Übungen zur Physik III (Atomphysik) Blatt 01

Übungen zur Physik III (Atomphysik)
Blatt 01
Prof. von Keudell, WS 2011/2012
Abgabe bis Mittwoch, 26.10.2011, 12:00, in den Kasten NB5 Süd oder in der Vorlesung
Nur ein Name pro Lösungsblatt, und jedes Blatt mit Namen und Übungsgruppe versehen!
Ansprechpartner ist Dr. Carles Corbella (NB5/167)
Aufgabe 01: Zur Atom-Hypothese der Chemie (1 Punkte)
Flüssiges Argon (Atomgewicht 39.95) hat die Dichte ρ = 1,4 g/cm3. Schätzen Sie den Durchmesser eines Argon-Atoms
ab unter der Annahme, dass Atome sich in einer dichtesten Kugelpackung befinden (d.h. die Raumerfüllung betrage
74 %).
Aufgabe 02: Thomson’s Versuch (1897), e/m Bestimmung des Elektrons (5 Punkte)
Elektronen werden in einer evakuierten Glasröhre durch eine elektrische Entladung erzeugt und durch einen Spalt in der
Anode extrahiert. Nachdem sie eine weitere Schlitzblende passiert haben, fliegen sie zwischen zwei parallelen
Metallplatten hindurch und werden auf einem Fluoreszenzschirm detektiert. (Trajektorie a, Abb. 1). Nach Anlegen einer
Spannung U an den Plattenkondensator werden die Elektronen abgelenkt und treffen um ∆yE versetzt auf den Schirm
(Trajektorie b).
a) (3 Punkte)
Stellen Sie ∆yE als Funktion der Abmaße der Apparatur (d, l, s), der angelegten Spannung U, dem Ladungs-MasseVerhältnis der Elektronen und der Elektronengeschwindigkeit dar. (vgl. Abb. 2)
l
y
s
d
v
0
∆yl
b
+
x
Abb. 1.: Thomson´s Versuchsaufbau
a
∆yE
x=l
Abb. 2: Skizze zu Thomson´s Experiment
b) (1 Punkt)
Da Thomson die Masse des Elektrons nicht kannte, konnte er die Geschwindigkeit der Elektronen nicht angeben.
Deshalb hat er ein zusätzliches Magnetfeld senkrecht zum elektrischen Feld und der Elektronenbewegung angelegt.
Die Magnetfeldstärke B wurde so eingeregelt, dass die Elektronen wieder auf die Mitte des Schirmes auftrafen.
Daraus ließ sich die Geschwindigkeit v der Elektronen ableiten. Leiten sie die entsprechende Formel für v ab, unter
der Annahme dass U, d und B bekannt sind.
c) (1 Punkt)
Kombinieren Sie die Ergebnisse der Teilaufgaben A und B um einen Ausdruck für das Ladungs-Masse-Verhältnis
qE/mE zu erhalten. Berechnen Sie außerdem qE/mE für U = 50 V, d = 10 mm, l = 20 mm, s = 100 mm, B = 0.84 mT,
∆yE = 56 mm und vergleichen Sie das Ergebnis mit dem realen Wert.
Aufgabe 03: Millikan-Versuch (4 Punkte)
In einer Millikan´schen Versuchsanordnung besitzen die Kondensatorplatten einen Abstand d = 1 cm. Man beobachtet
ein Öltröpfchen, das bei einer Spannung von U = 50 V gerade in der Schwebe gehalten wird.
a) Welchen Durchmesser hat dieses Tröpfchen unter der Annahme, dass seine Aufladung eine Elementarladung e
beträgt? Wie groß wäre es bei doppelter Ladung?
b) Wie groß ist die Sinkgeschwindigkeit dieses (einfach geladenen) Tröpfchens, wenn man das elektrische Feld
umkehrt?
(Hinweise: die Dichten von Öl und Luft sind ρÖl=0.9 g/cm3 und ρL = 1.29×10-3 g/cm3; der Koeffizient der inneren
Luftreibung (Viskosität) beträgt η = 1.83×10-5 Ns/m2)