Quantenmechanik und Atomphysik / Orbitaltheorie

Question 1

was kann man von einem Teilchen nicht gleichzeitig bestimmen?

Answer 1

Ort und Impuls

Question 2

wie viele Orbitale kann es grundsätzlich auf einer Schale geben?

Answer 2

1 s-Orbital
3 p-Orbitale
5 d-Orbitale
7 f-Orbitale

Question 3

Was ist ein quant?

Photon?

Answer 3

minimale Menge einer physikalischen Einheit, die an einer Interaktion beteiligt ist, physikalische Einheit wie Energie ist gequantelt, kann nur diskrete Werte annehmen, keine kontinuierlichen

z.B. Plancksches Wirkungsquantum h

Photon: einzelner Lichtquant (elektromagnetischer Quant)

Question 4

Weshalb sind Atome bzw. Materie stabil?

Answer 4

Elektronen existieren nur bei diskretem Energieniveau in einem Atom

Question 5

aus was besteht ein Atom?

Answer 5

Kern mit Protonen und Neutronen + Hülle mi Elektronen

Question 6

worauf beruht Negativität bzw. Posititivität d. Bestandteile des Atoms?

Answer 6

Elementarladung e = 1,6*10^-19 Coulomb –> kleinstmögliche elektrische Ladung!

Question 7

Unterschied p von e?

Answer 7

p ist um vielfaches größer, 2000-mal schwerer, viel leichter zu lokalisieren

e hält sich in Orbitalen auf, nicht exakt lokalisierbar (Heisenbergsche Unschärferelation)

Question 8

Was ist ein Atom?

Answer 8

kleinste grundlegende Einheit normaler MAterie, hat Eigenschaft eines chemischen Elements, unteilbar

Question 9

gibt es elementare Einheiten, die nicht unbedingt Eigenschaften eines chemischen Elements innehaben?

Answer 9

ja, jegliche Materie auf der Welt ist aus elementaren Teilchen aufgebaut, außer Atome: Quarks und Leptone (Fermione)
+ Photone, Gluone, Z Boson, etc (Eichboson) + Higgs-Boson

Question 10

was sind Fermione / Eichbosons?

Answer 10

Fermione: machen grundmasse der Materie aus
Eichbosons: Elementarteilchen, die alle ver Grundkräfte der Physik verursachen

Question 11

aus was bestehen protone und neutrone?

aus was besteht Elektron?

Answer 11

aus den Quarks,

Proton aus zwei Up-Quarks und einem Down-Quark
Neutron aus einem Up-Quark und zwei Down-Quarks
Elektron ist Lepton

alle drei Fermionen der ersten Generation

Question 12

unter welchen vier Grundkräften der Natur unterliegt das Atom?

Answer 12

der schwachen, starken und elektromagnetischen Wechselwirkung und der Gravitation

Question 13

Wann können Quarks nur existieren?

Answer 13

wenn sie durch starke Wechselwirkung zusammengehaltn werden –> hält p und n zusammen

Question 14

unter welchen Kräften liegen die Leptone?

Answer 14

unterliegen der schwachen wechselwirkung + Gravitation

Question 15

welche Wechselwirkungen vermitteln Eichbosonen?

Answer 15

schwache starke und elektromagnetische Wechselwirkungen + Gravitation, stellen austauschteilchen dar

Photon ist masselos

Question 16

was ist antimaterie / antiteilchen?

Answer 16

antimaterie besteht aus antiteilchen, diese haben dieselbe Masse, Lebensdauer + Spinquantenzahl wie ihr korrespondierendes Elementarteilen aus der nomalen Materie, haben entgegengesetzte Ladung!

zu allen teilchen gibt es antiteilchen!

Protonen positive Ladung, Antiprotonen negativ

Question 17

was umkreisen den Atomkern bei Antimaterie?

Answer 17

positiv geladene Positrone statt negativ geladene e

Question 18

was passiert wenn Teilchen und Antiteilchen aufeinandertreffen?

Answer 18

vernichten sich gegenseitig = Annihilatoin –> entstehung von starken elektromagnetischen Strahlen (Photone!) wie Gammastrahlung oder Neutrinos

oder gehen in ein neues teilchen-antiteilchen-paar über

Question 19

was macht antimaterie aus?

Answer 19

teilchen und antiteilchen unterliegen einer vollständigen symmetrie, bestehen aus genau denselben teilchen wie normale materie, jedoch mit entgegengesetzter Elementarladung

Question 20

Wie entstehen Antiteilchen?

Answer 20

kommen in Natur nicht vor, entstehen beim beta-Zerfall und beim Eintritt von Kosmischer Strahlung in Erdatmosphäre

Question 21

was gibt die Hauptquantenzahl n an?

Answer 21

gibt Schale an in dem sich e befindet

Question 22

je größer Hauptquantenzahl, umso…?

Answer 22

…umso weiter ist das e vom kern entfernt und esto niedriger ist die energie, mit der Elektron am Kern gebunden ist

Question 23

was geben Orbitale an?

Answer 23

Aufenthaltswahrscheinlichkeit der enthaltenen e

Question 24

starke wechselwirkung

(1) wo wirkt sie?
(2) in welchem bereich wirkt sie?
(3) wie stark ist sie?
(4) wann ist der kern instabil?

Answer 24

(1) zwischen den Quarks eins Nukleons (zusammenhalt Protone und Neutrone)

(2) im femtometerbereich (10^-15m)
(3) 100x stärker als Elektromagnetismus, 1000x stärker als Gravitaton, 1 Mio x stärker wie schwache Wechselwirkung

(4) wenn zu viele p in relation zu n, bzw zu viele n in relation zu p

Question 25

schwache wechselwirkung

(1) wo liegt sie zugrunde?
(2) wo hat sie ihre elementare bedeutung?
(3) was vermittelt sie?

Answer 25

(1) radio aktivem zerfall, besonders beta-zerfall, findet nur in sehr kleinen, subatomaren Abständen statt
(2) Kernfusion in der sonne bzw sternen
(3) umwandlug von einer Art Nukleon in eine andere

Question 26

worin liegt der ursprung der kernkräfte?

Answer 26

in wechselwirkungen zwischen den nukleonenaufbauenden quarks

Question 27

was entsteht bei der paarbildung?

Answer 27

teilchen und antiteilchen aus einem energiereichen photon

Question 28

was versteht man unter kernspaltung?

Answer 28

ein größerer schwererer atomkern spaltet sich in zwei oder mehrere leichtere atomkerne, dabei wird eine menge energie (kinetisch) frei zahl von p und n bleiben erhalten

–> Kernreaktion oder radioaktiver zerfallsprozess

• Differenz der bindungsenergien der beteiligten kerne entspricht der bei der spaltung freigesetzten energie

Question 29

was erzeugt der spaltungsprozess noch?

Answer 29

freie neutronen + gamma-photonen

Question 30

was passiert bei neutroninduzierte kernspaltung?

Answer 30

kommt atomkern so nahe, dass es von diesem absorbiert wird –> bindungsenergie des atomkerns seigt derart an, dass es sich spaltet (kernwaffen, atombombe)

Question 31

was versteht man unter kernfusion?

Answer 31

zwei oder mehrere kerne werden zu einem verschmolzen, gegenstück zur kernspaltung, bindungsenergie wird ebenfalls fei

Question 32

wann sind stoffe radioaktive stoffe?

Answer 32

wenn ihre kerne instabil sind und unter aussendung ionisierender strahlung radioaktiv zerfallen, stoffe verschwinden nicht sondern gehen in andere elemente über, können ebenfalls wieder radioaktiv sein

prozesse laufen zufällig ab, bei einzelnen atomen kann nur wahrscheinlichkeit von einem zerfall angegen werden

Question 33

wie verringert sich die menge eines radioaktiven stoffes?

Answer 33

exponentiell mit der zeit

Question 34

wie gefährlich ist ein radioaktiver stoff?

Answer 34

hängt von art des zerfalls ab + art von strahlung + häufigkeit der strahlung (aktivität)

Question 35

Def.: Aktivität eines radioaktiven Stoffs?

Einheit?

Answer 35

gibt an wie oft dessen kerne pro zeiteinheit zerfallen, Einheit: becquerel (Bq)

zerfallsaktivität nimmt mit zeit ab

Question 36

was kann für radioaktiven stoff angegeben werden?

Answer 36

halbwertszeit, jene zeit, nach der die hälfte des stoffes zerfallen ist,

wenn halbwertszeit kurz: viele zerfälle in kurzer zeit

Question 37

was sind ionisierende strahlungen?

Answer 37

oft auch radioaktive strahlungen genannt, alle Arten von elektromagnetischer oder Teilchenstrahlung, die in der lage sind, atome zu ionisieren (also elektronen aus Atom zu entfernen) –> strahlung muss dazu sogenannte ionisierungsenergie aufbringen können –> notwendig um elektron aus coulomb-potenzial d. kerns zu bekommen

+ strahlungen, die bei radioaktiven Zerfällen frei werden

Question 38

welche eleketronen können am leichtesten entfernt werden?

Answer 38

die äußeren

Question 39

was sind nicht ionisierende strahlen?

Answer 39

elektromagnetische wellen, deren wellenlängen sich bereich des lichts und darunter befinden

Question 40

welche eigenschaften haben die teilchen der alpha-strahlung?

Answer 40

relattiv massiv und verfügen über große ladungen –> gehen schnell in wechselwirkugnen ein

sind zu mehr ionisierungen imstande als die anderen strahlungsarten

Question 41

was passiert mit energie der alpha-strahlung?

Answer 41

großteil geht durch ionisierung verloren

Question 42

was passiert beim alpha-zerfall?

Answer 42

alpha-teilchen wird frei, das auch zwei p und zwei n besteht (2fach positiv geladen, hat keine e) –> masse: + 4, protonenanzahl: +2

Question 43

welche eigenschaften haben die teilchen der beta-strahlung?

Answer 43

können direkt und indirekt ionisieren, energien der teilchen können direkt auf elektronen der materie übertragen werden, frei gewordenen elektronen haben hohe energie, werden als delta-elektronen bezeichnet –> könnnen weitere atome ionisieren

Question 44

was passiert wenn beta+-Teilchen (positrone) auf elektronen (in materie) treffen?

Answer 44

paarvernichtung –> entstehung von photonen, stellen selbst wieder ionisierende strahlung dar

Question 45

was passiert beim beta-minus-zerfall?

Answer 45

ein neutron im kern wir in p umgewandelt, protonenzahl ändert sich, massenzahl bleibt gleich

+ e entsteht –> Ausgleich, e verlässt als strahlung den kern –> beta-minus-zerfall

+ antineutrino entsteht –> wird auch emittiert

Question 46

was passiert beim beta-plus-zerfall?

Answer 46

proton wird in neutron umgewandelt, massezahlt bleibt gleich, protonenzahl ändert sich

+ positives positron entsteht (masselos) –> ausgleich, verlälsst auch kern –> beta-plus-zerfall

+ neutrino ensteht, wird auch emittiert

Question 47

welche eigenschaft haben die teilchen der gamma-strahlung?

Answer 47

–> bei elektromagnetischen strahlungen sind mögliche wechselwirkungen von deren wellenlänge abhängig

Question 48

welche strahlung bei gammastrahlung ruft ionisierungen hervor?

Answer 48

ultraviolette strahlung –> energie der photone wird fast vollständig von elektronen aufgenommen

Question 49

welche wechselwirkung bei der gamma-strahlung ist dominierend?

Answer 49

compton-streuung, verfügt über ausreichend energie, bruchteil reicht aus zur ionisation! photone verfügen im anschluss über geringere energie, bzw. größere wellenlänge, können aber zu weiteren ionisationen fähig sein

Question 50

welche strahlen sind immer ionisierend?

Answer 50

alpha und beta, gamma ab einer wellenlänge von 200nm

Question 51

wie ionisieren alpha-strahlen?

Answer 51

indem elektronen durch teilchen mitgerissen werden

Question 52

durch was kann beta-plus-strahlung in gammastrahlung umgewandelt werden?

Answer 52

paarvernichtung

Question 53

was passiert wenn beta-minus-strahlen mit elektronen zusammenstoßen?

Answer 53

e verlassen kern und können als delta-elektronen selbst wieder ionisieren

Question 54

was kann durch abbremsung der atomkerne von beta-strahlung im elektrischen feld passieren?

Answer 54

bremsstrahlung kann im bereich der gammastrahlung erzeugt werden

Question 55

was können gamma-strahlen?

Answer 55

können energie an elektronen abgeben und diese dadurch aus kern entfernen

Question 56

was passiert bei gammazerfall?

Answer 56

entstehnder tochterkern bei einem zerfall ist nicht direkt im grundzustand, sondern zunächst noch energiereicher –> angeregter zustand

beim übergang von angeregtem zustand in grundzustand wir elektromagnetische gamma-strahlung frei, oft begleiteffekt radioaktiver zerfälle

Question 57

3 phänomene der gamma-strahlung?

Answer 57

1. photoeffekt (bis ca. 1MeV)
2. compton-effekt (von ca. 1Mev-5Mev) (Streuung von photonen, trifft photon auf e, wird e weggestoßen
3. Paarbildung (ab ca. 5MeV)

–> ionisiert ab einer wellenlänge von 250nm keine atome mehr

Question 58

was versteht man von absorption von ionisierender strahlung?

Answer 58

eindringen von radioaktiven Stoffen in andere materialien und ihrer fähigkeit zur ionisation von atomen in der tiefe der materialien

Question 59

reichweite der verschiedenen strahlungsarten in der luft

(1) alpha-strahlung
(2) beta-strahlung
(3) gamma-strahlung

Answer 59

(1) ca. 30mm
(2) ca 8-700cm
(3) unendlich

Question 60

welche strahlung wird am stärksten absorbiert?

Answer 60

alpha-strahlen, direkt danach beta-strahlen

Question 61

was ist kosmische strahlung?

Answer 61

hochenergetische strahlung, die hauptsächlich aus protonen besteht, aber auch aus e und ionen

Question 62

woher hat die kosmische ihren ursprung?

Answer 62

größtenteils außerhalb unseres sonnensystems + weit entfernten galaxien, stammt aus supernovae

Question 63

was passiert wenn kosmische strahlung die erdatmosphäre erreicht

Answer 63

kann aus vorliegenden gasen schauer erzeugen, die wiederum an erdoberfläche gelangen können

–> es entsteht sekundärstrahlung

Question 64

was für eine strahlungsbelastung hat kosmische strahlung?

Answer 64

natürliche strahlungsbelastung mit dosis von 0,3mSv pro jahr