Moderne Physik
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„..in dieser Wissenschaft schon fast alles erforscht sei, und es gelte, nur noch einige unbedeutende Lücken zu schließen“ Philipp von Jolly zu Max Planck in 1878 Moderne Physik Atom- und Kernphysik 1. Lord Kelvin: Nineteenth-Century Clouds over the Dynamical Theory of Heat and Light Elektromagnetische Strahlungen Lichtelektrischer Effekt Radiowellen, infrarotes sichtbares UV Röntgenstr., γ-Strahlung Licht Licht Licht Sichtbarer Bereich 400 - 800 nm blau rot Schwaches Lichrt e Metalplatte Starkes Licht Metalplatte e- e- e- e- e- ee Metalplatte Metalplatte Erklärung des Lichtelektrischen Effektes Lichtelektrischer Effekt: Lichtstrahlung f Photon Energiegleichung: E photon = hf = A + m v 1 2 Beobachtung beim z.B. Cäsium: Rotes Licht (650nm): Kein Elektronenaustritt Gelbes Licht (590 nm): Elektronen Grünes Licht (550 nm): treten aus Blaues Licht (450 nm): v 2 zb. bei Cäsium: A=1,94 eV Rotes Licht (650nm): Gelbes Licht (590 nm): Grünes Licht (550 nm): Blaues Licht (450 nm): 0,306 aJ 0,337 aJ 0,361 aJ 0,442 aJ (1,91 eV) X (2,11 eV) 9 (2,26 eV) 9 (2,76 eV) 9 Anzahl der ausgelösten Elektronen ist proportional zur Beleuchtungsstärke. Ist das Licht Wellen- oder Teilchenstrahlung? Das Licht ist Wellen UND Teilchenstrahlung Analogie: Münze Kopf oder Schrift? Kopf UND Schrift? Das Licht kann in Form von Welle und auch in Form von Teichen erscheinen. Teilchencharakter: Lichtelektrischer Effekt Wellencharakter: Interferenz, Beugung Photon: Teilchen (Quantum) des Lichtes. Energie des Photons: Ephoton = h f (Als Erinnerung: ν = c λ ) h = Planksches Wirkungsquantum 6,63·10-34 Js f = Frequenz λ f, E Radiowellen Licht Wellencharakter Rtg- u. γ Strahlung Teilchencharakter Beschreibung der Mikrowelt (Atome und kleinere Objekte) Allgemeine Bemerkungen: Die Energie ist nicht beliebig groß, sondern es gibt Energiequanten (zB. Lichtphoton) => Quantenmechanik Aufbau des Atoms Wie klein ist dieser Mikrowelt? Einige typische Größen m 100• meter Mann 10-3• millimeter Abstand der man mit Auge sehen kann 10-6• mikrometer Zelle (z.B. Blutkörpern) ∅ 7μm -9 10 • nanometer Protein 10-10 – Angström Durchmesser des Atoms, H Atom ∅ ≈ 1 Angström (Å) Atom = nicht teilbar Atomkern Atomkern+Elektronen Veranschaulichung: Bohrsches Atommodel 10-12• pikometer Wellenlenge der Röntgenstrahlung 10-15• femtométer Atomkern Bohrsches Atommodel r ist nicht eindeutig bestimmt. F F H-Atom Bohrsches Quantenbedingung: Bahndrehimpuls: rmv = n F: Coulombsche Kraft = = Zentripetalkraft F= 1 e2 v2 = m e 4πε 0 r 2 r Ganzer Zahl (1,2…) F F re 2me h2 = me2v 2 r 2 = n 2 2 4πε 0 4π r = n2 ε 0 h2 ~ n2 π me e 2 v= e2 2ε 0hn h 2π Kinetische Energie des Elektrons: n=1 Bahnenergie (E) =Ekin+Epot E n=2 0 E n = − Konst n=∞ n=3 n=3 n=2 1 n2 Bohrsches Frequenzbedingung: n=1 Beim Übergang des Elektrons von einer Bahn mit Energie Em zu einer Bahn mit geringerer Energie En wird die Energiedifferenz mit einem Photon abgegeben (Emission) hf=Em-En=ΔE n= Quantenzahl (Hauptquantenzahl) Elektronenübergänge: Energieaufnahme und Abnahme ΔE=hf n=1 n=1 n=2 Absorption n=2 Emission ΔE=hf Elektronenübergänge des Wasserstoffatoms Was ist wahr was ist nur schönes Bild? Bohr Molekülen Quantenmechanik Diskrete Energiezustände OK Absorption, Emission ΔE=hf OK E Elektronen bewegen sich an einem Kreisbahn Es gibt Elektronenschallen. Position des Elektrons kann nicht bestimmt werden. (Wellenfunktion) Elektronenübergang: Springen zwischen Elektonenbahnen Übergang zwischen Elektronenhüllen: Überlappung der Wellenfunktionen Beispiele für Biolumineszenz Lumineszenz Fluoreszenz E Molekülschwingungen! Phosphoreszenz E
