Lösungen Atomphysik - Hildegardis

Lösung - Grundwissenstest zur Jahrgangsstufe 9 – Physik
Atomphysik
1
Beschreibe den Versuch, mit dem man den Durchmesser eines Ölsäuremoleküls bestimmen kann.
Nenne die zwei Größen, die man messen muss und erläutere, mit welcher Berechnung man daraus
den (ungefähren) Moleküldurchmesser erhält.
Ein Tropfen eines Gemisches aus Benzin und Ölsäure fällt auf eine Wasseroberfläche, die mit
Bärlappsporen bedeckt ist. Nachdem das Benzin verdunstet ist, bildet sich ein kreisförmiger Ölfilm.
Folgendes muss gemessen werden bzw. bekannt sein: Volumen des Tropfens, Mischungsverhältnis,
Durchmesser des kreisförmigen Ölflecks.
Der Ölfleck ist ein (sehr flacher) Zylinder.
Zylinderhöhe = Ölvolumen / Kreisfläche
2
Die Zylinderhöhe entspricht in etwa dem Durchmesser eines Ölsäuremoleküls (Annahme: die
Schicht ist nur ein Molekül dick).
Wie groß sind jeweils die Durchmesser
eines Atoms bzw. des Atomkerns?
𝑑𝐴𝑡𝑜𝑚 ≈ 10−10 𝑚 (= 1 𝐴𝑛𝑔𝑠𝑡𝑟ö𝑚)
𝑑𝐴𝑡𝑜𝑚𝑘𝑒𝑟𝑛 ≈ 10−15 𝑚 𝑏𝑖𝑠 10−14 𝑚
3
Nenne ein Beispiel, mit dem die
Größenverhältnisse im Atom (Kern und
Hülle) veranschaulicht werden können.
4
Beschreibe den Aufbau des Rutherford-Versuchs, das Versuchsergebnis und nenne die daraus
folgenden Erkenntnisse zum Aufbau der Atome.
Zum Beispiel: Kern entspricht Stecknadelkopf, Hülle
entspricht Fußballfeld.
Versuchsbeschreibung:
Dünne Goldfolie wird mit Alphateilchen (positiv) beschossen.
Versuchsergebnis:
Die meisten Alphateilchen gehen ungehindert hindurch. Manche jedoch werden abgelenkt oder
sogar zurückgeworfen.
Erkenntnisse:
- Kern ist positiv
- Kern ist sehr klein im Vergleich zur Hülle
- Kern enthält fast die gesamte Masse
- Der größte Teil des Atoms ist „leer“
5
Erkläre was die einzelnen Bestandteile der
folgenden Schreibweise bedeuten:
55
26Fe
55: Nukleonenzahl, Massenzahl
(Protonen und Neutronen)
26: Protonenzahl, Ordnungszahl
Fe: Elementsymbol (hier: Eisen)
6
Das Element Magnesium enthält immer 12
Protonen, es gibt aber verschiedene
Isotope. Erkläre, was das bedeutet.
Verschiedene Isotope unterscheiden sich in der Anzahl
der Neutronen.
Bei Magnesium gibt es zum Beispiel die folgenden
Isotope:
25
24
12Mg 12Mg
7
8
Beschreibe den Unterschied zwischen
einem kontinuierlichen Spektrum und
einem Linienspektrum und nenne jeweils
zwei Lichtquellen als Beispiel.
26
12Mg
Kontinuierliches Spektrum: alle Farben
Beispiele: Sonne, Glühlampe
Linienspektrum: nur bestimmte Farben
Beispiele: Neonröhre, Natriumdampflampe,
Quecksilberdampflampe
Erkläre (mit Skizze) die Absorption und Emission von Licht in der Atomhülle.
Absorption: Photon (Lichtteilchen) mit passender Energie wird aufgenommen, Elektron gelangt auf
höhere Energiestufe
Emission: Elektron wechselt auf niedrigere Energiestufe, Photon wird ausgesandt
Photon
9
Photon
Wie heißen die Bereiche des
elektromagnetischen Spektrums, die sich
an den Bereich des sichtbaren Lichts
anschließen? Bei welchem Bereich ist die
Photonenenergie höher?
Infrarotstrahlung: etwas niedrigere Energie als
sichtbares Licht
UV-Strahlung: etwas höhere Energie als sichtbares
Licht
Röntgenstrahlung: viel höhere Energie als sichtbares
Licht
10 Nenne und erkläre eine sinnvolle
technische Anwendung von
Röntgenstrahlung.
Zum Beispiel „Durchleuchten“ eines Menschen oder
eines Reisekoffers.
Erklärung: Röntgenstrahlen werden von
unterschiedlichen Materialen unterschiedlich
absorbiert. Auf einem Röntgenfilm hinter dem Objekt
entsteht ein Bild des Inneren (des Körpers oder des
Reisekoffers).
11 Warum kann Röntgenstrahlung gefährlich
sein?
12 Welche Energieumwandlungen finden bei
der Erzeugung von Röntgenstrahlung
statt?
Atome im menschlichen Körper können ionisiert
werden. Dadurch können Zellen zerstört oder
verändert werden.
Elektrische Energie  Bewegungsenergie der
Elektronen  Strahlungsenergie und innere Energie
13 Nenne die drei Arten radioaktiver
Strahlung und ihre jeweiligen Bestandteile. Alpha-Strahlung: Helium-Kerne (zwei Protonen und
zwei Neutronen)
Beta-Strahlung: Elektronen (oder Positronen)
Gamma-Strahlung: Energiereiche Photonen
14 Wie unterscheiden sich die drei Arten
radioaktiver Strahlung bezüglich ihrer
Durchdringungsfähigkeit?
Alpha-Strahlung: kann mit Papier abgeschirmt werden
Beta-Strahlung: kann mit Metallplatten abgeschirmt
werden
Gamma-Strahlung: Durchdringt sogar dicke Blei- oder
Betonplatten (teilweise)
15 Erkläre den Begriff Halbwertszeit.
Halbwertszeit ist die Zeit, nach der die Hälfte aller
Kerne eines Elements umgewandelt (zerfallen) sind.
16 Nach 60 Jahren sind 75 % der Kerne eines
radioaktiven Elements umgewandelt.
Bestimme die Halbwertszeit dieses
Elements.
Nach einer Halbwertzeit sind noch 50 % der Kerne
vorhanden. Nach zwei Halbwertszeiten sind noch 25 %
der Kerne vorhanden (bzw. 75 % umgewandelt). Die
Halbwertzeit beträgt hier also 30 Jahre.