachtung. Die renommierte Fachzeitschrift «Physical Review Letters» lehnt die Publikation von Maimans Forschungsarbeit ab. Erst im August 1960 veröffentlicht «Nature» den Artikel. Dennoch bleibt die Fachwelt skeptisch, und die Laserpioniere müssen so manchen Spott ertragen. Der Laser sei «eine Lösung auf der Suche nach einem Problem», lautet ein viel zitierter Spruch. Denn konkrete Anwendungen gab es zunächst keine. Erst einige Jahre später verstummen die Kritiker erhält der US-amerikanische Physiker Charles Townes zusammen mit seinen russischen Kollegen Alexander Prochorow und Nikolai Bassow den Physik-Nobelpreis. Sie hatten die theoretischen Grundlagen für den Laser gelegt. Im selben Jahr schneidet im James-Bond-Film «Goldfinger» ein roter Laserstrahl einen Tisch entzwei, auf dem Bond gefesselt liegt. Hollywood hat die bemerkenswerten Eigenschaften des gebündelten Lichts rasch erkannt. Weitere Nobelpreise folgen nur Maiman geht leer aus. In den Jahren nach dessen Pionierleistung präsentieren Physiker immer neue Varianten. Statt Rubinkristall als lichtverstärkendes Medium folgen solche aus Gas, aus Halbleitermaterial und aus Farbstoffen. Auch die Wellenlänge der Laserstrahlen umfassen ein immer grösseres Spektrum. Im Laserstrahl herrscht eine militärisch strenge Ordnung Der Laser funktioniert dank diverser Tricks aus der Quantenphysik. Wenn eine klassische Lichtquelle wie etwa eine Glühbirne leuchtet, entsteht eine bunte Mischung von vielen Lichtfrequenzen. Auch die Flug- und Schwingungsrichtungen der Lichtteilchen (Photonen) variieren stark. Im Laserstrahl herrscht dagegen eine geradezu militärisch strenge Ordnung: Die Photonen

6 Fachdidaktik Chemie ETH Grundlagenfach: Atombau S. 16 haben alle dieselbe Wellenlänge, also dieselbe Lichtfarbe, sie schwingen im Gleichtakt und jagen in dieselbe Richtung. Eines der grundlegenden Prinzipien des Lasers hat kein Geringerer als Albert Einstein entdeckt. «Es ist mir ein prächtiges Licht über die Absorption und Emission von Strahlung aufgegangen», schrieb er 1916 seinem Freund Emile Besso. Einstein hatte erkannt, dass Atome nicht nur spontan Photonen abstrahlen können. Wenn ein Photon an einem Atom vorbeifliegt, kann es dieses auch zur Lichtemission anregen, indem es ein Elektron von einem höheren Energieniveau quasi herunterschüttelt wie einen reifen Apfel vom Baum. Das Atom strahlt dann ein Lichtteilchen von exakt derselben Wellenlänge ab wie das ursprüngliche Photon. Aus eins werden zwei, aus zwei werden vier und so weiter. Darauf beruht der Verstärkungseffekt eines Lasers