Übung zur Experimentalphysik III für Geowissenschaften Übung 1

Wintersemester 2015/16
Vorlesung: Prof. Dr. Wolfgang Regenstein
Übungsaufgaben: Dr. Jürgen Reiche
Übung zur Experimentalphysik III für Geowissenschaften
Übung 1: Quantentheorie 1
Themenübersicht:
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Begriffsbestimmung Quanten
PLANCKsches Strahlungsgesetz
WIENsches Verschiebungsgesetz
Welle-Teilchen Dualismus
Photoeffekt / lichtelektrischer Effekt
Compton-Effekt
Literatur:
1. Stroppe, H.: Physik, 11. Auflage, Kapitel 42, S. 401-420.
2. Giancoli D. G.: Physik, 3. Auflage (2010) Kapitel 38, S.1264-1278.
3. Halliday D., Resnick, R., Walker, J.: Fundamentals of Physics, 6. Auflage (2001)
Kapitel 39 S. 953-978.
4. Tipler, P.A., Mosca, G. Physik, 6. deutsche Auflage, Kapitel 34 S. 1322-1330.
5. Hänsel H., Neumann, W.: Physik, Band 3, Atome, Atomkerne, Elementarteilchen,
Spektrum Verlag, (1996) Kapitel 1-3, S15-87.
Aufgaben: (Besprechung in der Übung am 22. 10. / 23.10.2015)
1.
Es ist bekannt, dass die Sonne Licht emittiert, dessen Intensitätsmaximum im
Bereich des sichtbaren Spektrums bei etwa 500 nm liegt. Schätzen Sie daraus die
Oberflächentemperatur der Sonne ab.
2.
Schätzen Sie ab, wie viele Photonen eine Glühlampe mit 100W Leistung pro Sekunde
im sichtbaren Bereich des Lichts emittiert, wenn 100% der Energie in Form von
Photonen abgestrahlt wird.
3.
Die Intensität des zur Erde gelangenden Sonnenlichts beträgt etwa 1400 W/m2.
Nehmen Sie eine mittlere Photonenenergie von 2,00 eV an (entspricht einer
Wellenlänge von ca. 600nm) und berechnen Sie damit die Anzahl der Photonen, die
pro Sekunde auf eine Fläche von 1,00 cm2 auftreffen.
4.
Berechnen Sie die Energie eines Photons aus blauem Licht mit λ = 450 nm.
5. (Giancoli Beispiel 38.2) In welcher Farbe erscheint ein Stern mit einer Oberflächentemperatur von 32 500 K?
6. (Tipler Beispiel 34.1) Berechnen Sie jeweils die Photonenenergie für Licht der
Wellenlänge 400nm (violett) bzw. 700nm (rot). Diese beiden Wellenlängen
entsprechen den Rändern des sichtbaren Spektralbereiches.
7. (Giancoli Beispiel 38.6) Bei der Photosynthese, dem Prozess, bei dem Pigmente wie
Chlorophyll in Pflanzen die Energie des Sonnenlichts einfangen, um aus CO2 Kohlenhydrate und O2 zu gewinnen, werden zur Umwandlung eines CO2-Moleküls in Kohlenhydrat und Sauerstoff etwa 9 Photonen benötigt. Wie effizient ist der Prozess der
Photosynthese unter der Annahme, dass Licht der Wellenlänge λ = 670 nm einfällt
(Chlorophyll absorbiert am stärksten im Bereich von λ = 650 nm bis λ = 700 nm)? Die
umgekehrte chemische Reaktion setzt eine Energie von 4,9 eV pro CO2-Molekül frei.
8. Was verstehen Sie unter dem Photoelektrischen Effekt?
9. Was kennzeichnet den Compton-Effekt?
Zusatzaufgaben:
1. Erläutern Sie den Begriff „ Schwarzer Strahler“ bzw. „Strahlung des schwarzen
Körpers“.
2. Röntgenstrahlung der Wellenlänge 0,140 nm wird an einem Stück Graphit (Kohlenstoff)
gestreut. Wie groß ist die Wellenlänge der gestreuten Röntgenstrahlung im Winkel von (a)
0°, (b) 90° und (c) 180°?
3.
a) Wie groß muss die Energie eines Photons mindestens sein, dass dieses ein ElektronPositron-Paar erzeugen kann?
b) Wie groß ist die Wellenlänge dieses Photons?
4.
Ein Röntgen-Photon der Wellenlänge 6,00 pm stößt frontal auf ein Elektron, sodass das
gestreute Photon entgegen der Einfallsrichtung austritt. Das Elektron ist anfangs in Ruhe.
a) Um wie viel ist die Wellenlänge des gestreuten Photons größer als die des einfallenden
Photons?
b) Wie groß ist die kinetische Energie des zurückgestoßenen Elektrons?