14.06.2005 - bei heidingers.de

Protokoll der Physikstunde vom 14.06.2005
Fehlende Schüler :
Protokollant:
Maximilian Meinhardt, Mady Fofana und Sandra
Schmidt
Michael Bentz
1. Test in der ersten Hälfte der Physikdoppelstunde
1.1 Verbesserung der dritten Aufgabe des Testes
Gegeben: λ1 = λg = 3,7 * 10-7 m; fg = c / λg = 8,11 * 1014 Hz
λ 2 = λ = 2,5 * 10-7 m; f = c / λ = 1,2 * 1015 Hz
Gesucht: vmax
Lösung: WLicht = WA + Wkin
Wkin = 0,5 * me * vmax² = WLicht - WA
0,5 * me * vmax² = h * f – h * fg
vmax² = (2h * (f - fg)) / me
vmax² = (2 * 6,624 * 10-34 Js * 1,2 * 1015 Hz – 0,81 *
1015 Hz) / 9,1 * 10-31 kg
vmax = 7,53 * 105 m/s
2. Wiederholung von 5.5.4 c) Die Lichtquantenhypothese Einsteins
dazu folgender Auszug aus dem Duden Seite 456 zum Welle-TeilchenDualismus [lat. Dualis >>zwei enthaltend<<]:
die für die moderne Physik grundlegende Tatsache, dass in der
mikroskopischen Welt jedes Objekt sowohl Eigenschaften einer Welle als auch
solche von Teilchen aufweist. Zum Beispiel können mit Licht und Elektronen
Interferenzmuster erzeugt werden (Wellencharakter), und beide rufen in einer
Fotoplatte punktförmige Schwärzungen hervor, wenn sie auf diese mit
minimaler Intensität treffen (Teilchencharakter, d.h. Auftreffen in diskreten
>>Portionen<< oder Quanten). In einer pragmatischen Sichtweise beschreibt
man mikrophysikalische Objekte je nachdem, welche Eigenschaften in einem
speziellen Experiment zutage treten bzw. interessieren, imWellenbild oder im
Teilchenbild: Licht als elektromagnetische Welle oder als Photon (Ruhemasse
Null), Elektronen als Punktladung oder als De-Broglie- oder Materiewelle. Man
muss dabei aber immer im Auge behalten, dass beide Objekte weder Wellen
noch Teilchen sind, sondern eine der menschlichen Anschauung nicht
zugängliche Natur besitzen.
Weitergehend dazu noch ein Extrakt aus dem Physikbuch Seite 319:
2.1 Lichtquanten(Photonen):
Nach Einstein verhält sich Licht insbesondere bei der Wechselwirkung
Materie so, als bestünde es aus einem Strom von unabhängigen
Energiepaketen (Lichtquanten oder Photonen) mit der Energie
E = h * f. Dabei ist f die Frequenz, die dem Licht in der Wellentheorie
zugeordnet wird, und h = 6,6 * 10 -34 J s die plancksche Konstante. Die
Lichtintensität wird dieser Vorstellung gemäß durch die Anzahl der pro
Zeiteinheit eintreffenden Photonen festgelegt. Die Farbe wird durch den
Energieinhalt der einzelnen Photonen bestimmt.
Jedes Lichtquant hat den Impuls p = h/λ.
Die Lichtquantenhypothese führt zum Verständnis einiger
experimenteller Befunde wie Fotoeffekt und Comptoneffekt.
2.2 Fotoeffekt:
Licht genügend großer Frequenz kann Elektronen aus Metallen
herausschlagen. Die Anzahl der pro Zeiteinheit ausgelösten Elektronen
wird bestimmt durch die Intensität des Lichts, ihre Energie ist nur von der
Frequenz abhängig. Unterhalb einer für das jeweilige Metall
charakteristischen Grenzfrequenz werden auch bei hoher Intensität keine
Elektronen ausgelöst.
Deutung (nach Einstein): Lichtquanten mit der Energie h * f
übertragen ihre Energie jeweils auf ein Elektron. Ein Teil der Energie wird
verwendet um das Elektron aus dem Metallverband zu lösen
(Auslösearbeit Wa), den Rest bekommt das Elektron als kinetische Energie
Wel mit. Die Energiebilanz lautet: h * f = Wa + Wel.
2.3 Comptoneffekt:
Wird Röntgenstrahlung z. B. an Plexiglas gestreut, so hat die rückwärtige
und seitliche Streustrahlung eine größere Wellenlänge (bzw. eine
niedrigere Frequenz ) als die einfallende Strahlung.
Bei Streuung um den Winkel υ vergrößert sich die Wellenlänge um
Δλ = (h / (me * c)) * (1 – cos υ).
Deutung (nach Compton): Röntgenphotonen stoßen gegen Elektronen, die
in den Atomen des Streukörpers gebunden sind. Bei einem solchen Stoß
werden Energie und Impuls gemäß den Stoßgesetzen der Mechanik auf
das Elektron übertragen, sodass das Photon mit geringerer Energie
weiterfliegt. Geringere Energie bedeutet im Wellenmodell, dass die
Röntgenstrahlen nach Durchdringen des Streukörpers eine geringere
Frequenz und eine größere Wellenlänge hat.
e) Wellencharakter:
Treffen die Photonen auf ein Gitter, dann erzeugen sie Interferenzerscheinungen
wie Wellen.
f) Das Wellenpaket:
Das Photon besitzt beim Maximum des Wellenpakets die größte
Aufenthaltswahrscheinlichkeit. Es kann sich aber auch (mit geringer
Wahrscheinlichkeit) an jeder anderen Stelle befinden.
g) Ergebnis:
Wahrscheinlichkeitswelle (Max Born)
Die Ausbreitung eines Photons wird durch eine (modulierte) Wellenfunktion ψ
(x, t) beschrieben. Das Amplitudenquadrat ψ (x, to)² beschreibt die
Aufenthaltswahrscheinlichkeit.