Übungsblatt für die Zweistündigen

Aufgabe 1 - Fotoeffekt
a)
Wellenlänge lambda = 633nm
Frequenz f=c/lambda=4,74e14 Hz
Energie E=hf=3,14e-19J=1,96eV
Die Energie ist damit höherer als die Austrittsarbeit von Cs und Ba/W. Nur dort tritt der Photoeffekt auf.

b)
Höhere Intensität heißt mehr Photonen pro Zeit. Aber deren Frequenz und Energie bleibt gleich klein und reicht nicht aus für einen Photoeffekt bei den anderen Stoffen.

c)
Energie in J umrechnen, dann f=E/h, dann lambda=c/f=296nm. Alle Wellenlängen unter 296nm sind geeignet. Das wäre UV-Licht.

Aufgabe 2
a)
Mehr Elektronen, aber mit derselben Energie. D.h. Stärkerer Fotostrom bei derselben Spannung.
b)
Photonen und damit Elektronen haben mehr Energie. Größere Spannung gemessen. Wenn Gesamtenergie pro Zeit gleich, wird die Energie auf größere und damit weniger "Pakete" verteilt. Das bedeutet weniger Elektronen und damit schwächerer Fotostrom. Bleibt die zahl der Fotonen pro Zeit gleich, dann auch die der Elektronen.

Simulationen zu Quanten und Atommodellen

Rutherford-Experiment

Rutherford fand heraus, dass die Masse von Atomen vor allem in sehr kleinen Kernen konzentriert ist. Auf http://micro.magnet.fsu.edu/electromag/java/rutherford/ kannst du sein Experiment simulieren.

Bohrsches Atommodell

Auf http://www.leifiphysik.de/web_ph12/simulationen/10bohr/bohr.htm sind einige Erklärungen zur Simulation. Der Link dort unten links führt zum Applet und zu weiteren physikalischen Erklärungen

Aufgaben: (1) Stelle in einer Tabelle die Zahlen n und die Energien der Elektronen gegenüber. (2) Klicke die Wellendarstellung an. Mit gedrückter Maustaste kannst du beliebige Bahnradien einstellen. Wodurch zeichnen sich die De-Broglie-Wellen auf den „erlaubten“ Radien aus?

Etwas bunter sieht die Simulation unter http://www.mhhe.com/physsci/astronomy/applets/Bohr/applet_files/Bohr.html aus. (Hier stimmt nicht, dass das Elektron auf den inneren Bahnen langsamer ist aus weiter außen.)

Emissionsspektren

Das obere Feld auf http://www.schulphysik.de/java/physlet/applets/spektrum4.html zeigt das Linienspektrum des H-Atoms, die Sogenannte Balmer-Serie. Wenn du mit der Maus in das Feld klickst, wird die Wellenlänge angezeigt.

Aufgabe: Bestimme die Wellenlängen und die zugehörigen Energien der Linien. Überprüfe das Gesetz, wonach die Energien sich wie E₀(1/n²-1/m²) (mit n=2 und m= 3; 4; 5;…) verhalten. Berechne die Rydbergenergie (zur Kontrolle: E₀ =13.6eV.)

Auf http://www.leifiphysik.de/web_ph12/versuche/10balmer/balmer.htm sieht man einen Versuchsaufbau mit der „Balmer-Lampe“. Berechne zur Kontrolle eine der Wellenlängen und vergleiche mit deiner obigen Wellenlänge.

Etwas Englischunterricht „zur Erholung“

Lies den Dialog unter http://www.colorado.edu/physics/2000/quantumzone/index.html und den Folgeseiten und spiele mit den Applets auf den beiden folgenden Seiten.

Polarisationsfilter

Unsere Versuche zu den Polarisationsfiltern kannst du hier in der Simulation nachspielen. (1) Beobachte, wie im Einführungsversuch http://www.didaktik.physik.uni-muenchen.de/materialien/inhalt_materialien/polfilter/index.html  die Intensität des durchgelassenen Lichts von den Winkeln abhängt. (Auf download klicken und das *.exe starten) (2) Ein (etwas abgewandeltes) Michelson-Interferometer mit zwei Polfiltern auf den beiden Wegen und einem Dritten danach findet man unter  http://www.didaktik.physik.uni-muenchen.de/materialien/inhalt_materialien/interferometer/index.html . Du kannst zwischen dem Lichtbild und der Darstellung einzelner Photonen wählen. Merke: Wenn der Weg, den das Photon genommen hat, eindeutig bekannt ist, tritt keine Interferenz auf. Wenn man nichts weiß, sieht man die Überlagerung zweier Wellen.

Franck-Hertz-Versuch

Lies unter http://www.leifiphysik.de/web_ph12/versuche/10frankherz/franck_hertz.htm den Text zum Versuchsaufbau und betrachte die einfache Animation. Eine ausführlichere Erklärung mit einer detaillierten Animation ist bei http://www.schule-bw.de/unterricht/faecher/physik/online_material/atomphysik/experimente/franckhertzd.htm

Teilchenphysik

Zumindest die drei, die im März in Tübingen dabei waren, erinnern sich vielleicht noch an das Higgs-Teilchen.

Quantenmechanik-Kurs

Der Aufbau unseres Quanten-Kurses ist in weiten Zügen angeleht an das Münchner Didaktikkonzept MILQ und seinen Basiskurs. Vor allem haben sie recht nette Simulationsprogramme.

Atome

Rutherford-Experiment.
Streuung von (positiv geladenen) geladenen Alpha-Teilchen an einer dünnen Goldfolie.
Ergebnis. Atome sind vor allem leer.
http://www.leifiphysik.de/web_ph12/versuche/10rutherfor/index.htm
und dabei vor allem:
http://micro.magnet.fsu.edu/electromag/java/rutherford/

Bohrsches Atommodell
Elektronen bewegen sich auf Bahnen so um den Kern, dass dei De-Broglie-Wellen "sich in den Schwanz beißen", dass der Umfang genau das n-Fache der Wellenlänge ist.
http://www.leifiphysik.de/web_ph12/simulationen/10bohr/bohr.htm
und
http://www.mhhe.com/physsci/astronomy/applets/Bohr/applet_files/Bohr.html
Zusammen mit der Zentripetalkraft kann man eine Gleichung für die Werte der dadurch "erlaubten" Energien herleiten.

Diese Rechnung passten mit der Beziehung E=hf zu den Spektrallinien. Sie die Simulationen zum Bohr-Modell und den Dialog in
http://www.colorado.edu/physics/2000/quantumzone/index.html

Wellenpakete 2

Geogebra-Applets zu den Wellenpaketen:
wellenpakete.html
und
wellen_frequenzen.html
(auf download klicken; öffnet sich dann im Browser)

Wellenpakete

Form von Wellenpaketen und ihre Impulsanteile – die Heisenbergsche Unschärferelation

Öffne die Seite http://www.harfesoft.de/aixphysik/quanten/Mark/heisenberg.html

Links oben siehst du die Wahrscheinlichkeitsverteilung eines Wellenpakets |Ψ(x)|².

Rechts ist die Verteilung seiner Impulse. Stelle das Menu zunächst von „gaussian“ auf „user defined“. Du kannst mit der Maus einzelne Impulsbeiträge setzen.

Mit einem einzelnen Punkt erhältst du die Wellenfunktion Ψ(x) einer ebenen Welle mit eindeutigem Impuls und eindeutiger Wellenlänge. Sie ist konstant in x, denn das Teilchen kann überall mit gleicher Wahrscheinlichkeit sein.

Füge mehr und mehr Impulsanteile bzw. Wellenlängen zu. Wie ändert sich das Wellenpaket, wenn du die Impulsanteile breiter streust?

Lösche deinen Eintrag mit „clear“. Wie sieht das Wellenpaket aus, wenn du viele nah beieinander liegende Wellenlängenanteile hast?

Stelle nun auf „gaussian“. Mit dem rechten Regler kannst du die Breite der Impulsverteilung einstellen. Wie musst du die Impulsbreite bzw. –unschärfe einstellen um ein möglichst scharf lokalisiertes Wellenpaket zu erhalten? Was geschieht mit der räumlichen Verteilung, der Breite des Wellenpakets, wenn du den Impuls scharf einstellst?