Rydberg-Konstante
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Mit der Rydberg-Konstante R (benannt nach Johannes Rydberg) können die Wellenlängen der Spektrallinien von Atomen bestimmt werden. Dies geschieht mit der Formel
wobei Z die Anzahl der Ladungsträger im Kern (für Wasserstoff ist Z=1) und λ die Wellenlänge des vom Elektron emittierten Photons ist. Weiter bezeichnet n1 die Quantenzahl des Orbits, von dem aus das Elektron in den tiefergelegenen Orbit n2 übergeht - also etwa vom dritten Orbit n1=3 in den zweiten n2=2.
Formell setzt sie sich aus verschiedenen Naturkonstanten zusammen, mit
wobei e die Elementarladung, h das Planck'sche Wirkungsquantum, me die Elektronenmasse, c die Lichtgeschwindigkeit und ε0 die elektrische Feldkonstante sind.
Der Wert der Rydberg-Konstante wurde experimentell (im MKS-System) zu
bestimmt.
Häufig werden auch Rydberg Frequenz R und die Rydberg Energie Ry als Rydberg-Konstante angegeben. Diese betragen
- Rydberg Frequenz:
- Rydberg Energie:
Letzteres ist gerade die Ionisierungsenergie des Wasserstoffs und wird ein Rydberg der Energie genannt.
Da die Rydberg-Konstante von der Kernmasse M abhängig ist, ist sie für jedes Isotop eines Elements verschieden.
Die allgemeine Rydberg-Konstante ist
mit der allgemeinen Formel
[Bearbeiten] Herleitung
Die Rydberg-Konstante lässt sich über die Bohrsche Bedingung, die Zentrifugalkraft, die Coulombkraft, und die elektrische potentielle Energie eines Elektrons im Orbit um ein Proton berechnen.
- Die Bohrsche Bedingung ist
- Für die Zentrifugalkraft gilt
- Coulombkraft zwischen Proton und Elektron
- Die potentielle Energie im Abstand r zum Proton beträgt
Mit der Beziehung von de Broglie erhalten wir aus der Bohrschen Bedingung
- (1)
Für eine stabile Bahn gilt klassisch
- (2)
Nach Einsetzen von (1) in diese Beziehung ergibt sich für den Radius
- (3)
Unter den gemachten Annahmen sind dies also einzigen erlaubten Radien für ein sich um ein Proton bewegendes Elektron.
Außerdem folgt aus (2) für die Geschwindigkeit
- (4)
Wenn wir mit (3) und (4) die Gesamtenergie berechnen, finden wir
Jeder Orbit besitzt demnach eine bestimmte potenzielle und kinetische Energie, sodass bei einer Änderung des Orbits von n1 nach n2 auch eine Energieänderung stattfindet. Diese Änderung ist gerade
Oder mit
als Wellenlängenänderung geschrieben
- .
Da hier ein e2 die Ladung des Kerns repräsentiert, muss für allgemeine Atome die Kernladungszahl Z hinzugefügt werden. Damit gilt
- .
Die Rydberg-Konstante von Wasserstoff ist daher gerade
- .
Dieses Ergebnis wurde erstmals von Niels Bohr als Folgerung seines Atommodells bestimmt.
Für den genauen Wert von R bzw. der Energieniveaus des Wasserstoffs muss die Mitbewegung des Kerns berücksichtigt werden, weshalb die Elektronenmasse durch die reduzierte Masse µ ersetzt wird.
- , mit
Lässt man die Kernmasse M gegen Unendlich gehen, so ergibt sich wieder
Allgemein kann man daher schreiben