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BREWSTER-Winkel
Grundwissen
- Fällt unpolarisiertes Licht im Brewster-Winkel auf die Grenzfläche zweier Medien, so ist das reflektierte Licht senkrecht zur Einfallsebene polarisiert.
- Für den Brewster-Winkel gilt: \(\theta_{\rm B}=\tan^{-1}\left(\frac{n_2}{n_1}\right)\).
Grundwissen
- Fällt unpolarisiertes Licht im Brewster-Winkel auf die Grenzfläche zweier Medien, so ist das reflektierte Licht senkrecht zur Einfallsebene polarisiert.
- Für den Brewster-Winkel gilt: \(\theta_{\rm B}=\tan^{-1}\left(\frac{n_2}{n_1}\right)\).
Spezifische Wärmekapazität
Grundwissen
- Die spezifische Wärmekapazität ist eine Materialkonstante.
- Die spezifische Wärmekapazitätist ein Maß für diejenige Energie, die man benötigt, um \(1\,\rm{kg}\) eines Stoffes um \(1\,\rm{K}\) zu erwärmen.
Grundwissen
- Die spezifische Wärmekapazität ist eine Materialkonstante.
- Die spezifische Wärmekapazitätist ein Maß für diejenige Energie, die man benötigt, um \(1\,\rm{kg}\) eines Stoffes um \(1\,\rm{K}\) zu erwärmen.
Spezifische Schmelz- und Verdampfungswärme
Grundwissen
- Wenn die Bindungen der Teilchen bei einem Übergang loser wird, muss Energie hinzugefügt werden (fest->flüssig, flüssig->gasförmig, fest->gasförmig).
- Wenn die Bindungen der Teilchen bei einem Übergang fester wird, wird Energie frei (gasförmig->flüssig, flüssig->fest, gasförmig->fest).
- Die spezifische Schmelz- bzw. Verdampfungswärme ist eine Materialkonstante, die häufig in \(\rm{\frac{J}{kg}}\) angegeben wird.
Grundwissen
- Wenn die Bindungen der Teilchen bei einem Übergang loser wird, muss Energie hinzugefügt werden (fest->flüssig, flüssig->gasförmig, fest->gasförmig).
- Wenn die Bindungen der Teilchen bei einem Übergang fester wird, wird Energie frei (gasförmig->flüssig, flüssig->fest, gasförmig->fest).
- Die spezifische Schmelz- bzw. Verdampfungswärme ist eine Materialkonstante, die häufig in \(\rm{\frac{J}{kg}}\) angegeben wird.
Wärmekraftmaschine, Kältemaschine und Wärmepumpe
Grundwissen
- Wärmekraftmaschinen (z.B. Dampfmaschine oder Benzinmotor) nutzen Temperaturdifferenzen aus, um hiermit Arbeit \(W\) zu verrichten.
- Dabei fließt eine Wärmemenge \(Q\) von einem Reservoir höherer Temperatur in ein Gebiet mit niedrigerer Temperatur.
- Kältemaschinen (z.B. Kühlschrank) und Wärmepumpen verrichten Arbeit \(W\), um eine Wärmemenge \(Q\) von niedrigem auf ein höheres Energieniveau zu transportieren.
Grundwissen
- Wärmekraftmaschinen (z.B. Dampfmaschine oder Benzinmotor) nutzen Temperaturdifferenzen aus, um hiermit Arbeit \(W\) zu verrichten.
- Dabei fließt eine Wärmemenge \(Q\) von einem Reservoir höherer Temperatur in ein Gebiet mit niedrigerer Temperatur.
- Kältemaschinen (z.B. Kühlschrank) und Wärmepumpen verrichten Arbeit \(W\), um eine Wärmemenge \(Q\) von niedrigem auf ein höheres Energieniveau zu transportieren.
Strahlungshaushalt der Erde
Grundwissen
- Als Mittelwert für die Energieeinstrahlung durch die Sonne gelten \(341\,\rm{\frac{W}{m^2}}\), also etwa ein Viertel der Solarkonstanten \(S_0\)
- Insgesamt ist der Strahlungshaushalt immer in etwa ausgeglichen: Die eingestrahlte Energie entspricht in etwa der abgestrahlten Energie.
- Beim Strahlungshaushalt der Erde müssen viele Variablen berücksichtigt werden, Darstellungen sind daher immer vereinfacht.
Grundwissen
- Als Mittelwert für die Energieeinstrahlung durch die Sonne gelten \(341\,\rm{\frac{W}{m^2}}\), also etwa ein Viertel der Solarkonstanten \(S_0\)
- Insgesamt ist der Strahlungshaushalt immer in etwa ausgeglichen: Die eingestrahlte Energie entspricht in etwa der abgestrahlten Energie.
- Beim Strahlungshaushalt der Erde müssen viele Variablen berücksichtigt werden, Darstellungen sind daher immer vereinfacht.
Doppelspalt
Grundwissen
- Das Schirmbild hinter einem Doppelspalt zeigt Beugungs- und Interferenzerscheinungen.
- Die Lage der Maxima und Minima wird u.a. vom Spaltabstand \(d\) und der Wellenlänge \(\lambda\) beeinflusst.
- Es gibt Bedingungen für konstruktive und destruktive Interferenz.
Grundwissen
- Das Schirmbild hinter einem Doppelspalt zeigt Beugungs- und Interferenzerscheinungen.
- Die Lage der Maxima und Minima wird u.a. vom Spaltabstand \(d\) und der Wellenlänge \(\lambda\) beeinflusst.
- Es gibt Bedingungen für konstruktive und destruktive Interferenz.
Gittertypen
Grundwissen
- Man unterscheidet zwischen Transmissions- und Reflexionsgittern.
- Bei Transmissionsgittern passiert das Licht ein Gitter und wird gebeugt.
- Bei Reflexionsgittern entstehen Beugungseffekte durch Reflexion an einer präpariertem, spiegelnden Schicht.
Grundwissen
- Man unterscheidet zwischen Transmissions- und Reflexionsgittern.
- Bei Transmissionsgittern passiert das Licht ein Gitter und wird gebeugt.
- Bei Reflexionsgittern entstehen Beugungseffekte durch Reflexion an einer präpariertem, spiegelnden Schicht.
Das menschliche Auge - Aufbau und scharfes Sehen
Grundwissen
- Das menschliche Auge besteht u.a. aus einer (Sammel-)Linse und der Netzhaut, auf die das Bild der Umwelt abgebildet wird.
- Um einen Gegenstand scharf zu sehen, muss der Gegenstand scharf auf der Netzhaut abgebildet werden.
- Die Brennweite der Augenlinse verändert sich wenn du nahe bzw. weit entfernte Gegenstände anschaust.
Grundwissen
- Das menschliche Auge besteht u.a. aus einer (Sammel-)Linse und der Netzhaut, auf die das Bild der Umwelt abgebildet wird.
- Um einen Gegenstand scharf zu sehen, muss der Gegenstand scharf auf der Netzhaut abgebildet werden.
- Die Brennweite der Augenlinse verändert sich wenn du nahe bzw. weit entfernte Gegenstände anschaust.
BRAGG-Reflexion
Grundwissen
- Elektromagnetische Wellen mit kleinen Wellenlängen wie z.B. RÖNTGEN-Strahlung untersucht man mit Hilfe von Kristallen, die eine regelmäßige Gitterstruktur besitzen
- Eine elektromagnetische Welle mit einer bestimmten Wellenlänge wird von einem solchen Kristall nur dann reflektiert, wenn sie unter ganz bestimmten Winkeln (Glanzwinkeln) auf den Kristall trifft
- Zwischen der Wellenlänge \(\lambda\), dem Netzebenenabstand \(d\) des Kristallgitters, den Weiten \(\theta_k \) der Glanzwinkel und der entsprechenden Ordnung \(k\) des Glanzwinkels besteht die sogenannte BRAGG-Gleichung oder BRAGG-Bedingung \(k \cdot \lambda = 2 \cdot d \cdot \sin \left( \theta_k \right)\;;\;k \in \left\{ {1\,;\,2\,;\,3\,;\,...} \right\}\)
Grundwissen
- Elektromagnetische Wellen mit kleinen Wellenlängen wie z.B. RÖNTGEN-Strahlung untersucht man mit Hilfe von Kristallen, die eine regelmäßige Gitterstruktur besitzen
- Eine elektromagnetische Welle mit einer bestimmten Wellenlänge wird von einem solchen Kristall nur dann reflektiert, wenn sie unter ganz bestimmten Winkeln (Glanzwinkeln) auf den Kristall trifft
- Zwischen der Wellenlänge \(\lambda\), dem Netzebenenabstand \(d\) des Kristallgitters, den Weiten \(\theta_k \) der Glanzwinkel und der entsprechenden Ordnung \(k\) des Glanzwinkels besteht die sogenannte BRAGG-Gleichung oder BRAGG-Bedingung \(k \cdot \lambda = 2 \cdot d \cdot \sin \left( \theta_k \right)\;;\;k \in \left\{ {1\,;\,2\,;\,3\,;\,...} \right\}\)
Streuversuch und Atommodell von RUTHERFORD
Grundwissen
- Im RUTHERFORDschen Streuversuch wird eine dünne Metallfolie mit \(\alpha\)-Teilchen (positiv geladen) beschossen.
- Entgegen den Erwartungen werden einige wenige \(\alpha\)-Teilchen von der Folie sogar zurückgestreut.
- Das Modell von RUTHERFORD führt den sehr kleinen, positiv geladenen Atomkern ein, in dem fast die gesamte Masse des Atoms vereinigt ist.
- Das Modell kann nicht erklären, warum die Elektronen nicht in den Kern stürzen und wie diskrete Spektrallinien zustande kommen.
Grundwissen
- Im RUTHERFORDschen Streuversuch wird eine dünne Metallfolie mit \(\alpha\)-Teilchen (positiv geladen) beschossen.
- Entgegen den Erwartungen werden einige wenige \(\alpha\)-Teilchen von der Folie sogar zurückgestreut.
- Das Modell von RUTHERFORD führt den sehr kleinen, positiv geladenen Atomkern ein, in dem fast die gesamte Masse des Atoms vereinigt ist.
- Das Modell kann nicht erklären, warum die Elektronen nicht in den Kern stürzen und wie diskrete Spektrallinien zustande kommen.
Energieaufnahme von Atomen durch (Resonanz-)Absorption von Photonen
Grundwissen
- Atome können beim Aufeinandertreffen mit Photonen angeregt werden.
- Die Energie des Photons muss aber exakt gleich der Energiedifferenz der verschiedenen Energiezustände sein: \({E_{{\rm{Ph}}}} = {E_m} - {E_n}\). Deshalb der Begriff "Resonanzabsorption".
- Nach der Absorption ist das Photon komplett vernichtet.
Grundwissen
- Atome können beim Aufeinandertreffen mit Photonen angeregt werden.
- Die Energie des Photons muss aber exakt gleich der Energiedifferenz der verschiedenen Energiezustände sein: \({E_{{\rm{Ph}}}} = {E_m} - {E_n}\). Deshalb der Begriff "Resonanzabsorption".
- Nach der Absorption ist das Photon komplett vernichtet.
Energieaufnahme von Atomen durch Stoßanregung
Grundwissen
- Atome können durch Stöße mit anderen Atomen oder Elektronen angeregt werden (Stoßanregung).
- Je nach Energie des Teilchens, das mit einem Atom stößt, kann der Stoß elastisch, vollkommen unelastisch oder teilweise unelastisch sein.
- Ist der Energieübertrag durch den Stoß größer als die Ionisationsenergie des Atoms, so wird das Atom ionisiert (Stoßionisation).
Grundwissen
- Atome können durch Stöße mit anderen Atomen oder Elektronen angeregt werden (Stoßanregung).
- Je nach Energie des Teilchens, das mit einem Atom stößt, kann der Stoß elastisch, vollkommen unelastisch oder teilweise unelastisch sein.
- Ist der Energieübertrag durch den Stoß größer als die Ionisationsenergie des Atoms, so wird das Atom ionisiert (Stoßionisation).
Energieabgabe von Atomen durch Emission von Photonen
Grundwissen
- Angeregte Atome geben Energie durch die Emission von Photonen ab.
- Diese Photon werden erst bei der Emission erzeugt, d.h. sie waren vorher nicht im Atom vorhanden.
- Die Energie der emittierten Photonen ist immer gleich der Differenz der Energien zweier Energieniveaus des Atoms.
Grundwissen
- Angeregte Atome geben Energie durch die Emission von Photonen ab.
- Diese Photon werden erst bei der Emission erzeugt, d.h. sie waren vorher nicht im Atom vorhanden.
- Die Energie der emittierten Photonen ist immer gleich der Differenz der Energien zweier Energieniveaus des Atoms.
Energiezustände von Wasserstoff und verwandten Atomen
Grundwissen
- Die Energiezustände des Wasserstoffatoms sind \({E_n} = - 13{,}6\,{\rm{eV}} \cdot \frac{1}{{{n^2}}}\;;\;n \in \left\{ {1\;;\;2\;;\;3 \;;\;...} \right\}\)
- Damit können auch die Wellenlängen \(\lambda\) der bei Wasserstoffübergängen möglichen Photonen berechnet werden.
- Die Energiezustände von Einelektronensystemen von Atomen mit der Kernladungszahl \(Z\) sind \({E_n} = - 13{,}6\,{\rm{eV}} \cdot \frac{Z^2}{{{n^2}}}\;;\;n \in \left\{ {1\;;\;2\;;\;3 \;;\;...} \right\}\)
- Die Energiezustände von RYDBERG-Zustände aller Atomarten entsprechen den einfachen Verhältnissen beim Wasserstoffatom.
Grundwissen
- Die Energiezustände des Wasserstoffatoms sind \({E_n} = - 13{,}6\,{\rm{eV}} \cdot \frac{1}{{{n^2}}}\;;\;n \in \left\{ {1\;;\;2\;;\;3 \;;\;...} \right\}\)
- Damit können auch die Wellenlängen \(\lambda\) der bei Wasserstoffübergängen möglichen Photonen berechnet werden.
- Die Energiezustände von Einelektronensystemen von Atomen mit der Kernladungszahl \(Z\) sind \({E_n} = - 13{,}6\,{\rm{eV}} \cdot \frac{Z^2}{{{n^2}}}\;;\;n \in \left\{ {1\;;\;2\;;\;3 \;;\;...} \right\}\)
- Die Energiezustände von RYDBERG-Zustände aller Atomarten entsprechen den einfachen Verhältnissen beim Wasserstoffatom.
Erzeugung von RÖNTGEN-Strahlung
Grundwissen
- In RÖNTGEN-Röhren werden Elektronen stark beschleunigt und treffen dann auf eine Anode aus Metall.
- Die Beschleunigungsspannungen betragen meist zwischen \(1\,\rm{kV}\) und \(100\,\rm{kV}\).
- Beim Abbremsen der Elektronen im Anodenmaterial entsteht RÖNTGEN-Strahlung (Bremsstrahlung und Charakteristische Strahlung) und Wärme.
- Die Wellenlänge von RÖNTGEN-Strahlung liegt etwa zwischen \(1\,\rm{nm}\) und \(1\,\rm{pm}\).
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- In RÖNTGEN-Röhren werden Elektronen stark beschleunigt und treffen dann auf eine Anode aus Metall.
- Die Beschleunigungsspannungen betragen meist zwischen \(1\,\rm{kV}\) und \(100\,\rm{kV}\).
- Beim Abbremsen der Elektronen im Anodenmaterial entsteht RÖNTGEN-Strahlung (Bremsstrahlung und Charakteristische Strahlung) und Wärme.
- Die Wellenlänge von RÖNTGEN-Strahlung liegt etwa zwischen \(1\,\rm{nm}\) und \(1\,\rm{pm}\).
Helium-Neon-Laser
Grundwissen
- Neon-Atome sind das laseraktive Medium
- Am Prozess sind vier Energieniveaus beteiligt - es ist ein "Vier-Niveau-System"
- Helium-Neon-Laser emittiert rotes Licht der Wellenlänge \(\lambda=633\,\rm{nm}\)
Grundwissen
- Neon-Atome sind das laseraktive Medium
- Am Prozess sind vier Energieniveaus beteiligt - es ist ein "Vier-Niveau-System"
- Helium-Neon-Laser emittiert rotes Licht der Wellenlänge \(\lambda=633\,\rm{nm}\)
Exotische Atome
Grundwissen
- Bei exotischen Atomen ist mindestens eines der beteiligten Teilchen kein gewöhnliches Atom-Bestandteil.
- Beispiele für exotische Atome sind Myonische Atome oder Antimaterie wie Antiwasserstoff.
Grundwissen
- Bei exotischen Atomen ist mindestens eines der beteiligten Teilchen kein gewöhnliches Atom-Bestandteil.
- Beispiele für exotische Atome sind Myonische Atome oder Antimaterie wie Antiwasserstoff.
RYDBERG-Atome
Grundwissen
- RYDBERG-Atome sind Atome in sehr hohen Anregungszuständen.
- Die Theorie von Bohr kann sehr gut auf RYDBERG-Atome angewendet werden.
Grundwissen
- RYDBERG-Atome sind Atome in sehr hohen Anregungszuständen.
- Die Theorie von Bohr kann sehr gut auf RYDBERG-Atome angewendet werden.
Energiezustände im BOHRschen Atommodell
Grundwissen
- Durch die Quantenbedingung von BOHR kann die Energie eines Atoms nur bestimmte Werte annehmen.
- Die Energie, um Wasserstoff aus dem Grundzustand heraus zu ionisieren beträgt \(13{,}6\,\rm{eV}\) (Ionisierungsenergie).
- Die Gesamtenergie eines Elektrons im Wasserstoffatom gilt \({E_{{\rm{ges}}{\rm{,n}}}} = - R_{\infty} \cdot h \cdot c \cdot \frac{1}{{{n^2}}}\), wobei \(R_{\infty}\) die Rydberg-Konstante ist.
Grundwissen
- Durch die Quantenbedingung von BOHR kann die Energie eines Atoms nur bestimmte Werte annehmen.
- Die Energie, um Wasserstoff aus dem Grundzustand heraus zu ionisieren beträgt \(13{,}6\,\rm{eV}\) (Ionisierungsenergie).
- Die Gesamtenergie eines Elektrons im Wasserstoffatom gilt \({E_{{\rm{ges}}{\rm{,n}}}} = - R_{\infty} \cdot h \cdot c \cdot \frac{1}{{{n^2}}}\), wobei \(R_{\infty}\) die Rydberg-Konstante ist.
Quantenmechanische Systematisierung des Periodensystems
Grundwissen
- Die Zustände der gebundenen Elektronen eines Atoms werden mit den Quantenzahlen beschrieben.
- Es gibt vier unterschiedliche Quantenzahlen: Hauptquantenzahl \(n\), Nebenquantenzahl \(l\), magnetische Quantenzahl \(m\) und Spin-Quantenzahl \(s\).
- Das PAULI-Prinzip besagt, dass in einem Atom niemals zwei Elektronen in allen vier Quantenzahlen übereinstimmen können.
Grundwissen
- Die Zustände der gebundenen Elektronen eines Atoms werden mit den Quantenzahlen beschrieben.
- Es gibt vier unterschiedliche Quantenzahlen: Hauptquantenzahl \(n\), Nebenquantenzahl \(l\), magnetische Quantenzahl \(m\) und Spin-Quantenzahl \(s\).
- Das PAULI-Prinzip besagt, dass in einem Atom niemals zwei Elektronen in allen vier Quantenzahlen übereinstimmen können.
Atomdurchmesser aus dem Ölfleckversuch
Grundwissen
- Beim Ölfleckversuch wird aus einer makroskopischen Beobachtung auf eine mikroskopische Eigenschaft geschlossen.
- Der Durchmesser eines Atoms liegt in der Größenordnung von \(10^{-10}\,\rm{m}\).
Grundwissen
- Beim Ölfleckversuch wird aus einer makroskopischen Beobachtung auf eine mikroskopische Eigenschaft geschlossen.
- Der Durchmesser eines Atoms liegt in der Größenordnung von \(10^{-10}\,\rm{m}\).
Beugung
Grundwissen
- Beugung ist die Ablenkung einer Welle an einem Hindernis, die nicht durch Brechung, Streuung oder Reflexion verursacht wird.
- Beugung ist bemerkbar, wenn die Dimension einer Öffnung oder eines Hindernisses in der Größenordnung der Wellenlänge liegt oder kleiner als diese ist.
Grundwissen
- Beugung ist die Ablenkung einer Welle an einem Hindernis, die nicht durch Brechung, Streuung oder Reflexion verursacht wird.
- Beugung ist bemerkbar, wenn die Dimension einer Öffnung oder eines Hindernisses in der Größenordnung der Wellenlänge liegt oder kleiner als diese ist.
Licht und Farben
Grundwissen
- Licht hat keine Farbe.
- Wenn Licht aber auf die Netzhaut im Auge trifft, senden die verschiedenen lichtempfindlichen Zapfen elektrische Impulse an das Gehirn. Dort werden diese Impulse verarbeitet und im Gehirn wird ein Farbeindruck erzeugt.
- Licht aus verschiedenen Bereichen des Lichtbündels, das nach der Zerlegung von Sonnenlicht entsteht, erzeugt jeweils einen anderen Farbeindruck. Wir unterscheiden das Licht deshalb nach diesem Farbeindruck und bezeichnen z.B. Licht aus dem linken Bereich des Lichtbündels als "Licht der Spektralfarbe Rot" oder kurz als "rotes Licht".
- Ist Licht verschiedener Spektralfarben gemischt, dann kann dieses Licht Farbeindrücke erzeugen, die mit Licht einer einzelnen Spektralfarbe nicht erzeugt werden können.
Grundwissen
- Licht hat keine Farbe.
- Wenn Licht aber auf die Netzhaut im Auge trifft, senden die verschiedenen lichtempfindlichen Zapfen elektrische Impulse an das Gehirn. Dort werden diese Impulse verarbeitet und im Gehirn wird ein Farbeindruck erzeugt.
- Licht aus verschiedenen Bereichen des Lichtbündels, das nach der Zerlegung von Sonnenlicht entsteht, erzeugt jeweils einen anderen Farbeindruck. Wir unterscheiden das Licht deshalb nach diesem Farbeindruck und bezeichnen z.B. Licht aus dem linken Bereich des Lichtbündels als "Licht der Spektralfarbe Rot" oder kurz als "rotes Licht".
- Ist Licht verschiedener Spektralfarben gemischt, dann kann dieses Licht Farbeindrücke erzeugen, die mit Licht einer einzelnen Spektralfarbe nicht erzeugt werden können.
Das menschliche Auge - Akkommodation und Sehfehler
Grundwissen
- Als Akkommodation bezeichnet man die Änderung der Brennkraft des Auges, um Objekte in unterschiedlichen Entfernungen scharf sehen zu können.
- Bei Kurzsichtigkeit ist die Augenlinse zu stark gekrümmt, entfernte Gegenstände werden kurz vor der Netzhaut scharf abgebildet.
- Bei Weitsichtigkeit ist die Augenlinse nicht stark genug gekrümmt, nahe Gegenstände werden kurz hinter der Netzhaut scharf abgebildet.
Grundwissen
- Als Akkommodation bezeichnet man die Änderung der Brennkraft des Auges, um Objekte in unterschiedlichen Entfernungen scharf sehen zu können.
- Bei Kurzsichtigkeit ist die Augenlinse zu stark gekrümmt, entfernte Gegenstände werden kurz vor der Netzhaut scharf abgebildet.
- Bei Weitsichtigkeit ist die Augenlinse nicht stark genug gekrümmt, nahe Gegenstände werden kurz hinter der Netzhaut scharf abgebildet.
Abbildungsfehler (Aberrationen)
Ausblick
- In der Praxis treten bei Abbildungen mit Linsen Abbildungsfehler auf.
- Sphärischen Aberration: Strahlen in unterschiedlichem Abstand von der optischen Achse schneiden sich nicht exakt in einem Punkt.
- Chromatische Aberration: Licht unterschiedlicher Farben wird unterschiedlich stark gebrochen.
Ausblick
- In der Praxis treten bei Abbildungen mit Linsen Abbildungsfehler auf.
- Sphärischen Aberration: Strahlen in unterschiedlichem Abstand von der optischen Achse schneiden sich nicht exakt in einem Punkt.
- Chromatische Aberration: Licht unterschiedlicher Farben wird unterschiedlich stark gebrochen.
Ausblick