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Physik · Jahrgang 13 · Basiswissen

Q3: Quantenobjekte

Das lernst du

  1. Ich kann mit der Gleichung von Einstein die Energie der Fotoelektronen berechnen und den Einfluss der Intensität erklären.
  2. Ich kann Grenzfrequenz, Grenzwellenlänge und Austrittsarbeit bestimmen.
  3. Ich kann mit der Gegenfeldmethode das Plancksche Wirkungsquantum bestimmen.
  4. Ich kann den Impuls von Photonen und die de-Broglie-Wellenlänge berechnen.
  5. Ich kann das Doppelspaltexperiment mit einzelnen Quantenobjekten mit Wahrscheinlichkeiten deuten.
  6. Ich kann die de-Broglie-Wellenlänge aus der Beschleunigungsspannung berechnen und die Elektronenbeugung am Kristall auswerten.
  7. Ich kann die Unbestimmtheitsrelation von Heisenberg anwenden.
  8. Ich kann die Äquivalenz von Masse und Energie anwenden.
  9. Ich bereite die Klausur vor.

Merksätze

Der Fotoeffekt

Ein Photon gibt seine Energie h · f an genau ein Elektron ab.

Es gilt h · f = E_kin + W_A. Die Intensität bestimmt nur die Zahl der Photonen.

Grenzfrequenz

Unter der Grenzfrequenz f_G = W_A : h tritt kein Elektron aus, auch bei hellem Licht.

Die Grenzwellenlänge ist λ_G = h · c : W_A, mit h · c ≈ 1240 eV · nm.

Gegenfeldmethode

Die Gegenspannung U_0 stoppt gerade die schnellsten Elektronen.

Es gilt e · U_0 = h · f − W_A. Die Gerade U_0(f) hat die Steigung h : e, ihr Abstand vom Ursprung zeigt W_A.

Impuls und Materiewelle

Photonen haben keine Masse, aber den Impuls p = h · f : c = h : λ.

Umgekehrt hat jedes Teilchen mit Impuls p eine Wellenlänge λ = h : p. Elektronen werden deshalb gebeugt.

Einzelne Quanten

Jedes Quantenobjekt wird an genau einer Stelle nachgewiesen, wo, ist zufällig.

Vorhersagbar ist die Häufigkeit: Sie folgt dem Quadrat der Amplitude. Mit Weginformation verschwindet die Interferenz.

Elektronenbeugung

Aus e · U = p² : (2 · m_e) folgt λ = h : √(2 · m_e · e · U).

Am Graphit gilt die Bragg-Bedingung 2 · d · sin θ = λ, für kleine Winkel λ ≈ d · r : L.

Unbestimmtheit

Ort und Impuls sind nie zugleich beliebig scharf: Δx · Δp ≥ h : (4π).

Ein schmalerer Spalt gibt ein breiteres Hauptmaximum. Das liegt am Objekt, nicht am Messgerät.

Masse und Energie

Masse ist eine Form von Energie: E = m · c².

Ein Elektron hat 511 keV Ruheenergie. Bei der Paarvernichtung wird sie zu Photonen, bei der Paarbildung entsteht aus Photonen Masse.

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Q3: QuantenobjekteDer FotoeffektWas weißt du dazu? Erst selbst sagen, dann umdrehen.

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So geht es – ein Beispiel je Aufgabenart

Fotoeffekt: Energie der Elektronen

Licht der Wellenlänge 200 nm fällt auf Cäsium (W_A = 1,94 eV). Berechne die größte Bewegungsenergie der Fotoelektronen in eV.

λ = 200 nmCäsium, W_A = 1,94 eVE_kin = ?
  1. E_kin = E_Ph − W_A mit E_Ph = h · c : λ
  2. E_Ph = 1240 eV · nm : 200 nm = 6,2 eV
  3. E_kin = 6,2 eV − 1,94 eV = 4,26 eV

Ergebnis: 4,26 eV

Fotoeffekt: Intensität oder Frequenz?

Licht mit 400 nm löst Elektronen aus Cäsium. Die Lampe wird viermal so hell, die Wellenlänge bleibt. Was ändert sich?

λ = 400 nm, viermal so hellCäsium?
  1. Die Helligkeit zählt die Photonen, die Wellenlänge legt die Energie eines Photons fest.
  2. Viermal so viele Photonen lösen viermal so viele Elektronen.
  3. Jedes Elektron bekommt die Energie eines einzelnen Photons, also bleibt E_kin gleich.

Ergebnis: Viermal so viele Elektronen, gleiche größte Energie.

Grenzfrequenz und Grenzwellenlänge

Ab welcher Frequenz löst Licht Elektronen aus Cäsium (W_A = 3,11 · 10⁻¹⁹ J)? Gib f_G in THz an (1 THz = 10¹² Hz).

f_G = ?Cäsium, W_A = 3,11 · 10⁻¹⁹ JE_kin = 0
  1. f_G = W_A : h
  2. W_A = 3,11 · 10⁻¹⁹ J
  3. f_G = 3,11 · 10⁻¹⁹ J : 6,626 · 10⁻³⁴ J·s = 4,69 · 10¹⁴ Hz = 469 THz

Ergebnis: 469 THz

Austrittsarbeit bestimmen

Licht mit 200 nm löst aus einer Metallplatte Elektronen mit höchstens 4,26 eV Bewegungsenergie. Bestimme die Austrittsarbeit in eV.

λ = 200 nmW_A = ?E_kin = 4,26 eV
  1. E_Ph = W_A + E_kin, also W_A = E_Ph − E_kin
  2. E_Ph = 1240 eV · nm : 200 nm = 6,2 eV
  3. W_A = 6,2 eV − 4,26 eV = 1,94 eV

Ergebnis: 1,94 eV

Wörter

Gleichung
zwei Rechnungen, die gleich viel wert sind

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