Aufgaben zu den Grundlagen der Quantentheorie: Unterschied zwischen den Versionen

Version vom 29. Januar 2013, 19:14 Uhr

Energie von Photonen

Berechnen Sie die Energie eines Teilchens von UV-Licht, blauem und rotem Licht. Außerdem von Handy- und Radiowellen. Geben Sie das Ergebnis in Joule und eV an.

Ionisierungsenergie von Ammoniak

Ammoniak ([math]NH_3[/math]) ist eine für den Stoffwechsel wichtige Stickstoffverbindung (S. wikipedia). Sie hat eine Ionisierungsenergie von 10,16 eV.

• Ab welcher Wellenlänge kann eine elektromagnetische Welle Ammoniak ionisieren?

Welche "Sorte" von em-Welle ist das?

Sonnenbrand

Warum ist es aus Sicht der Wellentheorie des Lichtes nicht zu verstehen, dass man von sichtbarem Licht keinen Sonnenbrand bekommen kann?

Wie ist dies aber mit der Teilchentheorie zu erklären?

Photoeffekt: Geschwindigkeit eines Elektrons

Eine Zinkplatte wird mit Licht der Wellenlänge 200nm bestrahlt. Die Ionisierungsenergie von Zink beträgt 4,34eV. Welche maximale Geschwindigkeit kann ein ausgelöstes Elektron haben?

Röntgenröhre

Intensität in Abhängigkeit von der Wellenlänge. Anodenmaterial: Rhodium

Eine Röntgenröhre ist ein technisches Bauteil, das als Quelle von kurzwelligen em-Wellen dient.

Dabei werden Elektronen in einem elektrischen Feld von Spannungen von einigen kV beschleunigt und treffen dann auf eine Metallplatte. Die energiereichen Elektronen bewirken auf verschiedene Arten die Entstehung von em-Wellen/Photonen.

Bei der Entstehung der sogenannten Bremsstrahlung wird eine em-Welle/Photonen ausgesendet durch das Abbremsen der Elektronen im Metall. Bei der charakteristischen Strahlung werden durch die energiereichen Elektronen innere Hüllenelektronen des Anodenmaterials herausgelöst. Diese Lücken werden von freien Elektronen oder äußeren Hüllenelektronen gefüllt, wobei sie Energie verlieren und die Energie an ein Photon/em-Welle abgeben.

• Erklären Sie, warum die Bremsstrahlung eine minimale Wellenlänge besitzt. Welche Beschleunigungsspannung lag an der Röntgenröhre an, als das nebenstehende Spektrum aufgenommen wurde?

Bestimmung von h mit der Gegenfeldmethode

Den Versuchsaufbau kann man sich hier noch einmal anschauen. Als Anodenmaterial wird Cäsium verwendet. Folgende Messwerte sind das Ergebnis der Messung:

Wellenlänge (nm)| Gegenspannung (V)| kin. Energie in J |
            411 | 0,81             |                   |
            447 | 0,62             |                   |
            492 | 0,41             |                   |
            534 | 0,28             |                   |
            590 |  -               |                   |

• Ergänzen Sie die kinetische Energie des ausgelösten Elektrons und tragen Sie die kinetische Energie über die Frequenz in einem Diagramm auf.
• Bestimmen Sie aus dem Diagramm das Plancksche Wirkungsquantum und die Auslösearbeit für Cäsium.

Masse und Impuls eines Photons

Berechnen Sie die Masse und den Impuls für Photonen von kurzwelliger Röntgenstrahlung, sichtbarem Licht und von Radiowellen.

Compton-Effekt

Trifft eine em-Welle auf ein ruhendes Elektron, so wird die Welle in alle Richtungen gestreut. Man kann beobachten, dass die Wellenlänge der gestreuten Welle mit dem Ablenkungswinkel zunimmt.

• Erklären sie das Phänomen mit dem Teilchenmodell. Machen Sie eine Zeichnung der Impulsvektoren von Photon und Elektron für einen Ablenkungswinkel von 90° und von 180° (Rückwärtsstreuung).
• Warum ist der Effekt für Photonen mit größerer Wellenlänge, also kleinem Impuls zu vernachlässigen?