Physik · Klasse 13 · Kapitel

Physik Oberstufe: Quantenobjekte

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1Ich kann mit der Gleichung von Einstein die Energie der Fotoelektronen berechnen und den Einfluss der Intensität erklären.

MerkenDer 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.

BeispielFotoeffekt: Energie der Elektronen

Photonen mit je 6,2 eV treffen auf Rubidium (W_A = 2,13 eV). Berechne die größte Bewegungsenergie der Fotoelektronen in eV.

Schritt für Schritt

Energiebilanz für ein Photon: E_kin = E_Ph − W_A
E_Ph = 6,2 eV, W_A = 2,13 eV
E_kin = 6,2 eV − 2,13 eV = 4,07 eV

Energiebilanz für ein Photon: E_kin = E_Ph − W_A
E_Ph = 6,2 eV, W_A = 2,13 eV
E_kin = 6,2 eV − 2,13 eV = 4,07 eV

Ergebnis:

4,07 eV

AchtungAustritts- oder Ionisationsenergie nicht abgezogen

So nicht

λ = 400 nm auf Kalium: E_kin = 3,1 eV

So richtig

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.

ÜbenJetzt du

○1
Licht der Wellenlänge 200 nm fällt auf Kalium (W_A = 2,25 eV). Berechne die größte Bewegungsenergie der Fotoelektronen in eV.
So fängst du an:
E_kin = E_Ph − W_A mit E_Ph = h · c : λ
Lösung zeigen
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 − 2,25 eV = 3,95 eV
Ergebnis:
3,95 eV
●2
Licht der Wellenlänge 350 nm fällt auf Kalzium (W_A = 2,87 eV). Berechne die größte Bewegungsenergie der Fotoelektronen in eV.
Lösung zeigen
1. E_kin = E_Ph − W_A mit E_Ph = h · c : λ
2. E_Ph = 1240 eV · nm : 350 nm = 3,54 eV
3. E_kin = 3,54 eV − 2,87 eV = 0,67 eV
Ergebnis:
0,67 eV
★3
Licht mit f = 7 · 10¹⁴ Hz löst Elektronen aus Barium (W_A = 2,52 eV). Wie schnell sind die schnellsten Elektronen? Berechne v in km/s.
Lösung zeigen
1. E_kin = h · f − W_A
2. h · f = 2,9 eV, E_kin = 0,38 eV
3. E_kin = 0,38 eV = 6,09 · 10⁻²⁰ J
4. v = √2 · E_kin : m_e = 3,66 · 10⁵ m/s = 366 km/s
Ergebnis:
366 km/s

2Ich kann Grenzfrequenz, Grenzwellenlänge und Austrittsarbeit bestimmen.

MerkenGrenzfrequenz

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.

BeispielGrenzfrequenz und Grenzwellenlänge

Ab welcher Frequenz löst Licht Elektronen aus Kalium (W_A = 2,25 eV)? Gib f_G in THz an (1 THz = 10¹² Hz).

Schritt für Schritt

f_G = W_A : h
W_A = 2,25 · 1,602 · 10⁻¹⁹ J = 3,60 · 10⁻¹⁹ J
f_G = 3,60 · 10⁻¹⁹ J : 6,626 · 10⁻³⁴ J·s = 5,43 · 10¹⁴ Hz = 543 THz

f_G = W_A : h
W_A = 2,25 · 1,602 · 10⁻¹⁹ J = 3,60 · 10⁻¹⁹ J
f_G = 3,60 · 10⁻¹⁹ J : 6,626 · 10⁻³⁴ J·s = 5,43 · 10¹⁴ Hz = 543 THz

Ergebnis:

543 THz

AchtungFormel falsch umgestellt

So nicht

V = ρ · m

So richtig

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.

ÜbenJetzt du

○4
Rubidium hat die Austrittsarbeit W_A = 2,13 eV. Bestimme die Grenzfrequenz f_G in THz (1 THz = 10¹² Hz).
So fängst du an:
f_G = W_A : h
Lösung zeigen
1. f_G = W_A : h
2. W_A = 2,13 · 1,602 · 10⁻¹⁹ J = 3,41 · 10⁻¹⁹ J
3. f_G = 3,41 · 10⁻¹⁹ J : 6,626 · 10⁻³⁴ J·s = 5,15 · 10¹⁴ Hz = 515 THz
Ergebnis:
515 THz
●5
Zink hat die Austrittsarbeit W_A = 4,34 eV. Bestimme die Grenzfrequenz f_G in THz (1 THz = 10¹² Hz).
Lösung zeigen
1. f_G = W_A : h
2. W_A = 4,34 · 1,602 · 10⁻¹⁹ J = 6,95 · 10⁻¹⁹ J
3. f_G = 6,95 · 10⁻¹⁹ J : 6,626 · 10⁻³⁴ J·s = 1,05 · 10¹⁵ Hz = 1050 THz
Ergebnis:
1050 THz
★6
Rubidium hat die Austrittsarbeit W_A = 2,13 eV. Berechne die Grenzwellenlänge λ_G in nm (h · c ≈ 1240 eV · nm).
Lösung zeigen
1. An der Grenze gilt E_Ph = W_A, also λ_G = h · c : W_A
2. h · c ≈ 1240 eV · nm
3. λ_G = 1240 eV · nm : 2,13 eV = 582 nm
Ergebnis:
582 nm

3Ich kann mit der Gegenfeldmethode das Plancksche Wirkungsquantum bestimmen.

MerkenGegenfeldmethode

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.

BeispielGegenspannung berechnen

Photonen mit je 3,52 eV fallen auf die Kathode einer Fotozelle aus Kalium (W_A = 2,25 eV). Bei welcher Gegenspannung U_0 kommt kein Elektron mehr an? Berechne mit Einheit.

Schritt für Schritt

e · U_0 = h · f − W_A, in eV gerechnet
h · f = 3,52 eV, W_A = 2,25 eV
e · U_0 = 3,52 eV − 2,25 eV = 1,27 eV, also U_0 = 1,27 V

e · U_0 = h · f − W_A, in eV gerechnet
h · f = 3,52 eV, W_A = 2,25 eV
e · U_0 = 3,52 eV − 2,25 eV = 1,27 eV, also U_0 = 1,27 V

Ergebnis:

1,27 V

AchtungGerade U_0(f) durch den Ursprung gelegt

So nicht

h = e · U_0 : f aus einem Messpunkt

So richtig

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.

ÜbenJetzt du

○7
Photonen mit je 2,48 eV fallen auf die Kathode einer Fotozelle aus Cäsium (W_A = 1,94 eV). Bei welcher Gegenspannung U_0 kommt kein Elektron mehr an? Berechne mit Einheit.
So fängst du an:
e · U_0 = h · f − W_A, in eV gerechnet
Lösung zeigen
1. e · U_0 = h · f − W_A, in eV gerechnet
2. h · f = 2,48 eV, W_A = 1,94 eV
3. e · U_0 = 2,48 eV − 1,94 eV = 0,54 eV, also U_0 = 0,54 V
Ergebnis:
0,54 V
●8
Licht mit f = 11 · 10¹⁴ Hz fällt auf die Kathode einer Fotozelle aus Cäsium (W_A = 1,94 eV). Bei welcher Gegenspannung U_0 kommt kein Elektron mehr an? Berechne mit Einheit.
Lösung zeigen
1. e · U_0 = h · f − W_A, in eV gerechnet
2. h · f = 4,136 · 10⁻¹⁵ eV·s · 11 · 10¹⁴ Hz = 4,55 eV
3. e · U_0 = 4,55 eV − 1,94 eV = 2,61 eV, also U_0 = 2,61 V
Ergebnis:
2,61 V
★9
An einer Fotozelle misst man bei 365 nm die Gegenspannung U_0 = 1,15 V. Bestimme U_0 bei 436 nm an derselben Kathode.
Lösung zeigen
1. W_A bleibt gleich: e · ΔU_0 = ΔE_Ph
2. E_Ph: 1240 eV · nm : 365 nm = 3,4 eV, 1240 eV · nm : 436 nm = 2,84 eV
3. U_0 = 1,15 V − 0,55 V = 0,6 V
Ergebnis:
0,6 V

4Ich kann den Impuls von Photonen und die de-Broglie-Wellenlänge berechnen.

MerkenImpuls 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.

BeispielImpuls von Photonen

Ein Photon hat den Impuls p = 9,47 · 10⁻²⁸ kg·m/s. Berechne seine Wellenlänge in nm.

Schritt für Schritt

Für Photonen gilt p = h : λ, also λ = h : p
λ = 6,626 · 10⁻³⁴ J·s : 9,47 · 10⁻²⁸ kg·m/s
λ = 7,00 · 10⁻⁷ m = 700 nm

Für Photonen gilt p = h : λ, also λ = h : p
λ = 6,626 · 10⁻³⁴ J·s : 9,47 · 10⁻²⁸ kg·m/s
λ = 7,00 · 10⁻⁷ m = 700 nm

Ergebnis:

700 nm

AchtungFalsche Einheit

So nicht

F = 5 kg · 10 N/kg = 50 kg

So richtig

F = 5 kg · 10 N/kg = 50 N

Rechne die Einheiten mit wie Zahlen: kg mal N/kg gibt N.

ÜbenJetzt du

○10
Ein Photon des Sonnenlichts hat den Impuls p = 1,02 · 10⁻²⁷ kg·m/s. Berechne seine Wellenlänge in nm.
So fängst du an:
Für Photonen gilt p = h : λ, also λ = h : p
Lösung zeigen
1. Für Photonen gilt p = h : λ, also λ = h : p
2. λ = 6,626 · 10⁻³⁴ J·s : 1,02 · 10⁻²⁷ kg·m/s
3. λ = 6,50 · 10⁻⁷ m = 650 nm
Ergebnis:
650 nm
●11
Ein Photon aus einer LED hat den Impuls p = 6,63 · 10⁻²⁸ kg·m/s. Berechne seine Wellenlänge in nm.
Lösung zeigen
1. Für Photonen gilt p = h : λ, also λ = h : p
2. λ = 6,626 · 10⁻³⁴ J·s : 6,63 · 10⁻²⁸ kg·m/s
3. λ = 9,99 · 10⁻⁷ m = 999 nm
Ergebnis:
999 nm
★12
Ein Sonnensegel von 1000 m² schluckt das Sonnenlicht vollständig (1,36 kW/m², senkrecht). Welche Kraft übt das Licht aus? Berechne F in mN.
Lösung zeigen
1. Licht der Leistung P bringt je Sekunde den Impuls P : c
2. P = 1360 W/m² · 1000 m² = 1.360.000 W
3. Beim Schlucken bleibt der ganze Impuls: F = P : c
4. F = 1.360.000 W : 2,998 · 10⁸ m/s = 4,54 mN
Ergebnis:
4,54 mN

5Ich kann das Doppelspaltexperiment mit einzelnen Quantenobjekten mit Wahrscheinlichkeiten deuten.

MerkenEinzelne 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.

BeispielEinzelne Quanten am Doppelspalt

Durch einen Doppelspalt gehen Elektronen einzeln, eines nach dem anderen. Was zeigt der Schirm nach 10.000 Treffern?

Schritt für Schritt

Jeder einzelne Treffer ist zufällig.
Die Häufigkeit der Treffer an jeder Stelle ist vorhersagbar.
Bei vielen Treffern zeigt die Häufigkeit das Interferenzmuster.

Jeder einzelne Treffer ist zufällig.
Die Häufigkeit der Treffer an jeder Stelle ist vorhersagbar.
Bei vielen Treffern zeigt die Häufigkeit das Interferenzmuster.

Ergebnis:

Punkte, die sich zu Streifen ordnen.

AchtungPhoton oder Elektron als kleine Kugel mit Bahn

So nicht

Doppelspalt mit Einzelphotonen: zwei helle Flecken hinter den Spalten

So richtig

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.

ÜbenJetzt du

○13
Durch einen Doppelspalt gehen Photonen einzeln, eines nach dem anderen. Was zeigt der Schirm nach 5000 Treffern?
So fängst du an:
Jeder einzelne Treffer ist zufällig.
Lösung zeigen
1. Jeder einzelne Treffer ist zufällig.
2. Die Häufigkeit der Treffer an jeder Stelle ist vorhersagbar.
3. Bei vielen Treffern zeigt die Häufigkeit das Interferenzmuster.
Ergebnis:
Punkte, die sich zu Streifen ordnen.
●14
Am Doppelspalt mit einzelnen Photonen: Ein Detektor sitzt mitten in einem dunklen Streifen. Wie oft weist er nach 100.000 Photonen etwas nach?
Lösung zeigen
1. Dunkle Streifen sind Stellen kleiner Nachweiswahrscheinlichkeit.
2. Auch nach 100.000 Durchgängen landet dort kaum ein Treffer.
3. Das gilt für jedes einzelne Quantenobjekt, nicht nur für viele zusammen.
Ergebnis:
Fast nie: Die Wahrscheinlichkeit ist dort beinahe 0.
★15
Hinter beide Spalte eines Doppelspalts kommen gleich ausgerichtete Polarisationsfilter. Was zeigt der Schirm nach 2000 Photonen? Begründe.
Lösung zeigen
1. Beide Filter lassen dieselbe Polarisation durch.
2. Hinter den Spalten sind die Wege nicht unterscheidbar: keine Weginformation.
3. Ohne Weginformation interferieren die Möglichkeiten: Die Streifen bleiben.
Ergebnis:
Die Streifen bleiben: Gleiche Filter verraten keinen Weg.

6Ich kann die de-Broglie-Wellenlänge aus der Beschleunigungsspannung berechnen und die Elektronenbeugung am Kristall auswerten.

MerkenElektronenbeugung

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.

BeispielWellenlänge aus der Beschleunigungsspannung

In einer Beugungsröhre werden Elektronen mit U = 200 V beschleunigt. Berechne ihre de-Broglie-Wellenlänge in pm.

Schritt für Schritt

e · U = p² : (2 · m_e), also p = √2 · m_e · e · U und λ = h : p
p = √2 · 9,109 · 10⁻³¹ kg · 1,602 · 10⁻¹⁹ C · 200 V = 7,64 · 10⁻²⁴ kg·m/s
λ = 6,626 · 10⁻³⁴ J·s : 7,64 · 10⁻²⁴ kg·m/s = 86,7 pm

e · U = p² : (2 · m_e), also p = √2 · m_e · e · U und λ = h : p
p = √2 · 9,109 · 10⁻³¹ kg · 1,602 · 10⁻¹⁹ C · 200 V = 7,64 · 10⁻²⁴ kg·m/s
λ = 6,626 · 10⁻³⁴ J·s : 7,64 · 10⁻²⁴ kg·m/s = 86,7 pm

Ergebnis:

86,7 pm

AchtungDen Faktor ½ vergessen

So nicht

m = 2 kg, v = 3 m/s: E = 2 kg · (3 m/s)² = 18 J

So richtig

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.

ÜbenJetzt du

○16
Elektronen werden aus der Ruhe mit U = 1 kV beschleunigt. Berechne ihre de-Broglie-Wellenlänge in pm.
So fängst du an:
e · U = p² : (2 · m_e), also p = √2 · m_e · e · U und λ = h : p
Lösung zeigen
1. e · U = p² : (2 · m_e), also p = √2 · m_e · e · U und λ = h : p
2. p = √2 · 9,109 · 10⁻³¹ kg · 1,602 · 10⁻¹⁹ C · 1000 V = 1,71 · 10⁻²³ kg·m/s
3. λ = 6,626 · 10⁻³⁴ J·s : 1,71 · 10⁻²³ kg·m/s = 38,7 pm
Ergebnis:
38,7 pm
●17
Elektronen werden aus der Ruhe mit U = 8 kV beschleunigt. Berechne ihre de-Broglie-Wellenlänge in pm.
Lösung zeigen
1. e · U = p² : (2 · m_e), also p = √2 · m_e · e · U und λ = h : p
2. p = √2 · 9,109 · 10⁻³¹ kg · 1,602 · 10⁻¹⁹ C · 8000 V = 4,83 · 10⁻²³ kg·m/s
3. λ = 6,626 · 10⁻³⁴ J·s : 4,83 · 10⁻²³ kg·m/s = 13,7 pm
Ergebnis:
13,7 pm
★18
Für ein Beugungsexperiment sollen Elektronen die de-Broglie-Wellenlänge 100 pm haben. Mit welcher Spannung muss man sie aus der Ruhe beschleunigen? Berechne U in V.
Lösung zeigen
1. λ = h : √2 · m_e · e · U, nach U umgestellt: U = h² : (2 · m_e · e · λ²)
2. λ² = (1,0 · 10⁻¹⁰ m)² = 1,00 · 10⁻²⁰ m²
3. U = (6,626 · 10⁻³⁴ J·s)² : (2 · m_e · e · λ²) = 150 V
Ergebnis:
150 V

7Ich kann die Unbestimmtheitsrelation von Heisenberg anwenden.

MerkenUnbestimmtheit

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.

BeispielUnbestimmtheitsrelation anwenden

Ein Elektron ist in einem Nanodraht auf Δx = 1 nm eingegrenzt. Bestimme die kleinstmögliche Unbestimmtheit seiner Geschwindigkeit Δv in km/s.

Schritt für Schritt

Δx · Δp ≥ h : (4π) mit Δp = m_e · Δv
Δp ≥ 6,626 · 10⁻³⁴ J·s : (4π · 1,0 · 10⁻⁹ m) = 5,27 · 10⁻²⁶ kg·m/s
Δv ≥ 5,27 · 10⁻²⁶ kg·m/s : 9,109 · 10⁻³¹ kg = 57,9 km/s

Δx · Δp ≥ h : (4π) mit Δp = m_e · Δv
Δp ≥ 6,626 · 10⁻³⁴ J·s : (4π · 1,0 · 10⁻⁹ m) = 5,27 · 10⁻²⁶ kg·m/s
Δv ≥ 5,27 · 10⁻²⁶ kg·m/s : 9,109 · 10⁻³¹ kg = 57,9 km/s

Ergebnis:

57,9 km/s

Achtung4π in der Unbestimmtheitsrelation vergessen

So nicht

Δp ≥ h : Δx

So richtig

kleinstes Δp = h : (4π · Δx)

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

ÜbenJetzt du

○19
Ein Elektron ist in einem Nanodraht auf Δx = 10 nm eingegrenzt. Bestimme die kleinstmögliche Unbestimmtheit seiner Geschwindigkeit Δv in km/s.
So fängst du an:
Δx · Δp ≥ h : (4π) mit Δp = m_e · Δv
Lösung zeigen
1. Δx · Δp ≥ h : (4π) mit Δp = m_e · Δv
2. Δp ≥ 6,626 · 10⁻³⁴ J·s : (4π · 1,0 · 10⁻⁸ m) = 5,27 · 10⁻²⁷ kg·m/s
3. Δv ≥ 5,27 · 10⁻²⁷ kg·m/s : 9,109 · 10⁻³¹ kg = 5,79 km/s
Ergebnis:
5,79 km/s
●20
Ein Elektron ist in einem Quantenpunkt auf Δx = 20 nm eingegrenzt. Bestimme die kleinstmögliche Unbestimmtheit seiner Geschwindigkeit Δv in km/s.
Lösung zeigen
1. Δx · Δp ≥ h : (4π) mit Δp = m_e · Δv
2. Δp ≥ 6,626 · 10⁻³⁴ J·s : (4π · 2,0 · 10⁻⁸ m) = 2,64 · 10⁻²⁷ kg·m/s
3. Δv ≥ 2,64 · 10⁻²⁷ kg·m/s : 9,109 · 10⁻³¹ kg = 2,89 km/s
Ergebnis:
2,89 km/s
★21
Ein Proton ist in einem schweren Kern auf Δx = 4 fm eingegrenzt (1 fm = 10⁻¹⁵ m, m_p = 1,673 · 10⁻²⁷ kg). Bestimme die kleinstmögliche Unbestimmtheit Δv in km/s.
Lösung zeigen
1. Δx · Δp ≥ h : (4π) mit Δp = m_p · Δv
2. Δp ≥ 6,626 · 10⁻³⁴ J·s : (4π · 4,0 · 10⁻¹⁵ m) = 1,32 · 10⁻²⁰ kg·m/s
3. Δv ≥ 1,32 · 10⁻²⁰ kg·m/s : 1,673 · 10⁻²⁷ kg = 7880 km/s
Ergebnis:
7880 km/s

8Ich kann die Äquivalenz von Masse und Energie anwenden.

MerkenMasse 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.

BeispielMasse und Energie

Welche Energie entspricht der Ruhemasse eines Protons (m = 1,6726 · 10⁻²⁷ kg)? Berechne E in MeV.

Schritt für Schritt

E = m · c²
E = 1,6726 · 10⁻²⁷ kg · (2,998 · 10⁸ m/s)² = 1,50 · 10⁻¹⁰ J
E = 1,50 · 10⁻¹⁰ J : 1,602 · 10⁻¹⁹ J/eV = 938 MeV

E = m · c²
E = 1,6726 · 10⁻²⁷ kg · (2,998 · 10⁸ m/s)² = 1,50 · 10⁻¹⁰ J
E = 1,50 · 10⁻¹⁰ J : 1,602 · 10⁻¹⁹ J/eV = 938 MeV

Ergebnis:

938 MeV

AchtungUmrechnungszahl falsch

So nicht

2,5 km = 250 m

So richtig

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.

ÜbenJetzt du

○22
Gedankenversuch: Eine Masse von 2 g würde vollständig in Energie umgesetzt. Berechne die Energie in TJ (1 TJ = 10¹² J).
So fängst du an:
E = m · c², die Masse in kg
Lösung zeigen
1. E = m · c², die Masse in kg
2. m = 2 g = 2 · 10⁻³ kg
3. E = 2 · 10⁻³ kg · (2,998 · 10⁸ m/s)² = 1,80 · 10¹⁴ J = 180 TJ
Ergebnis:
180 TJ
●23
Welche Energie entspricht der Ruhemasse eines Elektrons (m = 9,109 · 10⁻³¹ kg)? Berechne E in keV.
Lösung zeigen
1. E = m · c²
2. E = 9,109 · 10⁻³¹ kg · (2,998 · 10⁸ m/s)² = 8,19 · 10⁻¹⁴ J
3. E = 8,19 · 10⁻¹⁴ J : 1,602 · 10⁻¹⁹ J/eV = 511 keV
Ergebnis:
511 keV
★24
Ein Kraftwerk gibt 1,4 GW elektrische Leistung ab, ein Jahr lang. Welcher Masse entspricht diese Energie nach E = m · c²? Berechne m in g.
Lösung zeigen
1. E = P · t, dann m = E : c²
2. E = 1,4 · 10⁹ W · 31.536.000 s = 4,42 · 10¹⁶ J
3. m = 4,42 · 10¹⁶ J : (2,998 · 10⁸ m/s)² = 4,91 · 10⁻¹ kg = 491 g
Ergebnis:
491 g

Vermischte Übungen

Alles durcheinander – wie in der Arbeit. Überleg bei jeder Aufgabe zuerst: Welches Ziel ist das?

Üben

●25
Photonen mit je 3,88 eV treffen auf Cäsium (W_A = 1,94 eV). Berechne die größte Bewegungsenergie der Fotoelektronen in eV.
Lösung zeigen
1. Energiebilanz für ein Photon: E_kin = E_Ph − W_A
2. E_Ph = 3,88 eV, W_A = 1,94 eV
3. E_kin = 3,88 eV − 1,94 eV = 1,94 eV
Ergebnis:
1,94 eV
●26
Licht mit 400 nm löst Elektronen aus Barium. Die Lampe wird auf ein Viertel so hell gedimmt, die Wellenlänge bleibt. Was ändert sich?
Lösung zeigen
1. Weniger Licht heißt weniger Photonen je Sekunde.
2. Es treten etwa 4-mal weniger Elektronen aus.
3. Die Energie eines Photons hängt nur an der Wellenlänge, also bleibt E_kin gleich.
Ergebnis:
Weniger Elektronen, gleiche größte Energie.
●27
Ab welcher Frequenz löst Licht Elektronen aus Kalzium (W_A = 2,87 eV)? Gib f_G in THz an (1 THz = 10¹² Hz).
Lösung zeigen
1. f_G = W_A : h
2. W_A = 2,87 · 1,602 · 10⁻¹⁹ J = 4,60 · 10⁻¹⁹ J
3. f_G = 4,60 · 10⁻¹⁹ J : 6,626 · 10⁻³⁴ J·s = 6,94 · 10¹⁴ Hz = 694 THz
Ergebnis:
694 THz
●28
Licht mit 420 nm löst aus einer Metallplatte Elektronen mit höchstens 0,82 eV Bewegungsenergie. Bestimme die Austrittsarbeit in eV.
Lösung zeigen
1. E_Ph = W_A + E_kin, also W_A = E_Ph − E_kin
2. E_Ph = 1240 eV · nm : 420 nm = 2,95 eV
3. W_A = 2,95 eV − 0,82 eV = 2,13 eV
Ergebnis:
2,13 eV
●29
Photonen mit je 3,1 eV fallen auf die Kathode einer Fotozelle aus Rubidium (W_A = 2,13 eV). Bei welcher Gegenspannung U_0 kommt kein Elektron mehr an? Berechne mit Einheit.
Lösung zeigen
1. e · U_0 = h · f − W_A, in eV gerechnet
2. h · f = 3,1 eV, W_A = 2,13 eV
3. e · U_0 = 3,1 eV − 2,13 eV = 0,97 eV, also U_0 = 0,97 V
Ergebnis:
0,97 V
●30
Gegenfeldmethode: Bei f = 7 · 10¹⁴ Hz ist U_0 = 0,38 V, bei f = 8,5 · 10¹⁴ Hz ist U_0 = 1 V. Bestimme das Plancksche Wirkungsquantum h.
Lösung zeigen
1. Die Steigung der Geraden U_0(f) ist h : e
2. ΔU_0 : Δf = 0,62 V : 1,5 · 10¹⁴ Hz = 4,13 · 10⁻¹⁵ V·s
3. h = 1,602 · 10⁻¹⁹ C · 4,13 · 10⁻¹⁵ V·s ≈ 6,6 · 10⁻³⁴ J·s
Ergebnis:
h ≈ 6,6 · 10⁻³⁴ J·s

Auf einen Blick

MerkenDas Wichtigste

Der Fotoeffekt: Ein Photon gibt seine Energie h · f an genau ein Elektron ab.
Grenzfrequenz: Unter der Grenzfrequenz f_G = W_A : h tritt kein Elektron aus, auch bei hellem Licht.
Gegenfeldmethode: Die Gegenspannung U_0 stoppt gerade die schnellsten Elektronen.
Impuls und Materiewelle: Photonen haben keine Masse, aber den Impuls p = h · f : c = h : λ.
Einzelne Quanten: Jedes Quantenobjekt wird an genau einer Stelle nachgewiesen, wo, ist zufällig.
Elektronenbeugung: Aus e · U = p² : (2 · m_e) folgt λ = h : √(2 · m_e · e · U).
Unbestimmtheit: Ort und Impuls sind nie zugleich beliebig scharf: Δx · Δp ≥ h : (4π).
Masse und Energie: Masse ist eine Form von Energie: E = m · c².

AchtungElektronvolt und Joule verwechselt

So nicht

E_kin = 0,85 J

So richtig

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.

AchtungElektronvolt und Volt verwechselt

So nicht

U_0 = 0,85 eV

So richtig

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.

AchtungIntensität bestimmt die Energie der Fotoelektronen

So nicht

doppelt so helles Licht → doppelt so schnelle Elektronen

So richtig

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.

AchtungFotoeffekt mit dem Wellenmodell erklärt

So nicht

rotes Licht, sehr hell, lange genug → irgendwann treten Elektronen aus

So richtig

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.

AchtungOrt des einzelnen Treffers als vorhersagbar gedacht

So nicht

Das nächste Photon landet im hellsten Streifen.

So richtig

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.

AchtungEinzelnes Quantenobjekt als ausgedehnte Welle auf dem Schirm

So nicht

Ein einzelnes Photon macht ein schwaches, ganzes Streifenmuster.

So richtig

ein Photon → ein Punkt; viele Punkte → das Muster

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

AchtungZufall und festes Muster als Gegensatz

So nicht

Jeder Treffer ist zufällig, also wird der Schirm gleichmäßig grau.

So richtig

jeder Treffer zufällig, helle Stellen wahrscheinlicher → Streifen

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

AchtungWeginformation und Interferenz zugleich erwartet

So nicht

Man weiß, durch welchen Spalt jedes Photon ging, und sieht trotzdem Streifen.

So richtig

Weginformation vorhanden → keine Interferenz; keine Weginformation → Streifen

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

AchtungWahrscheinlichkeit wie die Amplitude statt wie ihr Quadrat

So nicht

halbe Amplitude → halb so viele Treffer

So richtig

halbe Amplitude → (½)² = ein Viertel der Treffer

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

AchtungGlanzwinkel und Ablenkwinkel verwechselt

So nicht

Ring bei r : L = θ, also λ = 2 · d · r : L

So richtig

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.

AchtungWurzelzusammenhang als proportional gerechnet

So nicht

vierfache Spannung → Ringe ein Viertel so groß

So richtig

vierfache Spannung → λ halb so groß → Ringe halb so groß

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

AchtungUnbestimmtheit als Messfehler

So nicht

Mit einem besseren Gerät kennt man Ort und Impuls zugleich genau.

So richtig

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.

AchtungEinzelspalt wie eine Schattenblende gedacht

So nicht

schmalerer Spalt → schmalerer Lichtfleck

So richtig

schmalerer Spalt → breiteres Hauptmaximum (Beugung)

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

AchtungEinheit vergessen

So nicht

ρ = 54 : 20 = 2,7

So richtig

ρ = 54 g : 20 cm³ = 2,7 g/cm³

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

Kannst du das?

Je Ziel eine Aufgabe. Rechne sie ins Heft, dann kreuz ehrlich an. Keine Punkte, keine Note – der Test ist für dich.

ÜbenSelbsttest

Ich kann mit der Gleichung von Einstein die Energie der Fotoelektronen berechnen und den Einfluss der Intensität erklären.
31
Licht der Wellenlänge 300 nm fällt auf Cäsium (W_A = 1,94 eV). Berechne die größte Bewegungsenergie der Fotoelektronen in eV.
Lösung zeigen
Ergebnis:
2,19 eV
Ich kann Grenzfrequenz, Grenzwellenlänge und Austrittsarbeit bestimmen.
32
Ab welcher Frequenz löst Licht Elektronen aus Kalium (W_A = 2,25 eV)? Gib f_G in THz an (1 THz = 10¹² Hz).
Lösung zeigen
Ergebnis:
543 THz
Ich kann mit der Gegenfeldmethode das Plancksche Wirkungsquantum bestimmen.
33
Photonen mit je 3,31 eV fallen auf die Kathode einer Fotozelle aus Kalzium (W_A = 2,87 eV). Bei welcher Gegenspannung U_0 kommt kein Elektron mehr an? Berechne mit Einheit.
Lösung zeigen
Ergebnis:
0,44 V
Ich kann den Impuls von Photonen und die de-Broglie-Wellenlänge berechnen.
34
Ein Photon des Sonnenlichts hat den Impuls p = 9,47 · 10⁻²⁸ kg·m/s. Berechne seine Wellenlänge in nm.
Lösung zeigen
Ergebnis:
700 nm
Ich kann das Doppelspaltexperiment mit einzelnen Quantenobjekten mit Wahrscheinlichkeiten deuten.
35
Durch einen Doppelspalt gehen Elektronen einzeln, eines nach dem anderen. Was zeigt der Schirm nach 2000 Treffern?
Lösung zeigen
Ergebnis:
Punkte, die sich zu Streifen ordnen.
Ich kann die de-Broglie-Wellenlänge aus der Beschleunigungsspannung berechnen und die Elektronenbeugung am Kristall auswerten.
36
In einer Beugungsröhre werden Elektronen mit U = 3 kV beschleunigt. Berechne ihre de-Broglie-Wellenlänge in pm.
Lösung zeigen
Ergebnis:
22,4 pm
Ich kann die Unbestimmtheitsrelation von Heisenberg anwenden.
37
Ein Elektron ist in einem Nanodraht auf Δx = 0,5 nm eingegrenzt. Bestimme die kleinstmögliche Unbestimmtheit seiner Geschwindigkeit Δv in km/s.
Lösung zeigen
Ergebnis:
116 km/s
Ich kann die Äquivalenz von Masse und Energie anwenden.
38
Gedankenversuch: Eine Masse von 2 g würde vollständig in Energie umgesetzt. Berechne die Energie in TJ (1 TJ = 10¹² J).
Lösung zeigen
Ergebnis:
180 TJ

Bei „unsicher“ oder „noch nicht“: Lies den Abschnitt zum Ziel noch einmal und rechne seine drei Aufgaben.

Wörter

Gleichung: zwei Rechnungen, die gleich viel wert sind
Häufigkeit: wie oft etwas vorkommt
Steigung: wie stark es nach oben geht, pro Schritt nach rechts
Wahrscheinlichkeit: wie sicher etwas passiert

Wie es zusammenhängt

Das brauchst du vorher: Lineare Funktionen

Lösungen

3,95 eV
0,67 eV
366 km/s
515 THz
1050 THz
582 nm
0,54 V
2,61 V
0,6 V
650 nm
999 nm
4,54 mN
Punkte, die sich zu Streifen ordnen.
Fast nie: Die Wahrscheinlichkeit ist dort beinahe 0.
Die Streifen bleiben: Gleiche Filter verraten keinen Weg.
38,7 pm
13,7 pm
150 V
5,79 km/s
2,89 km/s
7880 km/s
180 TJ
511 keV
491 g
1,94 eV
Weniger Elektronen, gleiche größte Energie.
694 THz
2,13 eV
0,97 V
h ≈ 6,6 · 10⁻³⁴ J·s
2,19 eV
543 THz
0,44 V
700 nm
Punkte, die sich zu Streifen ordnen.
22,4 pm
116 km/s
180 TJ