Rydberg-Konstante

Rydberg-Konstante

Physikalische Konstante
Name Rydberg-Konstante
Formelzeichen R∞
Wert
SI 10973731,568539m−1
Unsicherheit (rel.) 5,0⋅10−12
Bezug zu anderen Konstanten
R∞=α2mec2h
α – Feinstrukturkonstante
me – Elektronenmasse
c – Lichtgeschwindigkeit im Vakuum
h – Plancksches Wirkungsquantum
Quellen und Anmerkungen
Quelle SI-Wert: CODATA 2010 (NIST)

Die Rydberg-Konstante R∞ ist eine nach Johannes Rydberg benannte Naturkonstante in einer Näherungsformel zur Berechnung von Atomspektren, siehe Rydberg-Formel. Der Wert ist die als Wellenzahl ausgedrückte Ionisierungsenergie des Wasserstoffatoms unter Vernachlässigung relativistischer Effekte und der Mitbewegung des Kerns (also unendlicher Kernmasse, daher der Index ∞).

Der derzeit (CODATA 2010)[1] empfohlene Wert der Rydberg-Konstanten beträgt

R∞=10973731,568539(55)m−1.

Die relative Standardunsicherheit beträgt 5,0·10-12. Damit ist es die am genauesten gemessene Naturkonstante überhaupt.

Zusammenhang mit anderen Naturkonstanten

Die Rydberg-Konstante ergibt sich aus der Feinstrukturkonstante α und der Compton-Wellenlänge λC,e eines Elektrons nach

R∞=α221λC,e=α22mech=mee48cϵ02h3

mit

Rydberg-Frequenz und Rydberg-Energie

Die Rydberg-Konstante wird häufig auch als Frequenz oder als Energie angegeben. Die empfohlenen Werte betragen[2][3]

  • Rydberg-Frequenz: R=cR∞=3,289841960364(17)⋅1015 Hz
  • Rydberg-Energie: Ry=hR=hcR∞=13,60569253(30) eV=1Ry.

Der konkrete Wert der Rydberg-Energie Ry wird ein Rydberg genannt, damit wird das Rydberg als Maßeinheit für Energien verwendbar.

Herleitung

Die Rydberg-Konstante R∞ lässt sich aus folgenden vier Bedingungen berechnen:

2πr=nλ,

wobei r den Radius des Elektronenorbits bezeichnet.

FZ=mv2r.
FC=−e24πϵ0r2
V=−∫∞rFC𝐝𝐫=−e24πϵ0r.

Mit der Beziehung von de Broglie λ=hp=hmv erhalten wir aus der Bohrschen Bedingung:

v=nh2πrm. (1)

Für eine stabile Bahn gilt klassisch

FZ=−FC
⇔mv2r=e24πϵ0r2. (2)

Einsetzen von (1) liefert den Radius

r=n2h2ϵ0πme2. (3)

Unter den gemachten Annahmen sind dies also die einzigen erlaubten Bahnradien.

Außerdem folgt aus (2) für die kinetischen Energie

T=mv22=e28πϵ0r

und für die Gesamtenergie

E=T+V=e28πϵ0r−e24πϵ0r=−e28πϵ0r.

Einsetzen von (3) ergibt

E=−me48ϵ02h2⋅1n2

Jeder Orbit besitzt demnach eine bestimmte potentielle und kinetische Energie, sodass bei einer Änderung des Orbits von n1 nach n2 auch eine Energieänderung stattfindet. Diese ist gerade

ΔE=me48ϵ02h2(1n22−1n12)

oder mit

ΔE=hcλ

als Wellenlängenänderung geschrieben:

1λ=me48ϵ02h3c(1n22−1n12).

Die Rydberg-Konstante ist daher gerade

R∞=me48ϵ02h3c.

Dieses Ergebnis wurde erstmals von Niels Bohr als Folgerung seines Atommodells bestimmt.

Einzelnachweise

  1. ↑ CODATA Recommended Values. National Institute of Standards and Technology, abgerufen am 20. Juni 2011. Wert für die Rydberg-Konstante.
    Die eingeklammerten Ziffern geben die Standardunsicherheit an, bezogen auf die letzte angegebene Stelle.
  2. ↑ CODATA Recommended Values. National Institute of Standards and Technology, abgerufen am 20. Juni 2011. Wert für die Rydberg-Frequenz
  3. ↑ CODATA Recommended Values. National Institute of Standards and Technology, abgerufen am 20. Juni 2011. Wert für die Rydberg-Energie