Teil III - Melanchthon Gymnasium Nürnberg

Physik-Skript
Teil III
Melanchthon-Gymnasium Nürnberg
Volker Dickel
3. überarbeitete Auflage, 2014
2. überarbeitete Auflage, 2012
1. Auflage 2009
Inhaltsverzeichnis
QUANTEN- UND ATOMPHYSIK ........................................................................................................................... 1 1. DIE QUANTISIERUNG DES STRAHLUNGSFELDES .............................................................................. 1 1.1. DER PHOTOEFFEKT ..................................................................................................................................... 1 1.1.1. Qualitative Untersuchung ..................................................................................................................... 1 1.1.2. Quantitative Untersuchung ................................................................................................................... 2 1.1.3. Zusammenfassung der Versuchsergebnisse und Widersprüche gegenüber der klassischen
Elektrodynamik .................................................................................................................................................... 3 1.1.4. Die Erklärung des Photoeffekts ............................................................................................................. 3 1.1.5. Diskussion der Einstein-Gleichung ....................................................................................................... 4 1.2. EIGENSCHAFTEN VON PHOTONEN ............................................................................................................... 5 1.3. WELLE-TEILCHEN-DUALISMUS DER ELEKTROMAGNETISCHEN STRAHLUNG .............................................. 6 2. WELLENCHARAKTER DER MATERIE .................................................................................................... 7 2.1. EXPERIMENTELLER NACHWEIS ................................................................................................................... 7 2.2. IMPULS UND WELLENLÄNGE ...................................................................................................................... 7 2.3. BERECHNUNG DER ELEKTRONENBEUGUNG AM KRISTALLGITTER .............................................................. 8 2.4. BERECHNUNG DER ELEKTRONENBEUGUNG AM DOPPELSPALT ................................................................. 11 2.4.1. Berechnung der Wellenlänge der Elektronen...................................................................................... 11 2.4.2. Berechnung der Interferenzmaxima .................................................................................................... 12 2.5. ANWENDUNG: DAS ELEKTRONENMIKROSKOP .......................................................................................... 13 2.6. DER WELLE-TEILCHEN-DUALISMUS DER MATERIE .................................................................................. 13 3. VERHALTEN VON QUANTENOBJEKTEN ............................................................................................. 13 3.1. 3.2. 4. WELLENCHARAKTER UND STATISTIK ....................................................................................................... 14 DIE HEISENBERGSCHE UNSCHÄRFERELATION .......................................................................................... 14 TEILCHEN IN GEBUNDENEN ZUSTÄNDEN .......................................................................................... 16 4.1. HISTORISCHES .......................................................................................................................................... 16 4.2. STEHENDE WELLEN .................................................................................................................................. 17 4.3. POTENTIALE ............................................................................................................................................. 18 4.3.1. Potential des harmonische Oszillators ................................................................................................ 18 4.3.2. Potentialwall ....................................................................................................................................... 18 4.3.3. Potentialtopf ........................................................................................................................................ 19 4.3.4. Coulomb-Potential .............................................................................................................................. 19 4.4. DIE SCHRÖDINGER-GLEICHUNG ............................................................................................................... 20 4.5. LÖSUNGEN DER SCHRÖDINGER-GLEICHUNG ............................................................................................ 21 4.5.1. Der unendlich hohe Potentialtopf ....................................................................................................... 21 4.5.2. Der harmonische Oszillator ................................................................................................................ 21 4.6. DER TUNNELEFFEKT ................................................................................................................................. 22 4.6.1. Tunneln durch den Potentialwall ........................................................................................................ 22 4.6.2. Tunneln aus dem endlich hohen Potentialtopf (radioaktiver Zerfall) ................................................. 22 5. QUANTENMECHANIK DES WASSERSTOFF-ATOMS ......................................................................... 23 5.1. 5.2. 5.3. 5.4. 5.5. 6. LÖSUNGEN DER SCHRÖDINGER-GLEICHUNG FÜR DAS COULOMB-POTENTIAL .......................................... 23 ENERGIESPEKTRUM DES H-ATOMS ........................................................................................................... 25 AUFNAHME UND ABGABE VON ENERGIE .................................................................................................. 27 SPEKTRALSERIEN ...................................................................................................................................... 27 DAS GRENZKONTINUUM ........................................................................................................................... 29 EXPERIMENTELLE NACHWEISE DISKRETER ENERGIENIVEAUS .............................................. 30 6.1. ENERGIEAUFNAHME UND WECHSELWIRKUNG VON STRAHLUNG MIT ATOMEN UND MOLEKÜLEN ........... 30 6.1.1. Resonanzabsorption ............................................................................................................................ 30 6.1.2. Zusatz: Weitere Wechselwirkungen von Strahlung mit Atomen .......................................................... 32 6.2. DAS FRANK-HERTZ-EXPERIMENT ............................................................................................................ 33 7. MEHRELEKTRONENSYSTEME................................................................................................................ 34 7.1. DIE CHEMISCHEN ELEMENTE .................................................................................................................... 34 7.2. QUANTENZAHLEN UND DAS PAULI-PRINZIP.............................................................................................. 34 7.3. DAS SCHALENMODELL ............................................................................................................................. 35 7.4. DER AUFBAU DES PERIODENSYSTEMS ...................................................................................................... 36 7.5. EMISSIONSSPEKTREN ................................................................................................................................ 41 7.5.1. Übergänge in der äußeren Elektronenhülle ........................................................................................ 41 7.5.2. Übergänge in der inneren Elektronenhülle: Röntgenspektren ............................................................ 42 8. ZUSÄTZE ........................................................................................................................................................ 45 8.1. ENERGIE-IMPULS-BEZIEHUNGEN U.A. ...................................................................................................... 45 8.1.1. Quantenobjekten mit Masse ................................................................................................................ 45 8.1.2. Quantenobjekte ohne Masse (Photonen) ............................................................................................. 47 8.2. HALBKLASSISCHE HERLEITUNG DER DISKRETEN ENERGIEN EINES ELEKTRONS IM POTENTIALTOPF ........ 48 KERNPHYSIK .......................................................................................................................................................... 49 9. AUFBAU DES ATOMKERNS....................................................................................................................... 49 9.1. STREUVERSUCHE – ENTDECKUNG DES ATOMKERNS ................................................................................ 49 9.2. KONSTITUENTEN DES ATOMKERNS........................................................................................................... 50 9.3. DIE NUKLIDKARTE ................................................................................................................................... 51 9.4. DIE ATOMARE MASSENEINHEIT ................................................................................................................ 52 9.5. MASSENDEFEKT UND BINDUNGSENERGIEN .............................................................................................. 52 9.5.1. Massendefekt und Bindungsenergie der Atomhülle............................................................................. 53 9.5.2. Massendefekt und Bindungsenergie des Atomkerns ............................................................................ 53 9.5.3. Bindungsenergie pro Nukleon ............................................................................................................. 54 9.5.4. Energieerhaltungssatz ......................................................................................................................... 55 9.6. QUANTENMECHANISCHES KERNMODELL ................................................................................................. 56 10. KERNUMWANDLUNGEN UND RADIOAKTIVE STRAHLUNG.......................................................... 56 10.1. ZERFALLSPROZESSE .................................................................................................................................. 56 10.1.1. Alpha-Zerfall .................................................................................................................................. 56 10.1.2. Beta-Zerfall .................................................................................................................................... 57 10.1.3. Natürliche Zerfallsreihen ............................................................................................................... 59 10.2. NACHWEISMETHODEN RADIOAKTIVER STRAHLUNG ................................................................................. 60 10.2.1. Ionisationskammer ......................................................................................................................... 60 10.2.2. Geiger-Müller-Zählrohr ................................................................................................................. 60 10.2.3. Nebelkammer .................................................................................................................................. 61 10.3. MESSPROZESSE ......................................................................................................................................... 62 10.3.1. Abschirmung und Strahlungstrennung ........................................................................................... 62 10.3.2. Messung der Strahlungseigenschaften ........................................................................................... 63 10.4. WECHSELWIRKUNG RADIOAKTIVER STRAHLUNG MIT MATERIE ............................................................... 67 10.4.1. Wechselwirkungsprozesse und Energieabgabe .............................................................................. 67 10.4.2. Maßgrößen der Energieabgabe ...................................................................................................... 69 10.4.3. Biologische Wirksamkeit radioaktiver Strahlung ........................................................................... 69 10.4.4. Strahlungsquellen ........................................................................................................................... 70 10.4.5. Strahlenschutz ................................................................................................................................ 70 11. GESETZE DES RADIOAKTIVEN ZERFALLS ......................................................................................... 71 11.1. ZERFALLSGESETZ ..................................................................................................................................... 71 11.2. AKTIVITÄT ................................................................................................................................................ 72 11.3. ZÄHLRATE UND NULLRATE ...................................................................................................................... 74 11.3.1. Bestimmung der Zerfallskonstanten ............................................................................................... 74 11.3.2. Der Nulleffekt ................................................................................................................................. 75 11.4. ANWENDUNGEN ZUR ALTERSBESTIMMUNG .............................................................................................. 76 11.4.1. Radio-Carbon-Methode .................................................................................................................. 76 11.4.2. Uran-Blei-Methode......................................................................................................................... 77 12. WEITERE KERNREAKTIONEN ................................................................................................................ 78 12.1. BEISPIELE FÜR KERNUMWANDLUNGEN .................................................................................................... 78 12.2. TECHNISCHE ANWENDUNGEN .................................................................................................................. 83 12.2.1. Kettenreaktion ................................................................................................................................ 83 12.2.2. Atombombe ..................................................................................................................................... 83 12.2.3. Kernkraftwerke ............................................................................................................................... 84 ANHANG ................................................................................................................................................................... 89