Prüfung - Experimental Physics with Cosmic Particles
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Prüfung Fr. der 17.7. um 10:00. 1- Schriftlich: Übungen + Fragen Buch: Kapitel 34 .. 41 2- Kurz Vortrag (10-15 min) + Fragen (10-15 min) Note: Übungen + Schriftliche Prüfung + Vortrag SS 2015 Supplement to Experimental Physics 2 (LB-Technik) Prof. E. Resconi Atome, Ch 41 - Atome sind stabil Atome können miteinander Verbindungen eingehen: stabile Molekülen Kristallgittern in Festkörpern (fest Aggregatzustand, makroskopische Körper) Bindungen: Ionenbindung, Atombindung, Metallbindung … Leiter / Halbleiter / Nichtleiter sind elektrische Leitfähigkeit Nur durch die Quantenphysik kann man die Eigenschaften von Atome verstehen - SS 2015 Supplement to Experimental Physics 2 (LB-Technik) Prof. E. Resconi Die Stabilität des Atoms Ein Elektron kann nicht kontinuierlich emittieren, sondern nur durch Quanten. Niels Bohr http://www.nobelprize.org/ nobel_prizes/physics/laureates/1922/ bohr-bio.html SS 2015 Supplement to Experimental Physics 2 (LB-Technik) Prof. E. Resconi Emissionsspektrum von atomarem Wasserstoff: alle Atome emittieren / absorbieren Licht http://www.leifiphysik.de/sites/default/files/medien/spektren_atomeneraustausch_gru.gif SS 2015 Supplement to Experimental Physics 2 (LB-Technik) Prof. E. Resconi Das Bohrsche Modell des Wasserstoff-Atoms https://de.wikipedia.org/wiki/Bohrsches_Atommodell http://www.qudev.ethz.ch/phys4/phys4_fs08/phys4_L09_v1.pdf Das Bohrsche Atommodell des Wasserstoffatoms (Z = 1). Beim Übergang des Elektrons von der 3. zur 2. Kreisbahn sendet das Atom ein Photon der Energie aus SS 2015 Supplement to Experimental Physics 2 (LB-Technik) Prof. E. Resconi Der Atomaufbau folgt einer Systematik z.B. die Ionisierungsenergie http://www.kernmechanik.com/Kernmechanische_Chemie/Ionisierungsenergien_der_Atome.jpg Z= Ordnungszahl = Anzahl der Protonen im Atomkern N= Neutronenzahl A = Z + N = Massenzahl SS 2015 Supplement to Experimental Physics 2 (LB-Technik) Prof. E. Resconi Der Atomaufbau folgt einer Systematik SS 2015 Supplement to Experimental Physics 2 (LB-Technik) Prof. E. Resconi Atome haben einen Drehimpuls und zeigen Magnetismus Einstein, de Hass Experiment https://de.wikipedia.org/wiki/Einstein-de-Haas-Effekt dünner, magnetisierbarer Stab (z. B. aus Eisen, Nickel) Das Magnetfeld ist || zum Stab Magnetspule ==> das Magnetfeld kann kein Drehmoment auf den Stab ausüben Aber er dreht sich um die Aufhängerichtung! SS 2015 Supplement to Experimental Physics 2 (LB-Technik) Prof. E. Resconi Atome haben einen Drehimpuls und zeigen Magnetismus Einstein, de Hass Experiment ==> Summe der permanenten Drehimpulse der Elektronen. ==> Diese sind normalerweise ungeordnet, ihre Summe also Null. ==> Durch ihre Parallelstellung ergibt sich die makroskopische Magnetisierung SS 2015 Supplement to Experimental Physics 2 (LB-Technik) Prof. E. Resconi Der Spin des Elektrons http://www.ipf.uni-stuttgart.de/lehre/online-skript/hatom/spin.gif Der Spin kann als Rotation des Elektrons um die eigene Achse aufgefasst werden (links), wobei das Elektron allerdings punktförmig ist. Im Magnetfeld kann sich der Spin in zwei Positionen ausrichten (rechts). Dann bewirkt das Drehmoment eine Präzessionsbewegung. SS 2015 Supplement to Experimental Physics 2 (LB-Technik) Prof. E. Resconi Bahndrehimpuls und Magnetismus - Der Bahndrehimpuls des Elektrons in einem Atom kann durch ein Vektormodell dargestellt werden h = Plancksches Wirkungsquantum reduzierte Plancksche Wirkungsquantum „h quer” oder auch Diracsche Konstante SS 2015 Supplement to Experimental Physics 2 (LB-Technik) Prof. E. Resconi Bahndrehimpuls und Magnetismus - Die Bahndrehimpuls-Quantenzahl l bestimmt den Betrag des Bahndrehimpulsvektors L des Elektrons. - Der Bahndrehimpuls des Elektrons ist quantisiert (da die Projektion von L auf eine Raumrichtung quantisiert ist) - Die Richtung des Bahndrehimpulsvektors L wird durch die magnetische Quantenzahl ml bestimmt. SS 2015 Supplement to Experimental Physics 2 (LB-Technik) Prof. E. Resconi Bahndrehimpuls und Magnetismus - Die Richtung des Bahndrehimpulsvektors L wird durch die magnetische Quantenzahl ml bestimmt. ml = -­l, -­l+1, …, l-1,l SS 2015 Supplement to Experimental Physics 2 (LB-Technik) Prof. E. Resconi Spin Elektron: SS 2015 Supplement to Experimental Physics 2 (LB-Technik) Prof. E. Resconi Vektormodell für den Gesamtdrehimpuls http://hydrogen.physik.uni-wuppertal.de/hyperphysics/hyperphysics/hbase/quantum/vecmod.html in einem Magnetfeld Die Zusammensetzung vom Bahndrehimpuls L und dem Elektronenspin-Drehimpuls S (eines Elektrons in einem Atom) zum Gesamtdrehimpuls kann durch ein Vektormodell dargestellt werden. SS 2015 Supplement to Experimental Physics 2 (LB-Technik) Prof. E. Resconi Die Quantenzahlen des Wasserstoffatoms n = Hauptquantenzahl = 1,2,3,… l = Bahndrehimpulsquantenzahl = 0,1,2, …, n-1 ml = Magnetische Quantenzahl = -l,-(l-1),…,+(l-1),+l http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/quantum/hydsch.html SS 2015 Supplement to Experimental Physics 2 (LB-Technik) Prof. E. Resconi Der Spin des Elektrons http://www.ipf.uni-stuttgart.de/lehre/online-skript/hatom/spin.gif s Spinquantenzahl = 1/2 ms magnetischen Spinquantenzahl = ±1/2 Die Elektronenzustände eines Atoms (Tabelle 41-1) n, l, ml, ms l = Bahndrehimpuls-Quantenzahl SS 2015 Supplement to Experimental Physics 2 (LB-Technik) Prof. E. Resconi Das Stern-Gerlach Experiment (Vortragsthema) http://home.halifax.rwth-aachen.de/~pazifist/physik/ws05praktikumb/V14_Stern.pdf SS 2015 Supplement to Experimental Physics 2 (LB-Technik) Prof. E. Resconi Das Stern-Gerlach Experiment (Vortragsthema) http://home.halifax.rwth-aachen.de/~pazifist/physik/ws05praktikumb/V14_Stern.pdf - Silber oder neutrale Kaliumatome in einem Ofen verdampft - [eines Außenelektron befindet sich - im Grundzustand Silber, der Bahndrehimpuls ist gleich Null] Atome in Evakuierte Röhre Atomstrahl zwischen den Polen eines Elektromagneten Magnet abgeschaltet: Silberatome auf der Glasplatte auf einen Fleck Magnet eingeschaltet, verteilen sich die Silberatome in vertikale Richtung auf zwei Punkten - Das gesamte magnetische Moment der Atome ist also gleich dem magnetischen Moment ⃗s. Die Atome werden dann durch ein inhomogenes Magnetfeld eines freien Elektrons μ geschickt, dort erfahren sie eine ablenkende Kraft senkrecht zur Bewegungsrichtung, in zRichtung: SS 2015 Supplement to Experimental Physics 2 (LB-Technik) Prof. E. Resconi ⃗ Fz = ( μ s )z · ∂B / ∂z - Das Stern-Gerlach Experiment (Vortragsthema) http://home.halifax.rwth-aachen.de/~pazifist/physik/ws05praktikumb/V14_Stern.pdf - Silber oder neutrale Kaliumatome in einem Ofen verdampft - [eines Außenelektron befindet sich - im Grundzustand Silber, der Bahndrehimpuls ist gleich Null] Atome in Evakuierte Röhre Atomstrahl zwischen den Polen eines Elektromagneten Magnet abgeschaltet: Silberatome auf der Glasplatte auf einen Fleck Magnet eingeschaltet, verteilen sich die Silberatome in vertikale Richtung auf zwei Punkten - Nach klassischer Erwartung sollten die magnetischen Momente zufällig orientiert sein SS 2015 Supplement to Experimental Physics 2 (LB-Technik) Prof. E. Resconi Das Stern-Gerlach Experiment - Silber oder neutrale Kaliumatome in einem Ofen verdampft - [eines Außenelektron befindet sich - im Grundzustand Silber, der Bahndrehimpuls ist gleich Null] Atome in Evakuierte Röhre Atomstrahl zwischen den Polen eines Elektromagneten Magnet abgeschaltet: Silberatome auf der Glasplatte auf einen Fleck Magnet eingeschaltet, verteilen sich die Silberatome in vertikale Richtung auf zwei Punkten The postcard Walther Gerlach sent to Niels Bohr on 8 February 1922 SS 2015 Supplement to Experimental Physics 2 (LB-Technik) Prof. E. Resconi Das Stern-Gerlach Experiment - Silber oder neutrale Kaliumatome in einem Ofen verdampft - [eines Außenelektron befindet sich - SS 2015 Supplement to Experimental Physics 2 (LB-Technik) im Grundzustand Silber, der Bahndrehimpuls ist gleich Null] Atome in Evakuierte Röhre Atomstrahl zwischen den Polen eines Elektromagneten Magnet abgeschaltet: Silberatome auf der Glasplatte auf einen Fleck Magnet eingeschaltet, verteilen sich die Silberatome in vertikale Richtung auf zwei Punkten Prof. E. Resconi Das Stern-Gerlach Experiment - Das gesamte magnetische Moment - SS 2015 Supplement to Experimental Physics 2 (LB-Technik) der Atome ist also gleich dem magnetischen Moment eines freien ⃗s. Die Atome werden Elektrons μ dann durch ein inhomogenes Magnetfeld geschickt, dort erfahren sie eine ablenkende Kraft senkrecht zur Bewegungsrichtung, in zRichtung: ⃗ s )z · ∂B / ∂z Fz = ( μ der Elektronen- spin kann nur gewisse quantisierte Richtungen annehmen Prof. E. Resconi Zeeman-Effekt beim Wasserstoff http://hydrogen.physik.uni-wuppertal.de/hyperphysics/hyperphysics/hbase/quantum/vecmod.html => in einem Magnetfeld die scharfen Spektrallinie wird in mehrere Linien aufgespalten Diese Aufspaltung wurde zuerst von Pieter Zeeman beobachtet und wird durch die Wechselwirkung zwischen dem magnetischen Feld und dem magentischen Dipolmoment des Bahndrehimpulses erklärt. Ohne äußeres Magnetfeld hängen die Wasserstoffenergien nur von der Hauptquantenzahl n ab und die Emission findet nur bei einer einzigen Wellenlänge statt. SS 2015 Supplement to Experimental Physics 2 (LB-Technik) Prof. E. Resconi Zeeman-Effekt Anwendung in Astronomie http://astronomyonline.org/SolarSystem/Advanced_Topics/Sun_Images/zeeman_effect.gif SS 2015 Supplement to Experimental Physics 2 (LB-Technik) Prof. E. Resconi Zeeman-Effekt Anwendungen in Astronomie http://crab0.astr.nthu.edu.tw/~hchang/ga1/f1802-SunspotZeeman.JPG SS 2015 Supplement to Experimental Physics 2 (LB-Technik) Prof. E. Resconi Kernphysik, Ch 43 https://web-docs.gsi.de/~wolle/TELEKOLLEG/KERN/LECTURE/Reiter/Kernphysik_1/KP0408web.pdf Kernphysikalische Prozesse spielen eine fundamentale Rolle für das Verständnis unserer physikalischen Welt: - Ursprung des Universums - Entstehung der chemischen Elemente - Energie der Sterne - Bestandteile der Materie - Separation von Radium aus Erzen (1897 P. Curie, M. Curie) Gesetze des radioaktiven Zerfalls (1897 Rutherford, Soddy) Identifizierung der α-, β- und γ−Strahlung (1897 Rutherford) α-Streuexperimente, Existenz des Atomkerns (1911 Rutherford, Geiger, Mardsen) Systematik der Röntgenspektren, => Ordnungszahl, Basis für Periodensystem (1913 Mosley) SS 2015 Supplement to Experimental Physics 2 (LB-Technik) Prof. E. Resconi Kernphysik, Ch 43 https://web-docs.gsi.de/~wolle/TELEKOLLEG/KERN/LECTURE/Reiter/Kernphysik_1/KP0408web.pdf Protonen und Neutronen = Nukleonen Isotope = Nuklide mit Z aber verschiedenen Neutronenzahlen N Viele Isotopen sind nicht stabile ==> Radionuklide Zerfall = Nuklide in einem anderem Nuklide Kernradien: 1 Femtometer = 10-15 m = 1 Fermi Kernmassen: Masseneinheit u = 1,661 x 10-27 kg (Atommasse von 12C = 12 u) SS 2015 Supplement to Experimental Physics 2 (LB-Technik) Prof. E. Resconi Kernphysik, Ch 43 https://web-docs.gsi.de/~wolle/TELEKOLLEG/KERN/LECTURE/Reiter/Kernphysik_1/KP0408web.pdf Radioaktiver Zerfall: Die meisten bekannten Nukleare sind radioaktiv Schwarz gezeichnete Nuklide sind stabil. SS 2015 Supplement to Experimental Physics 2 (LB-Technik) Prof. E. Resconi Kernphysik, Ch 43 https://web-docs.gsi.de/~wolle/TELEKOLLEG/KERN/LECTURE/Reiter/Kernphysik_1/KP0408web.pdf Radioaktiver Zerfall, Zerfallsarten Alpha-, Beta- und Gamma-Zerfall: - SS 2015 Alpha-Teilchens bestehend aus zwei Protonen und zwei Neutronen Beta-Teilchens sind Elektronen Gamma-Teilchens sind Photonen Supplement to Experimental Physics 2 (LB-Technik) Prof. E. Resconi Kernphysik, Ch 43 https://web-docs.gsi.de/~wolle/TELEKOLLEG/KERN/LECTURE/Reiter/Kernphysik_1/KP0408web.pdf Radioaktiver Zerfall, Zerfallsarten Alpha-, Beta- und Gamma-Zerfall: - SS 2015 Alpha-Teilchens bestehend aus zwei Protonen und zwei Neutronen Beta-Teilchens sind Elektronen Gamma-Teilchens sind Photonen Supplement to Experimental Physics 2 (LB-Technik) Prof. E. Resconi Kernphysik, Ch 43 https://web-docs.gsi.de/~wolle/TELEKOLLEG/KERN/LECTURE/Reiter/Kernphysik_1/KP0408web.pdf Radioaktiver Zerfall, Zerfallsarten Alpha-, Beta- und Gamma-Zerfall: - SS 2015 Alpha-Teilchens bestehend aus zwei Protonen und zwei Neutronen Beta-Teilchens sind Elektronen Gamma-Teilchens sind Photonen Supplement to Experimental Physics 2 (LB-Technik) Prof. E. Resconi Kernphysik, Ch 43 https://web-docs.gsi.de/~wolle/TELEKOLLEG/KERN/LECTURE/Reiter/Kernphysik_1/KP0408web.pdf Natürliche Radioaktivität: 1- primordiale Nuklide mit große Halbwertszeit wie Kalium-40, Uran 2- radiogen: indirekt enstanden als nachproduzierte Zerfallsprodukte der radioaktiven Zerfallsreihen wie Radon (gas) 3- kosmogene Radionuklide: produziert durch Kernreaktionen mit der kosmischen Strahlung SS 2015 Supplement to Experimental Physics 2 (LB-Technik) Prof. E. Resconi SS 2015 Supplement to Experimental Physics 2 (LB-Technik) Prof. E. Resconi
