Quantenphysik zum Anfassen (Wahlpflichtfach 2)

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Vorl. #12 (28. Nov. 2008)
ExperimentalPhysik III
WS08/09
Wiederholung
Quantelung bekannt von Masse, Ladung, Energie
1) Masse:
Chemie: Gesetz der konstanten Proportionen => Daltons Atomhypothese
kinetische Gastheorie: Gas als Teilchen mit kin. Energie
Atome sind durchs Rastertunnelmikroskop "sichtbar" geworden.
2) Ladung:
Faraday Elektrolyse: F = 96485 C => F = NA e => e = 1,602 10−19 C
Millikan Versuch: Prinzip: geladene Tropfen in Flüssigkeit + E-Feld + Gravitationskraft +
Reibungskraft => Gleichfeld-Methode: sinken im Feld + steigen im Feld
3) Ladung/Masse:
Prinzip: geladene Teilchen + E + B Felder in verschiedenen Anordnungen => q/m
Struktur der Materie
1) Atom = Elektronen + "sonst etwas" => => Bindungsenergie
Franck-Hertz Versuch: kin Energie => Bereiche mit el. Stössen bzw. inelastischen Stössen
Photoionisation => Ionisationsenergie => Schalenstruktur der Atome
Weiterführung
2) Atom = Atomschale (Elektronen) + Atomkern (Protonen,Neutronen)
Versuch: Rutherford-Experiment (alpha Teilchen auf Gold Folie)
Chemische Eigenschaften hängen von Elektronen ab (sind ja am äussersten)
=> Anzahl der e- = Anzahl der Protonen Z im Kern
=> Z bestimmt um welches chemische Element es sich handelt
3) Festkörper
periodisches Array von Atomen
Interferenz der gestreuten Wellen von vielen Punkten
nλ = 2d sin θ
Versuch: Bragg 2Theta Versuch
Versuch: Röntgenröhre, Röntgengerät
X-ray: Streuung an der Elektronenhülle => Ladungsdichte
n:
Streuung am Kern => Kernpositionen
Streuung am Elektronenspin => Elektronenspindichte
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Vorl. #12 (28. Nov. 2008)
Quantelung von Energie
Newton: Licht = Teilchen (geradlinige Ausbreitung, Brechung, Erinnerung Abberation)
Huygens: Licht = Welle (Interferenz, Beugung)
Maxwell + Hertz: Licht nur ein Teil des el.mag. Wellen Spektrums => "Sieg" für Welle
Wellenoptik:
Licht = Wellen => Interferenz, Beugung, Polarisation, Reflexion, Brechung
Strahlenoptik, geometrische Optik
=> Beugungseffekte unwichtig Grösse der Objekte ca = λ !!!!!
Quantenoptik
=> QM: Licht ist beides
(Welle => Interferenz, Beugung, etc, Teilchen => Absorption, Emission, etc.)
Licht als Teilchen
Temperaturstrahlung, Schwarzkörper-Strahlung, Hohlraumstrahlung
Energiedichte w(f): w( f )df = n( f )W ( f , T )df
8πf 2
df
c3
klassisch = Äquipartitionsgesetz mit 2 Freiheitsgraden => W = kT
8πf 2
=> Rayleigh-Jeans'sches Gesetz: w( f )df = 3 kTdf => UV-Katastrophe!!
c
Hohlraum => n( f )df =
Plank'sches Strahlungsgesetz
Annahme: Wn = nhf
=> thermische Besetzungszahl dichte p n =
=> W = ∑ p nWn
exp(− nhf / kT )
∑n exp(−nhf / kT )
n
=> W =
8πhf 3
df
hf
=> w( f )df =
3
exp(hf / kT ) − 1
exp(hf / kT ) − 1
c
hf/kT -> 0 => W → kT => RJ-Gesetz = kl. Grenzfall (hohe Temperaturen)
hf/kT -> ∞ => W → hf exp(− hf / kT )
Wien-Verschiebung:
max der Strahlung: ν max ∝ T
Versuch: Wien-Verschiebung (Glühlampe + Spektrometer)
Quantisierung aus kontinuierlichem Spektrum erschlossen!!!!