Beispielaufgabe GK - Standardsicherung NRW

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Abiturprüfung auf Basis der Kernlehrpläne
– Beispielaufgabe
Physik, Grundkurs
Vorbemerkung:
Mit dem Abiturjahrgang 2017 legen die ersten Schülerinnen und Schüler ihre Abiturprüfung
ab, die in der Gymnasialen Oberstufe nach den neuen kompetenzorientierten Lehrplänen
(Inkraftsetzung 01.08.2014) unterrichtet wurden. Grundlage für die Anforderungen im
Zentralabitur sind damit von 2017 an die Kompetenzerwartungen der neuen Lehrpläne
sowie die fachlichen Vorgaben für das Zentralabitur des jeweiligen Prüfungsjahres.
Die neuen Lehrpläne weisen Überprüfungsformen zur Lernerfolgsüberprüfung und
Leistungsbewertung aus, aus denen sich auch bezogen auf das Zentralabitur je nach Fach
unterschiedlich weit reichende Modifizierungen oder Ergänzungen der bisher üblichen
Aufgabenstellungen und -formate im Zentralabitur ergeben.
Die folgende Beispielaufgabe dient der Orientierung der Schulen und unterstützt die
Vorbereitung der Schülerinnen und Schüler auf die Abiturprüfung von 2017 an.
Fragen oder Hinweise zu den Aufgaben richten Sie bitte an [email protected].
MSW, Referat 521 / QUA-LiS, Arbeitsbereich 5
Nur für den Dienstgebrauch!
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Teilchen- und Welleneigenschaft des Elektrons
Teil A: Eine Elektronenablenkröhre zur Bestimmung der Masse des Elektrons
A1
Erzeugung des Elektronenstrahls
Abbildung 1 zeigt eine Elektronenstrahlablenkröhre, in der ein Elektronenstrahl erzeugt wird und
durch ein (weitgehend) homogenes elektrisches Feld zwischen zwei Kondensatorplatten abgelenkt
werden kann. Durch ein Helmholtzspulenpaar kann zusätzlich ein homogenes magnetisches Feld
erzeugt werden, das die Röhre senkrecht zum elektrischen Feld durchsetzt. Dadurch wird neben
der Untersuchung der Bahn der Elektronen in einem rein elektrischen Feld die Möglichkeit
gegeben, dem elektrischen Feld ein magnetisches Feld zu überlagern.
Die sich ergebenden Bahnkurven können (zumindest ausschnittsweise) auf dem Leuchtschirm
sichtbar gemacht werden. Sind beide Felder abgeschaltet, bewegen sich die Elektronen geradlinig
und genau auf der Mittelachse des Ablenkkondensators von rechts nach links.
Abbildung 1: Die Elektronenablenkröhre mit elektrischen und magnetischen Feldern
a)
Beschreiben Sie diejenigen Prozesse in der „Elektronenkanone“ der Elektronenablenkröhre, mit
denen man freie Elektronen erzeugen und auf eine gewünschte Geschwindigkeit
beschleunigen kann.
b)
Zeigen Sie, dass die Elektronen bei dem Verlassen der Elektronenkanone die Geschwindigkeit
e
v 0 = 2 ⋅ ⋅ UB besitzen, wobei mit m die Elektronenmasse, mit e die Elementarladung und
m
mit UB die Beschleunigungsspannung gegeben ist.
c)
Erläutern Sie, wie es mit Hilfe des Leuchtschirms gelingt, die Bahn der Elektronen in der
Elektronenablenkröhre sichtbar zu machen.
Dabei ist zu beschreiben, wie es zum Aussenden von Licht in den Atomen des (etwas schräg
stehenden) Leuchtschirms der Elektronenstrahlablenkröhre kommt, wenn Elektronen auf
diesen auftreffen.
(6 + 6 + 5)
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A2 Bestimmung der Masse des Elektrons
Abbildung 2 zeigt die Bahnkurve, auf der sich die Elektronen bei alleiniger Ablenkung durch das
magnetische Feld der Helmholtzspulen bewegen – die Spannung UAb zwischen den beiden Ablenkkondensatorplatten beträgt also UAb = 0 V
.
Abbildung 2: Ablenkung durch das Magnetfeld der Helmholtzspulen
a)
Begründen Sie, warum sich der Betrag der Geschwindigkeit der Elektronen beim Durchlauf
durch das Magnetfeld nicht ändert, und begründen Sie, warum sie sich auf einer kreisbogenförmigen Bahnkurve bewegen.
b)
Leiten Sie den Term
c)
Zu der kreisförmigen Bahnkurve in Abbildung 2 gehört ein Radius von r = 20 cm .
Berechnen Sie mit Hilfe dieses Wertes und der in Abbildung 2 gegebenen Betriebsdaten der
Elektronenablenkröhre die spezifische Ladung und (mit der bekannten Elementarladung) die
Masse m des Elektrons.
e
=
2 ⋅ UB
2
für die spezifische Ladung
e
des Elektrons her.
m r ⋅B
m
r bezeichnet dabei den Krümmungsradius der Bahnkurve, B die magnetische Feldstärke und
UB die Beschleunigungsspannung.
2
(8 + 8 + 6)
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A3 Kompensation der elektrischen und magnetischen Ablenkkräfte
Durchläuft der Elektronenstrahl sowohl das elektrische als auch das magnetische Feld, so wird er
bei geeigneter Wahl der Feldstärken B und E (fast) nicht aus seiner ursprünglichen geradlinigen
Bewegungsrichtung abgelenkt (siehe Abbildung 3).
Abbildung 3: „Nicht-Ablenkung“ durch geeignet gewählte Feldstärken für das elektrische sowie das magnetische Feld
Hinweis: Bei der Bearbeitung dieser Aufgabe darf angenommen werden, dass sich das elektrische
r r
und das magnetische Feld auf den gleichen Raumbereich erstrecken und dass stets gilt: E ⊥ B .
Von Inhomogenitäten in den Randbereichen der Felder ist abzusehen.
a)
Skizzieren Sie für den in Abbildung 3 erkennbaren geradlinigen Weg der Elektronen von rechts
r
r
nach links die erforderliche Orientierung von B - und E -Feld zueinander. Skizzieren Sie
außerdem die Kräfte, die aufgrund der beiden Felder auf die Elektronen wirken, und erläutern
Sie Ihre Überlegungen dazu.
b)
Für den Fall des geradlinigen Bewegungsverlaufs der Elektronen bei geeigneter Größe des
2
U 
elektrischen und des magnetischen Feldes gilt folgende Beziehung:
=
⋅  Ab  .
m 2 ⋅ UB  d ⋅ B 
e
1
Berechnen Sie mit Hilfe der gegebenen Gleichung und mit dem Literaturwert für die spezifische
e
C
= 1,76 ⋅ 1011
Ladung
die zwischen den Kondensatorplatten erforderliche Ablenkspanm
kg
nung.
(8 + 7)
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Teil B: Der Wellenaspekt beim Elektron
B1
Ein Elektronenbeugungsexperiment und die Wellenlänge des Elektrons
In der sog. Elektronenbeugungsröhre werden Elektronen durch eine Hochspannung beschleunigt
und treffen danach auf eine dünne Folie, in der sich sehr viele einzelne kleine Kristalle desselben
Typs, allerdings orientiert in alle möglichen Richtungen, befinden. In jedem einzelnen dieser
kleinen Kristalle sind die Atome jedoch regelmäßig in untereinander liegenden Ebenen
angeordnet, an denen eine „Reflexion“ der Elektronen stattfinden kann.
Abbildung 4: Elektronenbeugungsröhre
(Quelle: PHYWE Systeme GmbH & Co. KG, Göttingen)
Bei der Versuchsdurchführung sind nach Anlegen der Beschleunigungsspannung UB von einigen
wenigen kV auf dem gräulichen Leuchtschirm (bei Verwendung geeigneten Folienmaterials) ein
zentraler heller Fleck sowie (mindestens) ein dazu konzentrischer heller Kreisring als Stellen hoher
Intensität zu erkennen.
a)
Erklären Sie, warum auf dem Leuchtschirm Stellen hoher bzw. niedriger Intensität zu
beobachten sind.
b)
Erklären Sie (ggf. unter Bezug auf die Skizze in Abbildung 5), warum die Stellen hoher
Intensität kreisförmig angeordnet sind.
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Abbildung 5: Einige der sehr vielen kleinen ungeordneten Kristalle in der Folie
(http://www.leifiphysik.de/themenbereiche/quantenobjekt-elektron/versuche, 23.11.2015)
c)
Bei einer gegebenen Beschleunigungsspannung von ca. UB = 1800 V erreichen die Elektronen
7
die Folie gemäß der Gleichung in Aufgabe A1b) mit einer Geschwindigkeit von v = 2,5 ⋅ 10
m
s
.
Ermitteln Sie die Wellenlänge, die man Elektronen dieser Geschwindigkeit zuordnet.
d)
Die Beschleunigungsspannung wird von UB = 0 kV auf UB = 5 kV langsam hochgeregelt.
Erklären Sie, wie sich durch diese Spannungserhöhung die Wellenlänge der Elektronen und
dabei das Bild auf dem Leuchtschirm verändern.
(8 + 6 + 4 + 6)
B2
a)
Ein Elektronenbeugungsexperiment – weitere Aspekte
Das Elektronenbeugungsrohr darf nach der Strahlenschutzverordnung nur bis zu einer
Beschleunigungsspannung von UB = 5 kV betrieben werden, da ansonsten beim Auftreffen
der Elektronen auf die Folie Röntgenphotonen zu großer Energie entstehen.
Erläutern Sie, welche Vorgänge beim Auftreffen von Elektronen auf Materie dazu führen, dass
Röntgenphotonen entstehen.
b)
Jemand behauptet, die beim Auftreffen der Elektronen auf die Folie entstandenen Röntgenstrahlen seien, da es sich um elektromagnetische Strahlung handelt, die Ursache des
Beugungsbilds auf dem Leuchtschirm.
Erläutern Sie, wie durch ergänzende Experimente nachgewiesen werden kann, dass das Beugungsbild nicht durch Röntgenstrahlen, sondern durch Elektronen hervorgerufen wird.
Zur Verfügung stehen Ihnen (neben den üblichen Anschlussmaterialien) dafür Kondensatoren,
Permanentmagnete, eine Spannungs- bzw. eine Stromquelle und Spulen.
(6 + 7)
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Teil C: Wellen- und Teilchenaspekt beim Quantenobjekt Elektron:
Das einzelne Elektron als Quantenobjekt
Der gleichzeitig beobachtbare Wellen- und Teilchencharakter bei Quantenobjekten wird in einem
Experiment sehr deutlich, bei dem Elektronen gleicher Geschwindigkeit nacheinander einzeln
einen Doppelspalt passieren.
Beschreiben Sie das Experiment des vielfach wiederholten Durchgangs eines einzelnen Elektrons
durch einen Doppelspalt, seine Durchführung und sein Ergebnis, bei dem sowohl der Teilchen- wie
auch der Wellenaspekt des Elektrons gleichermaßen deutlich hervortritt.
(9 Punkte)
Zugelassene Hilfsmittel
•
•
•
Physikalische Formelsammlung
Graphikfähiger Taschenrechner oder CAS
Wörterbuch zur deutschen Rechtschreibung
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Unterlagen für die Lehrkraft
Abiturprüfung auf Basis der Kernlehrpläne
– Beispielaufgabe
Physik, Grundkurs
1.
Aufgabenart
Bearbeitung einer Aufgabe, die fachspezifisches Material enthält.
2.
Aufgabenstellung
Aufgabe: Teilchen- und Welleneigenschaft des Elektrons
3.
(100 Punkte)
Versuchsmaterial
Hinweise zum Experiment:
Das Experiment gemäß Abbildung 1 im Aufgabentext sollte, wenn eben möglich, aufgebaut und
qualitativ vorgeführt werden:
Versuchsaufbau zur Elektronenablenkröhre
Es ist die Wirkung des Magnetfelds (über die Helmholtzspulen) sowie des anschließend dazu geschalteten elektrischen Felds in der Art zu demonstrieren, dass zunächst das Magnetfeld allein
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eingeschaltet wird und danach das elektrische Feld, von null beginnend, so stark hoch geregelt
wird, dass die vorherige Ablenkung der Elektronen nach oben (also anders gerichtet als im Foto
oben) zu ihrem dann geradlinigen Verlauf erkennbar wird.
Die dafür nötigen Richtungen des B- und E-Felds sind in der Vorbereitung bzw. Bereitstellung des
Experiments, also ohne die Anwesenheit der Prüflinge, einzustellen und experimentell zu überprüfen, damit in der Demonstration allein der durch das B-Feld hervorgerufene Kreisbogen nach
oben und anschließend die Kompensation durch das E-Feld gezeigt werden.
Es dürfen keine – inhaltlichen – Kommentare von der Lehrkraft gegeben werden. Lediglich beim
Einschalten des Spulenstroms darf auf das dadurch hervorgerufene Magnetfeld hingewiesen werden und beim Anlegen der Spannung an die Kondensatorplatten auf den Aufbau des elektrischen
Feldes.
4.
Bezüge zum KLP SII und den Vorgaben 2017
1. Inhaltsfelder und inhaltliche Schwerpunkte:
• Inhaltsfeld 2: Quantenobjekte (dominierender Aspekt)
• Elektron und Photon (Teilchenaspekt/Wellenaspekt)
• Inhaltsfeld 4: Strahlung und Materie (Bezug zu weiterem Inhaltsfeld)
• Spektrum der elektromagnetischen Strahlung
2. Übergeordnete Kompetenzen (Schwerpunkte):
Schülerinnen und Schüler können …
• zur Lösung physikalischer Probleme zielführend Definitionen, Konzepte sowie funktionale
Beziehungen zwischen physikalischen Größen angemessen und begründet auswählen
(UF2),
• Daten qualitativ und quantitativ im Hinblick auf Zusammenhänge, Regeln oder
mathematisch zu formulierende Gesetzmäßigkeiten analysieren und Ergebnisse
verallgemeinern (E5),
• Modelle entwickeln sowie physikalisch-technische Prozesse mithilfe von theoretischen
Modellen, mathematischen Modellierungen, Gedankenexperimenten und Simulationen
erklären oder vorhersagen (E6).
3. Konkretisierte Kompetenzen (Schwerpunkte):
Die Schülerinnen und Schüler …
• modellieren Vorgänge im Fadenstrahlrohr (Energie der Elektronen, Lorentzkraft)
mathematisch, variieren Parameter und leiten dafür deduktiv Schlussfolgerungen her, die
sich experimentell überprüfen lassen, und ermitteln die Elektronenmasse,
(Kompetenzbereich: Erkenntnisgewinnung),
• erläutern die Aussage der de Broglie-Hypothese, wenden diese zur Erklärung des
Beugungsbildes beim Elektronenbeugungsexperiment an und bestimmen die Wellenlänge
der Elektronen (Kompetenzbereich: Umgang mit Fachwissen)
4. Bezüge zu den Vorgaben 2017:
Fokussierung zum inhaltlichen Schwerpunkt Elektron und Photon: Das Wellenmodell als ein
gemeinsames Beschreibungsmittel für Elektronen und Photonen
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5.
•
•
•
6.
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Zugelassene Hilfsmittel
Physikalische Formelsammlung
Graphikfähiger Taschenrechner oder CAS
Deutsches Wörterbuch
Modelllösung
Teil A: Eine Elektronenablenkröhre zur Bestimmung der Masse des Elektrons
A1 Erzeugung des Elektronenstrahls
a)
Man erhitzt einen Metalldraht (Heizspannung), sodass aus ihm Elektronen austreten können
und eine Elektronenwolke um ihn herum entsteht.
Diese Elektronen erfahren in einem elektrischen Feld eine beschleunigende Kraft, wenn zwischen Glühdraht und Anode die Beschleunigungsspannung (Anodenspannung) angelegt wird.
Wenn die Elektronen durch eine Öffnung in der Anode aus der Beschleunigungsstrecke austreten, befinden sie sich in einem (fast) feldfreien Raum und stehen dann mit konstanter Geschwindigkeit für Untersuchungen zur Verfügung.
Punkte: 6
b)
1
Der Energiegewinn der Elektronen bzw. ihre kinetische Energie E kin = ⋅ m ⋅ v 02 kommt aus der
2
Energie des elektrischen Beschleunigungsfeldes Eel = e ⋅ UB , also gilt wegen Eel = E kin :
E kin =
1
2
⋅ m ⋅ v 02 = e ⋅ UB = E el und umgestellt somit v0 = 2 ⋅
e
m
⋅ UB .
Punkte: 6
c)
Die Elektronen bewegen sich zunächst (praktisch) in einem Vakuum als gebündelter Strahl,
der den schräg gestellten Schirm streift. Hierbei treffen einige Elektronen des
Elektronenstrahls auf Atome des Schirms und regen sie zum Leuchten an, indem sie eines der
Hüllelektronen der Schirmatome in einen höheren Energiezustand versetzen bzw. das Atom
gänzlich ionisieren, sodass dies beim anschließenden Übergang in einen geringeren oder auch
den geringst möglichen Energiezustand ein Photon aussendet, das auch im sichtbaren
Wellenlängenbereich des Lichts liegen kann.
Punkte: 5
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A2 Bestimmung der Masse des Elektrons
a)
Begründung der Konstanz der Bahngeschwindigkeit: Die Elektronen erfahren im Magnetfeld
die Lorentzkraft, die stets senkrecht zu ihrem Geschwindigkeitsvektor steht. Eine senkrecht
zur Bewegungsrichtung orientierte Kraft führt nicht zu einer Energiezunahme, also bleibt die
kinetische Energie der Elektronen und damit ihre Geschwindigkeit konstant.
Begründung der Bahnkurve: Da die Geschwindigkeit der Elektronen betragsmäßig konstant
bleibt und die Lorentzkraft senkrecht zur Bewegungsrichtung orientiert ist, wirkt diese als
Zentralkraft zu einem festen Zentrum hin. Nur bei einer Kreisbahn ist in allen Punkten eine bei
konstant bleibender Geschwindigkeit senkrecht zur Bewegungsrichtung orientierte Kraft vorhanden.
Punkte: 8
b)
Herleitung der Gleichung:
1
i) Am Ende der Beschleunigungsstrecke gilt: E kin = ⋅ m ⋅ v 02 = e ⋅ UB = E el (*).
2
2
m ⋅ v0
ii) Auf der Kreisbahn gilt: FZ =
= e ⋅ v 0 ⋅ B = FL (**), da die Lorentzkraft die Zentralkraft
r
realisiert.
Stellt man Gleichung (**) nach v 0 um und setzt den Term in (*) ein, ergibt sich:
2
e 2 ⋅ UB
 r ⋅e⋅B 
⋅m⋅
 = e ⋅ UB und daraus durch Umstellung = 2 2 .
2
m r ⋅B
 m 
1
Punkte: 8
c)
Berechnung von
e
m
e
m
mit den gegebenen Zahlenwerten:
2 ⋅ 3600 V
=
(0,20 m) ⋅ (4,25 ⋅ 10
2
−3
7,2 ⋅ 10 V
3
T
A
=
⋅ 0,22 A)2
2
0,040 m ⋅ 0,874 ⋅ 10
−6
T
2
= 2,1 ⋅ 1011
C
kg
.
Berechnung der Elektronenmasse mit bekannter Elementarladung e und dem soeben
bestimmten Wert e m der spezifischen Ladung:
1,6 ⋅ 10 −19 C
Damit ergibt sich für die Masse m =
=
= 7,6 ⋅ 10 −31 kg .
e m 2,1 ⋅ 1011 C
kg
e
Punkte: 6
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A3 Kompensation der elektrischen und magnetischen Ablenkkräfte
a)
Orientierung der Felder:
Voraussetzung: Die Elektronen bewegen sich geradlinig von rechts nach links. Da die Elektronen unter alleinigem Einfluss des B-Feldes anfangs nach oben abgelenkt werden, ist die Lor
r
rentzkraft FL nach oben gerichtet. Die elektrische Kraft Fel muss daher nach unten gerichtet
r
und betragsmäßig gleich groß sein. Für die Felder bedeutet das: Das B -Feld ist in die Zeichenr
ebene hinein gerichtet („3-Finger-Regel“), das E -Feld von unten nach oben („von Plus nach
Minus“).
Punkte: 8
b)
2
e
U 
=
⋅  Ab  folgt durch Umstellung UAb = d ⋅ B ⋅ 2 ⋅ UB ⋅ .
Aus
m 2 ⋅ UB  d ⋅ B 
m
e
1
Der Literaturwert der spezifischen Ladung ist
e
m
= 1,76 ⋅ 1011
C
kg
. Mit den weiteren gegebenen
Zahlenwerten folgt:
UAb = 0,054m ⋅ (4,25 ⋅ 10 −3
T
A
⋅ 0,22 A) ⋅ 2 ⋅ 3600 V ⋅ 1,76 ⋅ 1011
C
kg
= 1,8 ⋅ 103 V=1800 V .
Punkte: 7
Teil B: Der Wellenaspekt beim Elektron
B1
Ein Elektronenbeugungsexperiment und die Wellenlänge des Elektrons
a)
Die in der Elektronenkanone beschleunigten Elektronen haben alle (ungefähr) dieselbe Geh
schwindigkeit und damit gemäß der de Broglie’schen Beziehung λ =
auch dieselbe
m ⋅v
ihnen zugeordnete Wellenlänge λ . Die Auftreffpunkte der Elektronen auf die Atome in den
Kristallen der Folie können gemäß dem Modell der Huygens’schen Theorie als Zentren von
Elementarwellen angesehen werden, die sich im weiteren Verlauf überlagern und zu
Interferenzerscheinungen führen. An den Stellen mit ganzzahligem Gangunterschied
∆s = k ⋅ λ (mit k = 0; 1; 2;... ) der Elementarwellen entstehen Maxima, dazwischen liegen
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Bereiche deutlich niedrigerer Intensität.
Zur hohen Intensität im zentralen hellen Fleck:
Im zentralen Fleck treffen Elektronen auf, die keinerlei Beugung unterlegen haben, also
geradlinig durch die dünne Folie hindurchgehen. Sie haben untereinander keinen
Gangunterschied ( ∆s = 0 ⋅ λ ) und interferieren daher konstruktiv, sodass sie dort sichtbare
Leuchterscheinungen erzeugen.
Zur hohen Intensität im Kreisring:
Wegen der Beugung an unterschiedlichen Ebenen innerhalb der kleinen Kristalle können
Elektronen miteinander interferieren, deren Elementarwellen nach dem Durchgang durch die
Folie einen ganzzahligen Gangunterschied aufweisen, sodass hier Intensitätsmaxima sichtbar
werden.
Zu den Bereichen niedriger Intensität:
Dort, wo Elementarwellen mit nicht ganzzahligen Gangunterschieden aufeinandertreffen, ist
die Intensität wegen (wenigstens) teilweiser destruktiver Interferenz geringer.
Punkte: 8
b)
Befindet sich ein kleiner Kristall mit seinen Atomebenen in geeigneter Weise schräg zur
Einfallsrichtung der Elektronen, sodass konstruktive Interferenz der Elektronen auftreten
kann, werden die Elementarwellen an einer bestimmten Stelle auf dem Schirm, konstruktiv
überlagernd, auftreffen. In der Folie befinden sich unzählige weitere kleine Kristalle, deren
Atomebenen alle denselben Winkel zur Einfallsrichtung der Elektronen haben, aber um die
Einfallsrichtung gedreht liegen können, sodass unter demselben Winkel wie zuvor in praktisch
allen Richtungen Elektronen anzutreffen sind. Alle diese ergeben den sichtbaren Kreisring.
Punkte: 6
c)
Nach de Broglie ist λ =
6,6 ⋅ 10
λ=
9,11 ⋅ 10
−31
−34
h
m ⋅v
J⋅s
kg ⋅ 2,5 ⋅ 107
m
. Mit den bekannten Zahlenwerten ergibt sich:
= 0,29 ⋅ 10 −10 m .
s
Punkte: 4
d)
Anfangs ( UB ≈ 0 kV ) kann man nichts beobachten. Mit zunehmend größerer Spannung
erscheinen Beugungsringe, die immer heller werden.
Die den Elektronen zuzuordnenden Wellenlängen werden bei zunehmender Spannung gemäß
h
immer kleiner, sodass auch der Radius des Beugungsrings immer kleiner wird. Der
λ=
m ⋅v
Ring „zieht sich also von außen nach innen zusammen“.
Punkte: 6
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Ein Elektronenbeugungsexperiment – weitere Aspekte
a)
Röntgenstrahlen entstehen durch Auftreffen von Elektronen auf das Anodenmaterial in einer
Röntgenröhre. Dabei können die ankommenden Elektronen Hüllelektronen der Anodenatome
herausschlagen, sodass beim Wiederauffüllen der frei gewordenen Energiezustände Photonen abgegeben werden, deren Energie aufgrund der Energieniveaus in den Hüllen der Ano4
denatome im Röntgenbereich ( ≈ 10 keV ) liegt.
[Hinweis: Kenntnisse über die Entstehen des Bremsspektrums werden lt. KLP nicht erwartet.]
Punkte: 6
b)
In der Tat können beim Auftreffen der Elektronen auf die Folie Röntgenstrahlen entstehen.
Aber: Nähert man einen Permanentmagneten (vorsichtig) der Elektronenablenkröhre an,
dann beobachtet man eine deutliche Veränderung des Beugungsbildes: Das Beugungsbild
wird folglich durch das Magnetfeld beeinflusst. Da sich Röntgenstrahlen als
elektromagnetische Strahlen nicht in dieser Weise von Magnetfeldern beeinflussen lassen,
wird hierdurch ausgeschlossen, dass die Röntgenstrahlen die Ursache des Beugungsbildes
sind.
Punkte: 7
Teil C: Wellen- und Teilchenaspekt beim Quantenobjekt Elektron:
Das einzelne Elektron als Quantenobjekt
Geht wiederholt ein einzelnes Elektron durch einen Doppelspalt, dann lokalisiert man es auf
dem Beobachtungsschirm (bestehend aus einer „Wand aus Detektoren“) an einer ganz bestimmten Stelle bzw. innerhalb eines kleinen Flächenelementes auf der Detektorwand. Die
Anordnung der beobachteten Elektronen zeigt zunächst ein sehr ungeordnet erscheinendes
Muster. Je mehr Elektronen beobachtet werden, desto mehr zeigt sich ein typisches Interferenzmuster. Die Wahrscheinlichkeit, an einer bestimmten Stelle auf der Detektorwand zu
erscheinen, wird durch die den Elektronen zugeordnete Wellenlänge bestimmt.
Punkte: 9
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Grundsätze für die Bewertung (Notenfindung)
Für die Zuordnung der Notenstufen zu den Punktzahlen ist folgende Tabelle zu verwenden.
Notenzuordnung:
Note
1+ 15
1 14
1- 13
2+ 12
2 11
2- 10
3+ 9
3
8
37
4+ 6
4
5
44
5+ 3
5
2
51
6
0
ab % ab Pkt
95,00 95,00
90,00 90,00
85,00 85,00
80,00 80,00
75,00 75,00
70,00 70,00
65,00 65,00
60,00 60,00
55,00 55,00
50,00 50,00
45,00 45,00
40,00 40,00
33,33 33,33
26,67 26,67
20,00 20,00
0,00
0,00
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