Wie Atome Farbe machen

Was Licht, die atomare Welt und die Ausdehnung des Universums miteinander zu tun haben, hat erst die Quantenmechanik erklärt

Ohne Licht gibt es keine Farbe – doch was ist überhaupt Licht? Diese Frage hat Naturforscher und Wissenschaftler über Jahrhunderte bewegt. Erst mit der Quantenmechanik fanden Wissenschaftler die Antwort: Licht besteht aus Teilchen, so genannten Photonen, hat aber auch die Eigenschaften einer Welle. Mit den Erkenntnissen der Quantenmechanik konnten Forscher anhand farbiger Lichtspektren die Zusammensetzung der Sonne und sogar die Ausdehnung des Weltalls bestimmen.

Wie Planeten die Sonne umkreisen, so kreisen Elektronen um Atomkerne. Doch ganz passt dieses Bild nicht: Während Planeten die Sonne im Prinzip in jedem beliebigen Abstand umrunden könnten, sind den Elektronen nur ganz bestimmte Bahnen erlaubt. Das schreibt ihnen die Quantenmechanik vor. Die Zwischenräume sind tabu. Die Elektronen, die einen Atomkern umrunden, besitzen eine ganz bestimmte Energie, die davon abhängt, auf welcher Bahn sie sich befinden. Wird ein Elektron also von einer niedrigeren Bahn auf eine höhere befördert, muss ein ganz bestimmter Energiebetrag zugeführt werden. Umgekehrt gibt ein Elektron den gleichen Energiebetrag ab, wenn es von der höheren auf die niedrigere Atombahn wechselt.

Dieser abgegebene Energiebetrag verwandelt sich in ein ganz besonderes Teilchen: in ein Photon, wie die Lichtteilchen oder Lichtquanten genannt werden. Dieses Photon entspricht genau der abgegebenen Energie, die wiederum die Wellenlänge des Lichts festlegt. Die zugehörige Gleichung entdeckte der deutsche Physiker Max Planck (1858-1947) und begründete damit die Quantenmechanik. Je kürzer die Wellenlänge, desto größer ist die Energie der Lichtquanten. Die Wellenlänge des Lichts bestimmt auch dessen Farbe. Das sichtbare Licht bewegt sich in Wellenlängen zwischen 750 Nanometern (rotes Licht) und 380 Nanometern (blaues Licht).

Die Elektronen in den Atomen füllen die ihnen erlaubten Bahnen, die so genannten Orbitale, der Reihe nach auf. Das einfachste aller Atome ist das Wasserstoffatom, das nur ein einziges Elektron enthält. Dieses befindet sich im Orbital mit der niedrigsten Energie. In das gleiche Orbital passt gemäß den Regeln der Quantenmechanik ein weiteres Elektron, so dass auch das zweite Element im Periodensystem, das Heliumatom, noch mit diesem einen Orbital auskommt. Die Elektronen der nachfolgenden Elemente des Periodensystems besetzen dann nach und nach die weiteren Orbitale. [>>]