Atomphysik Flashcards
Temperaturstrahlung
Senden alle Körper mit Temperatur oberhalb 0K aus.
Kontinuierliche Strahlung.
Unabhängig von Beschaffenheit, entsteht durch Schwingung von Ladungen im atomaren Bereich.
Schwarzkörperstrahlung
Schwarze Oberfläche absorbiert mehr Strahlung als helle.
Konzept: Absorption proportional zu Emission. Körper die am meisten absorbieren können auch am meisten emittieren.
Absorptionsgrad Epsilon
Reflexionsgrad 1 - Epsilon
Wenn Epsilon(f1) = 1 Körper ist schwarz für f1.
Wenn Epsilon(f)= 1 Körper ist Schwarzmann
Schwarzer Körper absorbiert Strahlung jeglicher Wellenlänge vollständig. Realer Körper reflektiert Teil
Intensitäsmaximum der schwarzkörperstrahlung ist temperaturabhängig
Bohrsches Atommodell
- Postulat: e- Bewegen sich auf diskreten Bahnen, ohne Strahlung zu emittieren.
- Postulat : zwischen stabilen Bahnen sind e- Übergänge möglich. Dabei absorbierte oder emittierte Energie entspricht Energiedifferenz zw. Energiezuständen.
Energiedifferenz ist gequantelt, somit auch Drehimpuls L
DeltaE = E Ende - E Anfang
Coulombkraft
Anziehungskraft zw positiven und negativen Ladungsträgern
Zieht e- auf Bahnen Richtung Kern.
Entspricht im Atommodell zentripetalkrafz
Dispersion (Licht)
Elektromagnetische Wellen verschiedener Frequenz breitet sich verschieden schnell in flüssiger bzw. Fester Materie aus.
Dh. Licht verschiedener Frequenz wird verschieden von Prisma gebrochen
Licht als Welle
y = y0sin(kx - wt - phi)
y0 - Amplitude der Welle k - wellenzahl (räumliche Periodizität) w - Kreisfrequenz (zeitliche) w = 2Pi x f Lambda = 2pi / k
Übertragung von Energie auf dunkles material
Licht regt Elektronen zu Schwingungen an, geben durch Stöße kinetische Energie ab. Körper erwärmt sich
Erzeugung elektromagnetischer wellen
Durch beschleunigte Ladung
1 Hz
1/s
Schwarzer Strahler
Idealisierter Körper mit max. Absorptionsgrad und Emissionsgrad
Kontinuierliches Spektrum
1 eV
1,609 x 10^-19 J
Wärmestrahlung
Kontinuierlich
Elektromagnetische Strahlung
Licht. Aber nicht unbedingt sichtbares
Atommodell thomson
Atom besteht aus gleichmäßig verteilter positiv geladener Masse, darin frei bewegliche negativ geladenen Elektronen
Atommodell Rutherford
Sehr kleiner Atomkern r ca 10^ -15 m , Elektronen bewegen sich darum in Bahnen.
Von Thomson zu Rutherford Atommodell
Alpha Teilchen werden an Goldfolie mit Winkel über neunzig Grad zurück gestreut
Dh. Atomhülle fast leer.
U
1,661 x 10^-27 kg
Kosmische Mikrowellenstrahlung
Beleg für Urknalltheorie
Solarkonstante
Strahlungsintensität, die von der Sonne ohne Einfluss der Atmosphäre auf Erde trifft.
Wärmebildkamera
Quotientenpyrometer: berührungslose Temperaturmessung
Bildung des Verhältnis der Intensitäten bei zwei verschiedenen Wellenlängen
Welche Grundlage der klassischen Physik verletzt das Bohrsches Atommodell?
Beschleunigte Ladung strahlt Energie ab
Elektronen müssten in Kern stürzen
Annahmen Bohrsches Atommodell
1) 1. Postulat: es existieren bestimmte stationäre Zustände mit eindeutig definierter Energie, kreisende Elektronen emittieren aber nicht kontinuierlich strahlung
2) 2. Postulat: die Frequenz der emittiert oder absorbierten Strahlung ist durch die Differenz der Energien der beteiligten stationären Zustände gegeben.
3) Drehimpuls des Systems im stationären Zustand ist ganzes Vielfaches von h/2pi (h quer)
- > quantisierung des Drehimpuls
Nachweis Bohrsches Atommodell
Frank Hertz Versuch
Erkenntnisse: Energie gequantelt
Frank Hertz Versuch Ablauf
- e- treten aus der Glühkathode aus, durch erhitzen
- Gitter 1 ist gegenüber Kathode positiv geladen (hier liegt schon Spannung Ub an), e- werden in Richtung Anode gesaugt
- e- werden durch Beschleunigungsspannung zwischen Gitter 1 und 2 zur Anode beschleunigt
- zwischen Gitter 2 und Anode liegt Gegenspannung an, e- erreichen Anode nur, wenn sie Gegenspannung überwinden können
- wenn e- von Kathode Anode erreichen, fließt Strom, dieser wird gemessen um zu ermitteln wie viele Elektronen die Anode erreicht haben
Photoeffekt Aufbau
Licht trifft auf Metallkanthose, Elektronen absorbieren Energie des Lichts und werden aus Metallplatte rausgelöst.
Bewegen sich zur Ringanode.
Durch angelegte Spannnung, kann Anodenstrom und somit Elektronen die herausgelöst würden gemessen werden.
Angelegte Gegenspannnung wird solange erhöht bis U = Ugrenz , Strom bei Ugrenz I = 0A
Es gilt Ekin = e x Ugrenz
-> so kinetische Energie der Elektronen ermitteln. Bei Ugrenz haben sie nicht mehr genug Ekin um Gegenspannung zu überwinden, also Strom gleich Null
Welche Beobachtungen wären beim Photoeffekt erwartet, wenn Licht nur Wellen Eigenschaften hätte?
Kinetische Energie und Geschwindigkeit der Elektronen müsste abhängig sein von Intensität des Lichts
Bei genügend hoher Intensität sollte Photoeffekt für alle Frequenzen zu beobachten sein
Beobachtungen Photoeffekt
1) MONOCHROMATISCHES LICHT
Beleuchtungsintensität wird verdoppelt -> es verdoppelt sich der Photostrom aber nicht die kinetische Energie der Elektronen. (Ugrenz bleibt konstant, Ekin = e x Ugrenz)
-> Ekin der Elektronen unabhängig von Beleihungsintensität
-> Licht keine Welle, da bei höherer Intensität sonst Interferenz und höhere Ekin der Elektronen
2) KONSTANTE BELEUCHTUNGSINTENSITÄT
Änderung der Frequenz: Licht höherer Frequenz erhöht die kinetische Energie der Elektronen und damit Ugrenz. Anodenstrom bleibt gleich.
Photoeffekt Austrittsarbeit
Ekin(e-) = e x Ugrenz = h x f - Wa = h(f-f(min))
Austrittsarbeit ist Energie die benötigt wird um Elektronen aus Metallplatte rauszulösen.
Photoeffekt nur für mindestfrequenz.
Beweis für Licht als teilchen
Photoeffekt
E(Photon) = h x v, also nur frequenzabhängig
Compton Effekt
Compton Effekt, der Versuch
MONOCHROMATISCHES RÖNTGENLICHT
Photon trifft auf Elektron in Atomhülle
P und E WW, Elektron wird angeregt und absorbiert Teil der Energie des Photons.
Sekundärphoton bzw Streustrahlung hat größere Wellenlänge als Primärphotons, durch Energieverlust
Es gilt Impulserhaltungssatz
Compton Effekt: Wellenlänge der Sekundärstrahlung abhängig vom Streuwinkel
Je größer der Streuwinkel desto größer Wellenlänge des Sekundärphotons.
Beweis für Licht als Welle
Beugungs und Brechungsversuche zB am prisma, Vergleich Mikrowellen und Licht
Zeigen gleiche Eigenschaften
Doppelspalt Experiment nach Fraunhofer, analogue zu Elektronenbeugung
Elektronenbeugung
Doppelspalt Experiment, Nachweis Wellennatur des Elektrons
Elektronen gleicher kinetischer Energie treffen auf doppelspalt, dahinter Leuchtschirm, trägt Leichtintensität auf.
Man sieht Überlagerung von Wellenbergen (zw. Doppelspalt)
-> Elektronen haben Wellenlänge und interferieren
Leichtintensität abhängig von Elektronenstrom
Beweis für Quantenmechanik und de Broglie Thèse
De Broglie
Elektronen und andere Teilchen mit Ruhemasse ungleich Null unterliegen auch Welle Teilchen Dualismus
Der Broglie Wellenlänge überträgt Eigenschaften von Photonen (ohne Ruhemasse) auf Objekte mit Ruhemasse.
Röntgenstrahlung
Elektronen aus glühkathode zu Anode beschleunigt, durch Beschleunigungsspannung
kinetische Energie der Elektronen wird an Anode in Photonen umgewandelt durch
1) abbremsung der Elektronen im Coulombfeld der Atome -> Entstehung von Bremsstrahlung
2) Anregung bzw. Ionisation der Atome in Anode-> charakteristische Strahlung
Mit Beschleunigungsspannung steigt auch Intensität und Photonenenergie
Bremsstrahlung
Elektronen werden im Coulombfeld der Atomkerne der Anode abgebremst-> Energie erlust
Elektronen können beliebige Energiebeträge verlieren -> kontinuierliche Bremsstrahlung
charakteristische Strahlung
Beschleunigte Elektronen Regen Elektronen in Anodenstrom an (übertragen ihre kinetische Energie)
Elektronenübergang von zB. k Schale in höhere
Anderes Elektron aus höherem Energieniveau fällt runter auf K Schale und emittiert Photonen
-> K Linien
Je höher Kernladungslazul des Anodenmaterials desto höher Frequenz bzw. Photonenenergie die beim Übergang emittiert wird , da Bindungsenergie Kern zu Elektronen größer
Unterschied zwischen Gasentladungslampe und Frank-Hertz-Röhre
Gasentladungslampe: Betrieb bei Hochspannungen -> Stoßionisation durch freie Elektronen
Hertz: kleine Spannungen, keine Stoßionisation
Was beweist der Frank-Hertz Versuch?
Atome können nicht nur Energie in Form von elektromagnetischer Strahlung aufnehmen, sondern
auch durch Stöße mit anderen Teilchen. Dieser Energieübertrag ist ebenso quantisiert und somit ein
Beweis für die Quantisierung der Bindungsenergien der Elektronen im Atom und damit auch eine
Bestätigung des Bohrschen Atommodells
Frank-Hertz:
Wie groß muss die Geschwindigkeit eines Elektrons mindestens sein, damit ein Füllgas Atom angeregt werden kann?
mindestens der Energie eines charakteristischen Übergangs.
Ekin größergleich e x Ub
-> umstellen nach Geschwindigkeit
Vier Varianten, durch die Elektronen ein Material verlassen können
Glühemission: Überwindung der Austrittsarbeit mit Energie in Form von Hitze
durch Stoß: wie char. Röntgenstrahlung
Feldemission
Photoelektrischer Effekt: elektromagnetische Strahlung überträgt Energie auf Elektronen
Wovon hängt Ugrenz beim Photoeffekt ab?
Kathodenmaterial, Wellenlänge/Frequenz des Lichts
Warum benutzt man Wolfram als Anode bei Röntgenstrahlen?
Schwerer Kern mit großer Kernladungszahl: hohe Bindungsenergie Kern Elektronen.
Dh. Photon hoher Energie emittiert bei Übergängen
auch: hohe Schmelztemp,
Laser Definition
Lichtquelle, die elektromagnetische Strahlung scharf begrenzter Frequenz, hoher Kohärenz und großer Intensität aussendet.
Hauptquantenzahl
n, Energie des beschriebenen Zustands
Nebenquantenzahl
l, Betrag des Bahndrehimpulses, Form des Orbitals
magnetische Quantenzahl
ml, Quantenzahl für z-Komponente des Bahndrehimpulses
Spinquantenzahl
s, Eigendrehimpuls des Elektrons
Pauli Prinzip
Elektronen in Orbitalen müssen sich in mindestens einer Quantenzahl unterscheiden
Welche 3 WW Prozesse zwischen Elektronen und Photonen im Laser?
Absorption, Emission, induzierte Emission
Warum ist ein Zwei Niveau Laser System nicht möglich?
Besetzungsinversion kann nicht hergestellt werden.
Emission und Absorption befinden sich im GGW, maximale N1/No=1
Vorteile Vier Niveau System ggü. 3NS
bei 3NS muss unteres Lasernieveau (GZ) durch Pumpen entvölkert werden.
Bei 4NS ist unteres Laserniveau bereits unbevölkert, dies gibt Elektronen bereitwillig an oberes LN ab.
-> im 4NS weniger Pumpleistung benötigt für Bestzungsinversion
-> im 4NS kontinuierlicher Betrieb möglich
-> man benötigt nur ein Photon im 4NS um Besetzungsinversion zu erzeugen
Laseraufbau
Lasermaterial umschlossen von 2 Spiegeln, einer davon leicht lichtdurchlässig, dort tritt Laserstrahl aus.
Blitzlichtlampe aktiviert Vorgang.
Eigenschaften Laserlicht
- monochromatisch (induziertes Photon selbe Frequenz wie induzierendes)
- parallel
- kohärent (alle Photonen schwingen gleichphasig)
Anwendung Laser
Interferometrie: Messung kleinster Entfernungsunterschiede, nutzt Lichtinterferenz
Materialbearbeitung: nutzt hohe Energie und punktgenaues fokussieren
Grenzen Bohrsches Atommodell
- Beschreibung magnetischer Eigenschaften nicht möglich
- nicht auf Mehrelektronensysteme anwendbar
- Widerspruch klassische Phys: Elektronen auf Bahnen ohne Energieverlust
Tunneleffekt
Teilchen kann endliche Potentialbarriere überwinden wenn Energie des Teilchens kleiner als Höhe des Potentials. -> Erklärung herauslösen alpha Teilchen aus Atomkern
Laser
Lichtquelle, die elektromagnetische Strahlung scharf begrenzter Frequenz, hoher Kohärenz und großer Intensität aussendet.
induzierte Emission
- Photon trifft auf angeregtes Atom
- wenn Photon selbe Energie wie Energiediff. zw niedrigerem EN und AZ des Atoms
- Atom wird zu Übergang in niedrigerem EN gezwungen
- > Photonenemission
- E(Ph2) = E(Ph1)
- > Aussendung zwei gleicher Photonen, induziertes und induzierendes
Wie sind die möglichen Energie des Teilchens im Kastenpotential bzw. dem Bohrschen Atommodell quantisiert?
E(n)Kasten= (h^2)/(8mL^2)
E(n)Bohr=-Rydberg/(n^2)
technische Anwendung für Elektronenwellen
doppelspaltexperiment
Unterschied Bohrsches Atommodell und Schrödinger
Bohr: Elektronen kreisen als Massepunkte auf stationären Bahnen um Atomkern
heute: Aufenthaltswahrscheinlichkeit in Nähe des Atomkerns
Eigenschaften der Kernkraft
- Reichweite in Größenordnung von Nukleonen
- 1 Nukleon ww nur mit nächsten Nachbarn
- Ladungsunabhängig
- favorisiert Bindungen zw. P oder N mit unterschiedlichem Spin
