Grundwissen Physik Q12 - MGF

 Physik – Jahrgangsstufe 12 – Grundwissen:
12.1 Eigenschaften von Quantenobjekten
Überblick B. S. 35
•
Teilchencharakter von Photonen
o Photoeffekt, Deutung nach Einstein, Auslösearbeit, Grenzfrequenz
Energiebilanz des Photoeffekts:
In Verbindung mit dem Diagramm (Einsteingerade) ergeben sich folgende Zusammenhänge:
;
o
Energie und Impuls des Photons
Photonen sind Quantenobjekte mit Energie und Impuls. Sie haben Teilchencharakter.
Energie des Photons
•
Masse des Photons
Impuls des Photons
Wellencharakter von Elektronen
Bei Bestrahlung von Kristallen mit Elektronen tritt Interferenz auf. Elektronen haben
Wellencharakter.
o
Zusammenhang zwischen Impuls und Wellenlänge nach de Broglie
Quantenobjekten kann eine Wellenlänge zugeordnet werden (de-Broglie-Wellenlänge)
o
o
•
Doppelspalt- oder Gitterversuche
technische Anwendung, z. B. Prinzip des Elektronenmikroskops
Beschreibung des Verhaltens von Quantenobjekten
o Wahrscheinlichkeitsaussagen zu Interferenzversuchen mit einzelnen
Quantenobjekten
Das Verhalten einzelner Quantenobjekte kann in der Regel nicht vorausgesagt werden. Für
eine größere Anzahl von Quantenobjekten kann man Wahrscheinlichkeitsaussagen treffen.
o
Unbestimmtheitsrelation von Heisenberg
Quantenobjekte bewegen sich nicht auf Bahnen. Je bestimmter der Ort x eines
Quantenobjekts ist, desto unbestimmter ist sein Impuls p.
Quantenobjekte sind weder Welle noch Teilchen. Sie haben vielmehr stets gleichzeitig etwas
Welliges, etwas Körniges und etwas Stochastisches. Trotzdem gibt es Situationen, in denen
als gute Näherung das Teilchenmodell oder das Wellenmodell angewendet werden kann.
12.2 Ein Atommodell der Quantenphysik
Überblick B. S. 77,78
Atome haben eine Masse von etwa
kg, der Radius liegt in der Grö⇓enordnung
m.
• Beschreibung eines Elektrons im eindimensionalen Potentialtopf
•
emittiertes und absorbiertes Licht atomarer Gase, Zusammenhang zwischen
Linienspektren und Energiestufen, Energieniveauschema
Einem Elektron der Atomhülle lassen sich unterschiedliche Energieniveaus zuordnen
(Energieniveauschema). Absorption von Licht ist verbunden mit dem Übergang eines
Elektrons auf ein höheres Energieniveau. Emission von Licht ist verbunden mit dem
Übergang eines Elektrons auf ein niedrigeres Niveau. Ionisierung erfolgt, wenn ein
Hüllenelektron in die Umgebung abgegeben wird. Linienspektren sind ein Beleg für die
quantenhafte Emission bzw. Absorption von Licht (Spektroskopie).
•
Elektron im Potentialtopf mit unendlich hohen Wänden, stehende Wellen und
Aufenthaltswahrscheinlichkeiten, diskrete Energiewerte
Die verschiedenen energetischen Zustände eines Elektrons lassen sich als verschiedene
Formen der Atomhülle darstellen (Orbitale). Ein Orbital beschreibt die Wahrscheinlichkeit,
das Elektron bei einer Ortsmessung in einem kleinen Raumbereich nachzuweisen
(Aufenthaltswahrscheinlichkeit).
•
zeitunabhängige, eindimensionale Schrödingergleichung als quantenphysikalische
Grundgleichung
Die Gestalt der Orbitale und die dazugehörigen Energiewerte des Elektrons lassen sich mit
Hilfe der Schrödingergleichung berechnen.
•
Interpretation der graphischen Lösungen der Schrödingergleichung für den endlich
hohen Potentialtopf, Tunneleffekt
Im einfachen Modell des unendlich hohen linearen Potenzialtopf haben die Lösungen der
Schrödingergleichung die Form von stehenden Wellen bei maximaler Auslenkung. Für das
Elektron ergeben sich die Energiewerte
• quantenphysikalisches Modell des Wasserstoffatoms
Als Lösung für die Schrödingergleichung für das Coulombpotenzial ergeben sich für das
Wasserstoffatom die Energieniveaus En
•
•
graphische Veranschaulichung der Lösungen der Schrödingergleichung für das
Coulombpotential, dreidimensionale Darstellung der Aufenthaltswahrscheinlichkeiten
durch Orbitale
Interpretation der Nullstellen von Wellenfunktionen als Knotenflächen stehender
Wellen
• Ausblick auf Mehrelektronensysteme
•
Charakterisierung der Elektronenzustände durch Quantenzahlen
Die geometrischen Eigenschaften der Orbitale lassen sich durch die Hauptquantenzahl n, die
Nebenquantenzahl l und die Magnetquantenzahl m kennzeichnen. Hinzu kommt die
Spinquantenzahl s. Das Energieniveau eines Elektrons wird im Wesentlichen durch die
Hauptquantenzahl bestimmt.
•
Pauli-Prinzip
In einem Atom können keine zwei Elektronen in allen Quantenzahlen übereinstimmen.
•
Deutung des Periodensystems der Elemente mithilfe von Quantenzahlen
• experimentelle Befunde und Anwendungen zum quantenphysikalischen Atommodell
•
•
Energieaufnahme durch Stoßanregung (Franck-Hertz-Versuch)
Röntgenstrahlung (Erzeugung, Spektrum, charakterisitisches Spektrum,
Bremsspektrum)
• ein Beispiel einer Anwendung in Wissenschaft und Technik (z. B. Einblick in die
Absorptions- und Emissionsspektroskopie, auch in der Astronomie, Funktionsprinzip des
Lasers)
12.3 Strukturuntersuchungen zum Aufbau der Materie
Überblick B. S. 102
•
Aufbau der Materie und Teilchenfamilien des Standardmodells
o Entdeckung des Atomkerns durch Streuung von Alpha-Teilchen (Rutherford)
o Zusammensetzung der Hadronen aus Quarks, Hinweis auf Streuexperimente
o Leptonen, Quarks und ihre Antiteilchen
Es gibt eine Vielzahl von Teilchen mit unterschiedlichen Eigenschaften und Lebensdauern.
Zu fast jedem Teilchen existiert ein Antiteilchen mit gleicher Masse und entgegengesetzter
Ladung.
o
die fundamentalen Wechselwirkungen und ihre Austauschteilchen
Die heutigen Kenntnisse über Elementarteilchen und ihre Wechselwirkungen werden im
Standardmodell zusammengefasst. Die wirkenden Kräfte werden durch vier fundamentale
Wechselwirkungen bestimmt (Austauschteilchen in Klammern):
- Elektromagnetische WW (Photonen)
- Starke Wechselwirkung (Gluonen)
- Schwache Wechselwirkung (W- und Z-Boson)
- Gravitation (Graviton? Derzeit noch nicht nachgewiesen)
12.4 Ein einfaches Kernmodell der Quantenphysik
Überblick B. S. 118
Atomkerne nehmen nur einen geringen Raum ein. Sie besitzen fast die gesamte Masse des
Atoms und enthalten die gesamte positive Ladung des Atoms.
• Protonen und Neutronen im Potentialtopf der Kernkraft
•
Massendefekt und mittlere Bindungsenergie je Nukleon in Abhängigkeit von der
Nukleonenzahl, Energiegewinnung aus Atomkernen
Die Masse eines Atomkerns ist stets kleiner als die Summe der Massen seiner Bestandteile.
Für diesen Massendefekt gilt:
Δm = m − (Z ⋅ mP + N ⋅ mN )
Die dem Massendefekt Δm entsprechende freigewordene Energie ist die Bindungsenergie des
Atomkerns. Die Division durch die Massenzahl A ergibt die mittlere Bindungsenergie je
Nukleon. Energie kann durch Fusion leichter Kerne oder durch Spaltung schwerer Kerne in
zwei mittelschwere Kerne freigesetzt werden.
•
Eigenschaften der Kernkraft und zugehöriges Potentialtopfmodell, Verteilung der
Protonen und Neutronen auf die jeweils möglichen Energieniveaus, diskrete
Energiewerte von γ-Quanten
Die Stabilität des Atomkerns ist das Ergebnis der zwischen den Nukleonen wirkenden
Kernkraft (starke Wechselwirkung). Die Nukleonen können nur bestimmte energetische
Zustände annehmen. Das lässt sich mit dem Potenzialtopfmodell des Atomkerns beschreiben.
Eine Nachweis der diskreten Energieniveaus sind die für ein Nuklid charakteristischen
Energien der ausgesandten γ-Quanten.
•
Stabilität von Atomkernen, Entstehung von α- und β-Strahlung durch
Kernumwandlungen
Es gibt viel mehr instabile als stabile Nuklide. Je größer die Ordnungszahl der elemente im
Periodensystem ist, desto mehr vergrößert sich die Anzahl der Neutronen gegenüber der
Protonenzahl im Kern.
Das Aussenden von α- und β-Strahlung ist mit Kernumwandlungen verbunden.
β--Strahlung : n → p + e − + ν ; β+-Strahlung: p → n + e + + ν
α-Strahlung: 2n + 2 p → α − Teilchen (mittlere Bindungsenergie liegt oberhalb der schwerer
Kerne, Tunneleffekt durch Coulombpotenzialwall möglich).
12.5 Radioaktivität und Kernreaktionen
Überblick B. S. 156
•
Radioaktive Strahlung
o Unterscheidung der Strahlungsarten durch Durchdringungsvermögen und
Ablenkbarkeit durch elektrische und magnetische Felder
o natürliche Zerfallsreihen, Nuklidkarte
Bei vielen in der Natur vorkommenden Radionukliden sind die entstehenden Folgekerne
ebenfalls wieder radioaktiv (Zerfallsreihen). Eine Änderung der Massenzahl tritt nur bei αZerfällen auf. β-Zerfall bewirkt nur eine Änderung der Kernladungszahl. Beim α-Zerfall
ändert sich die Massenzahl um –4. Daher sind nur 4 Zerfallsreihen möglich. In einer
Nuklidkarte (N-Z-Diagramm) verringert sich beim α-Zerfall die Neutronenzahl und die
Protonenzahl um jeweils 2. Beim β- Zerfall nimmt die Protonenzahl um 1 zu oder ab, während
die Neutronenzahl um 1 ab- oder zunimmt. Bei γ-Strahlung verändert sich die Anzahl der
Protonen und Neutronen nicht.
o
Abstandsgesetz
Z=
o
const
r2
Zerfallsgesetz Anwendung des radioaktiven Zerfalls zur Altersbestimmung
14
C-Methode)
N = N 0 ⋅ e − λt ; T1 =
2
o
ln 2
λ
Strahlenbelastung des Menschen durch natürliche und künstliche Strahlung,
Maßnahmen zum Strahlenschutz
Eine biologisch wirksame Strahlenbelastung kann durch ionisierende Strahlung (radioaktive
Strahlung, Röntgenstrahlung, kurzwelliges UV-Licht, Teilchenstrahlung) hervorgerufen
werden. Nulleffekt!
AAA: Abstand, Abschirmung, Aufnahme verhindern!
•
Kernreaktionen, Aspekte der Nutzung der Kernenergie
o Energie- und Impulsbilanzen bei Kernreaktionen
o Kernspaltung, Kettenreaktion, Prinzip eines Kernreaktors
Freigesetzte Energie pro Nukleon: etwa 1 MeV
o
Kernfusion, Prinzip eines Fusionsreaktors
Freigesetzte Energie pro Nukleon: etwa 7 MeV
o
Entdeckung und Nachweis des Neutrons
9
4
Be+ 24 α →126 C + 01n
Freie Neutronen zerfallen mit einer Halbwertszeit von ca. 13 Minuten in ein Proton, ein
Elektron und ein Antineutrino.
o
o
Anwendungen in der Medizin: nuklearmedizinische Diagnostik,
nuklearmedizinische Therapie
Chancen und Risiken der Kernenergietechnik, Sicherheitsvorkehrungen,
Entsorgung radioaktiver Materialien
Beispielaufgaben:
§
Musterabitur Bayern, G8
§
Duden-Paetec / CC-Buchner: Physik Gymnasium 12, Bayern, S.189ff