Rydberg-Formel-Rechner (Wasserstoff-Atomspektrum)
Rydberg-Formel-Rechner für Wasserstoff-Spektrum: 1/lambda = R(1/n1^2 - 1/n2^2). Lyman UV, Balmer sichtbar, Paschen IR. Wasserstoffähnliche Atome mit Z.
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Rydberg-Formel
Rydberg 1888: 1/lambda = R(1/n1^2 - 1/n2^2). R = 1.0974e7 m^-1. n1, n2 ganzzahlig mit n2 > n1.
H-alpha-Beispiel
n2=3 -> n1=2: lambda = 656.4 nm (rot). f = 4.567e14 Hz. E = 1.89 eV.
Spektrale Serien
| n1 | Name | Jahr | Limite |
|---|---|---|---|
| 1 | Lyman | 1906 | 91.2 nm UV |
| 2 | Balmer | 1885 | 364.6 nm sichtbar |
| 3 | Paschen | 1908 | 820.4 nm IR |
| 4 | Brackett | 1922 | 1458 nm IR |
| 5 | Pfund | 1924 | 2279 nm IR |
| 6 | Humphreys | 1953 | 3282 nm IR |
Bemerkenswerte Balmer-Linien
- H-alpha 656.281 nm rot.
- H-beta 486.135 nm Cyan.
- H-gamma 434.047 nm violett.
- H-delta 410.174 nm.
- H-epsilon 397.007 nm UV.
Wasserstoffähnliche Atome
R_Z = R Z^2. He+ (Z=2): 4x H. Li2+ (Z=3): 9x. Fe25+: 676x astrophysisch.
Bohr-Modell
Bohr 1913: Bahnen L = n hbar, Coulomb-Gleichgewicht, E_n = -13.6/n^2 eV. Leitet R aus Fundamentalen ab.
Ionisationsenergie
R h c = 13.605 eV (H). Für Z: 13.605 Z^2 eV. He+ 54.4, Li2+ 122.4.
Grenzen
- Nur H und wasserstoffähnliche.
- Keine Feinstruktur.
- Keine Hyperfeinstruktur.
- Keine Zeeman/Stark.
- Lamb-Verschiebung QED.
Astronomische Spektroskopie
- 21 cm H galaktisch.
- Quasar Lyman-alpha-Wald.
- H II Nebel H-alpha.
- Sterne Balmer-Absorption.
- Sonne Fraunhofer C, F.
- Exoplaneten Transit.
- Kosmologie Rekombination CMB.
Geschichte
Ångström 1853 Balmer-Messungen. Balmer 1885 sichtbare Formel. Rydberg 1888 verallgemeinert. Lyman 1906. Paschen 1908. Bohr 1913 leitet R ab. Sommerfeld 1916. Schrödinger 1926. Dirac 1928.
Rechnermodi
Fünf: lambda aus n1 n2, Frequenz und Energie, Serien (5 Linien), wasserstoffähnlich Z, Übergang aus lambda identifizieren.
Das Bohr-Modell: die Rydberg-Konstante herleiten
Rydbergs Formel war ein Triumph der Mustererkennung, aber sie war rein empirisch: sie passte die beobachteten Wasserstoffwellenlangen wunderbar an, ohne zu erklaren, warum uberhaupt ganze Zahlen erscheinen sollten. Diese Erklarung kam 1913 mit Niels Bohr. Er postulierte, dass ein Elektron nur Bahnen einnehmen kann, in denen sein Drehimpuls ein ganzzahliges Vielfaches der Planck-Konstante geteilt durch zwei Pi ist, und quantisierte die Energie des Atoms in eine Leiter diskreter Niveaus, gegeben durch minus 13,6 Elektronenvolt geteilt durch n zum Quadrat. Ein Photon wird nur emittiert oder absorbiert, wenn das Elektron zwischen zwei Sprossen springt, und seine Energie ist genau die Differenz zwischen ihnen.
Aus dieser einzigen Quantisierungsregel folgt die Rydberg-Formel, wobei die Konstante nicht mehr gemessen, sondern berechnet wird. Setzt man die Photonenenergie gleich der Lucke zwischen Niveau n2 und Niveau n1, reproduziert man eins durch lambda gleich R mal die Differenz der inversen Quadrate, und R selbst ergibt sich als Kombination aus Elektronenmasse und -ladung, Planck-Konstante und Lichtgeschwindigkeit. Der berechnete Wert stimmte innerhalb des experimentellen Fehlers mit dem spektroskopischen uberein, eine verbluffende Bestatigung, die eine empirische Kuriositat zu einem Eckstein der Quantentheorie machte. Spatere Arbeiten von Schrodinger und Dirac verfeinerten das Bild, aber Bohrs einfache Leiter erklarte bereits die ganzen Zahlen.
Spektrale Fingerabdrucke: wie sich Atome verraten
Da jedes Element seinen eigenen Satz von Energieniveaus hat, emittiert und absorbiert es Licht nur bei einem einzigartigen Muster von Wellenlangen, einem spektralen Fingerabdruck, so unverwechselbar wie ein Strichcode. Erhitzt man ein Gas, leuchtet es in scharfen Emissionslinien; schickt man weisses Licht hindurch, erscheinen dieselben Wellenlangen als dunkle Absorptionslinien. Das ist die Grundlage der Spektroskopie und erlaubt Chemikern, Substanzen allein an ihrem Licht zu erkennen. Die Balmer-Linien des Wasserstoffs, die die Rydberg-Formel so genau beschreibt, gehoren zu den erkennbarsten Signaturen der gesamten Wissenschaft.
Die Reichweite dieser Idee ist kosmisch. Astronomen konnen keinen Stern besuchen, aber indem sie sein Licht in ein Spektrum zerlegen, lesen sie ab, welche Elemente er enthalt, wie heiss er ist und wie schnell er sich bewegt. Helium wurde 1868 im Spektrum der Sonne entdeckt, Jahre bevor es auf der Erde gefunden wurde, und nach dem griechischen Wort fur Sonne benannt. Eine Verschiebung des gesamten Linienmusters zum Roten verrat eine sich entfernende Galaxie, der Doppler-Effekt, der erstmals zeigte, dass sich das Universum ausdehnt. Die bescheidenen Wasserstoffubergange, die hier berechnet werden, uber Milliarden Lichtjahre rotverschoben, sind die Massstabe, mit denen Kosmologen den Kosmos vermessen.
Aktualisiert im Juli 2026
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