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Physik · Jahrgang 13 · Basiswissen

Physik Oberstufe: 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.

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.

Selbst abfragen

Karte 1 von 8 · Vorderseite
Physik Oberstufe: 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

Typische Fehler – so sieht es falsch aus, so richtig

Austritts- oder Ionisationsenergie nicht abgezogen
λ = 400 nm auf Kalium: E_kin = 3,1 eV
E_kin = 3,1 eV − 2,25 eV = 0,85 eV

Ein Teil der Photonenenergie wird gebraucht, damit das Elektron frei wird. Ziehe diese Energie ab.

Elektronvolt und Joule verwechselt
E_kin = 0,85 J
E_kin = 0,85 eV = 0,85 · 1,602 · 10⁻¹⁹ J = 1,36 · 10⁻¹⁹ J

Ein Elektronvolt ist winzig: 1 eV = 1,602 · 10⁻¹⁹ J. Prüfe, in welcher Einheit deine Zahl steht.

Elektronvolt und Volt verwechselt
U_0 = 0,85 eV
e · U_0 = 0,85 eV, also U_0 = 0,85 V

Volt ist eine Spannung, Elektronvolt eine Energie. Ein Elektron, das 1 V durchläuft, gewinnt 1 eV.

Intensität bestimmt die Energie der Fotoelektronen
doppelt so helles Licht → doppelt so schnelle Elektronen
doppelt so hell → doppelt so viele Elektronen, gleiche größte Energie

Die Helligkeit zählt die Photonen. Die Energie jedes einzelnen Photons hängt nur an seiner Frequenz.

Fotoeffekt mit dem Wellenmodell erklärt
rotes Licht, sehr hell, lange genug → irgendwann treten Elektronen aus
h · f < W_A → nie Elektronen, egal wie hell und wie lange

Im Photonenbild gibt ein Photon seine Energie an ein Elektron ab. Reicht ein Photon nicht, sammelt sich auch nichts an.

Gerade U_0(f) durch den Ursprung gelegt
h = e · U_0 : f aus einem Messpunkt
h = e · ΔU_0 : Δf aus zwei Messpunkten, die Gerade geht nicht durch den Ursprung

U_0 ist nicht proportional zu f: Die Gerade beginnt erst bei der Grenzfrequenz. Nimm die Steigung zwischen zwei Messpunkten.

Photon oder Elektron als kleine Kugel mit Bahn
Doppelspalt mit Einzelphotonen: zwei helle Flecken hinter den Spalten
viele Einzeltreffer → ein Streifenmuster mit vielen Streifen

Ein Quantenobjekt fliegt nicht wie eine Kugel durch einen Spalt. Es wird an einer Stelle nachgewiesen, die Verteilung folgt der Interferenz.

Ort des einzelnen Treffers als vorhersagbar gedacht
Das nächste Photon landet im hellsten Streifen.
nächster Treffer → zufällig; bekannt ist nur die Wahrscheinlichkeit je Stelle

Für ein einzelnes Quantenobjekt kennt man nur Wahrscheinlichkeiten. Vorhersagbar ist die Häufigkeit bei vielen Treffern.

Einzelnes Quantenobjekt als ausgedehnte Welle auf dem Schirm
Ein einzelnes Photon macht ein schwaches, ganzes Streifenmuster.
ein Photon → ein Punkt; viele Punkte → das Muster

Jedes Quantenobjekt wird an genau einer Stelle nachgewiesen, nie verteilt über den ganzen Schirm.

Zufall und festes Muster als Gegensatz
Jeder Treffer ist zufällig, also wird der Schirm gleichmäßig grau.
jeder Treffer zufällig, helle Stellen wahrscheinlicher → Streifen

Zufällig heißt nicht gleich verteilt. Manche Stellen sind viel wahrscheinlicher als andere.

Weginformation und Interferenz zugleich erwartet
Man weiß, durch welchen Spalt jedes Photon ging, und sieht trotzdem Streifen.
Weginformation vorhanden → keine Interferenz; keine Weginformation → Streifen

Interferenz gibt es nur, wenn sich im Prinzip nicht feststellen lässt, welchen Weg das Objekt nahm.

Wahrscheinlichkeit wie die Amplitude statt wie ihr Quadrat
halbe Amplitude → halb so viele Treffer
halbe Amplitude → (½)² = ein Viertel der Treffer

Die Nachweiswahrscheinlichkeit folgt dem Quadrat der Amplitude. Halbe Amplitude heißt ein Viertel.

Glanzwinkel und Ablenkwinkel verwechselt
Ring bei r : L = θ, also λ = 2 · d · r : L
Ring beim Ablenkwinkel 2θ: r : L ≈ 2θ, also λ ≈ d · r : L

Der Strahl wird um 2θ abgelenkt, der Glanzwinkel θ steht in der Bragg-Bedingung. Prüfe, welchen Winkel du verwendest.

Wurzelzusammenhang als proportional gerechnet
vierfache Spannung → Ringe ein Viertel so groß
vierfache Spannung → λ halb so groß → Ringe halb so groß

Die Wellenlänge hängt an 1 : √U. Vierfache Spannung heißt halbe Wellenlänge und halber Radius.

4π in der Unbestimmtheitsrelation vergessen
Δp ≥ h : Δx
kleinstes Δp = h : (4π · Δx)

In der Unbestimmtheitsrelation steht h : (4π). Teile durch 4π, nicht nur durch h.

Unbestimmtheit als Messfehler
Mit einem besseren Gerät kennt man Ort und Impuls zugleich genau.
jedes Gerät → Δx · Δp ≥ h : (4π), die Grenze gehört zum Quantenobjekt

Die Unbestimmtheit ist keine Ungenauigkeit des Geräts. Ort und Impuls sind beim Quantenobjekt selbst nicht zugleich scharf.

Einzelspalt wie eine Schattenblende gedacht
schmalerer Spalt → schmalerer Lichtfleck
schmalerer Spalt → breiteres Hauptmaximum (Beugung)

Ein schmaler Spalt beugt stärker: Das Hauptmaximum wird breiter, nicht schmaler.

Formel falsch umgestellt
V = ρ · m
ρ = m : V   | · V   | : ρ   →   V = m : ρ

Stell die Formel wie eine Gleichung um: Auf beiden Seiten dasselbe tun, bis die gesuchte Größe allein steht.

Umrechnungszahl falsch
2,5 km = 250 m
2,5 km = 2,5 · 1000 m = 2500 m

Die Umrechnungszahl stimmt nicht. k heißt 1000, m (milli) heißt ein Tausendstel. Bei cm² sind es 10 000 für einen m².

Den Faktor ½ vergessen
m = 2 kg, v = 3 m/s: E = 2 kg · (3 m/s)² = 18 J
E = ½ · 2 kg · (3 m/s)² = 9 J

In der Formel für die Bewegungsenergie steht ein halb: E = ½ · m · v². Du musst am Ende die Hälfte nehmen.

Einheit vergessen
ρ = 54 : 20 = 2,7
ρ = 54 g : 20 cm³ = 2,7 g/cm³

Deine Zahl stimmt – aber eine Größe ist Zahl und Einheit. Schreib die Einheit dazu.

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