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Wesenszug 3: Eindeutige Messergebnisse
Grundwissen
- Quantenmechanische Messungen haben aktiven Charakter: Messungen zwingen ein System einen der möglichen Messwerte anzunehmen.
- Messergebnisse sind stets eindeutig, auch wenn das Quantenobjekt vor der Messung in einem Zustand war, der unbestimmt bezüglich der gemessenen Größe ist.
- Man unterscheidet in der Quantenmechanik, ob ein Objekt eine Eigenschaft besitzt oder man diese Eigenschaft misst.
Grundwissen
- Quantenmechanische Messungen haben aktiven Charakter: Messungen zwingen ein System einen der möglichen Messwerte anzunehmen.
- Messergebnisse sind stets eindeutig, auch wenn das Quantenobjekt vor der Messung in einem Zustand war, der unbestimmt bezüglich der gemessenen Größe ist.
- Man unterscheidet in der Quantenmechanik, ob ein Objekt eine Eigenschaft besitzt oder man diese Eigenschaft misst.
Wesenszug 4: Komplementarität
Grundwissen
- Bei einer Ortsmessung auf Höhe der Spalte bildet sich beim Doppelspaltexperiment kein Interferenzmuster auf dem Schirm aus.
- Interferenzmuster und Unterscheidbarkeit der klassisch denkbaren Möglichkeiten schließen sich aus (Komplementarität).
Grundwissen
- Bei einer Ortsmessung auf Höhe der Spalte bildet sich beim Doppelspaltexperiment kein Interferenzmuster auf dem Schirm aus.
- Interferenzmuster und Unterscheidbarkeit der klassisch denkbaren Möglichkeiten schließen sich aus (Komplementarität).
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 \(10^{-10}\,\rm{m}\).
Aufbau von Atomkernen
Grundwissen
- Atomkerne bestehen aus Nukleonen. Dies sind entweder die elektrisch positiven Protonen und elektrische neutralen Neutronen.
- Die Kernladungs- oder Ordnungszahl \(Z\) gibt die Zahl der Protonen in einem Atomkern an und bestimmt, um welches Element es sich handelt.
- Jedes Element hat seine feste Kernladungszahl \(Z\), kann aber mehrere Isotope mit unterschiedlicher Neutronenzahlen \(N\) besitzen.
- Die Nukleonen- oder Massenzahl \(A=Z+N\) gibt die (ungefähre) Masse eines Atomkerns bzw. des ganzen Atoms in der Maßeinheit \(\rm{u}\) an.
- Zur eindeutigen Identifikation von Atomkernen nutzt man die Schreibweise\[_Z^A X \overset{\wedge}{=} \ _{\rm{Orndnungszahl}}^{\rm{Massenzahl}} \text{Elementsymbol also z.B } _6^{14} \rm{C}\]
Grundwissen
- Atomkerne bestehen aus Nukleonen. Dies sind entweder die elektrisch positiven Protonen und elektrische neutralen Neutronen.
- Die Kernladungs- oder Ordnungszahl \(Z\) gibt die Zahl der Protonen in einem Atomkern an und bestimmt, um welches Element es sich handelt.
- Jedes Element hat seine feste Kernladungszahl \(Z\), kann aber mehrere Isotope mit unterschiedlicher Neutronenzahlen \(N\) besitzen.
- Die Nukleonen- oder Massenzahl \(A=Z+N\) gibt die (ungefähre) Masse eines Atomkerns bzw. des ganzen Atoms in der Maßeinheit \(\rm{u}\) an.
- Zur eindeutigen Identifikation von Atomkernen nutzt man die Schreibweise\[_Z^A X \overset{\wedge}{=} \ _{\rm{Orndnungszahl}}^{\rm{Massenzahl}} \text{Elementsymbol also z.B } _6^{14} \rm{C}\]
Nuklidkarte stabiler Kerne
Grundwissen
- Verschiedene Atomkerne werden häufig in einer \(N\)-\(Z\)-Nuklidkarte dargestellt.
- Unterschiedliche Elemente stehen jeweils in verschiedenen Zeilen, Isotope des gleichen Elementes jeweils in der gleichen Zeile.
- Kleine, leichte Kerne besitzen ungefähr genau so viele Protonen wie Neutronen, bei großen, schweren Kernen ist die Zahl der Neutronen deutlich größer als die der Protonen.
Grundwissen
- Verschiedene Atomkerne werden häufig in einer \(N\)-\(Z\)-Nuklidkarte dargestellt.
- Unterschiedliche Elemente stehen jeweils in verschiedenen Zeilen, Isotope des gleichen Elementes jeweils in der gleichen Zeile.
- Kleine, leichte Kerne besitzen ungefähr genau so viele Protonen wie Neutronen, bei großen, schweren Kernen ist die Zahl der Neutronen deutlich größer als die der Protonen.
Akustik
Akustische Phänomene
- Wie entsteht Schall?
- Was unterscheidet Töne von Geräuschen?
- Warum klingen die verschiedenen Instrumente alle anders?
- Wie funktionieren Blas- und Saiteninstrumente?
Themenbereich
Akustik
Akustische Wellen
- Was versteht man unter Frequenz, was unter Amplitude?
- Wie beschreibt man Schallwellen mathematisch?
- Was ist der DOPPLER-Effekt?
- Wie sorgt Antischall für Ruhe?
Themenbereich
Akustik
Schallgeschwindigkeit
- Wie bestimmt man die Entfernung zu einem Gewitter?
- Wie misst man die Schallgeschwindigkeit?
- Ist die Schallgeschwindigkeit immer gleich?
- Wie entsteht ein Überschallknall?
Themenbereich
Kern-/Teilchenphysik
Anwendungen der Kernphysik
- Wie funktioniert die Altersbestimmung von fossilen Funden?
- Warum bestrahlt man Lebensmittel?
- Was versteht man unter Szintigraphie?
- Was ist die Tracermethode?
Themenbereich
Kern-/Teilchenphysik
Kernphysik - Grundlagen
- Wie sind Atomkerne aufgebaut?
- Welche Kraft hält Atomkerne zusammen?
- Warum können Atomkerne zerfallen?
- Was sind Isotope?
Themenbereich
Kern-/Teilchenphysik
Kernreaktionen
- Wie groß sind die Bindungsenergien?
- Was ist der Massendefekt?
- Wie berechnet man die Energiebilanz bei Kernreaktionen?
Themenbereich
Kern-/Teilchenphysik
Kernspaltung und Kernfusion
- Welche Bedeutung hat die EINSTEIN-Formel in der Kernphysik?
- Wie viel Energie kann man bei der Kernspaltung …
- … und wie viel bei der Kernfusion gewinnen?
- Warum gibt es noch keine Fusionsreaktoren?
Themenbereich
Kern-/Teilchenphysik
Radioaktivität - Einführung
- Gibt es verschiedene Arten ionisierender Strahlung?
- Welche Eigenschaften hat ionisierende Strahlung?
- Warum ist ionisierende Strahlung so gefährlich?
- Kann man sich gegen ionisierende Strahlung schützen?
Themenbereich
Kern-/Teilchenphysik
Radioaktivität - Fortführung
- Wie viel Energie wird bei einem Alpha-Zerfall …
- … und wie viel bei einem Beta-Zerfall frei?
- Was versteht man unter dem MÖSSBAUER-Effekt?
Themenbereich
Kern-/Teilchenphysik
Teilchenphysik
- Was ist der Unterschied zwischen Teilchen …
- … und ihren Antiteilchen?
- Welche fundamentalen Wechselwirkungen kennen wir?
- Wie sieht das Standardmodell der Elementarteilchen aus?
Themenbereich
Quantenphysik
Quantenobjekt Elektron
- Elektronen – mehr als Billardkugeln?
- Wie verhalten sich Elektronen an einem Doppelspalt?
- Wie groß ist die de BROGLIE-Wellenlänge?
- Was ist der Welle-Teilchen-Dualismus?
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Quantenphysik
Quantenobjekt Photon
- Wie überträgt Licht seine Energie?
- Was sind eigentlich Photonen?
- Licht – auch nicht mehr als Billardkugeln?
- Können Teilchen aus Strahlung entstehen?
Themenbereich
Relativitätstheorie
Erster Einblick
- Was versteht man unter einem Inertialsystem?
- Ist Licht im ganzen Universum immer gleich schnell?
- Warum gehen bewegte Uhren langsamer …
- … und warum sind bewegte Maßstäbe kürzer?
Themenbereich
Relativitätstheorie
Spezielle Relativitätstheorie
- Warum vergrößert sich die Masse bewegter Körper?
- Was versteht man unter der Ruheenergie eines Körpers?
- Wie kommt Einstein zu seiner berühmten Formel E=mc2?
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Atomphysik
RÖNTGEN-Strahlung
- Wie werden Giftstoffe in Lebensmitteln gefunden?
- Wie untersucht man Werkstoffe, ohne sie zu zerstören?
- Welche Gefahren bestehen bei einer CT-Untersuchung?
Themenbereich
Atomphysik
Atomarer Energieaustausch
- Warum leuchten Gase in verschiedenen Farben?
- Wie stoßen Atome miteinander?
- Was versteht man unter einem Quantensprung?
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Atomphysik
Atomaufbau
- Kann man zu Hause die Größe von Atomen messen?
- Woraus besteht die Atomhülle …
- … und woraus der Atomkern?
- Wie ist das Periodensystem der Elemente aufgebaut?
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Atomphysik
Quantenmech. Atommodell
- Was versteht man unter einem Potentialtopf?
- Warum spricht man von Orbitalen?
- Welche Ergebnisse liefert die SCHRÖDINGER-Gleichung?
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Atomphysik
BOHRsches Atommodell
- Welche Vorstellungen hatten die alten Griechen von Atomen?
- Was versteht man unter dem „Plumpudding-Modell“?
- Welche Vorhersagen macht das BOHRsche Atommodell?
- Mit welchen Atommodellen arbeitet die moderne Physik?
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Atomphysik
Laser
- Wie funktioniert ein Laser?
- Was macht einen Laser so besonders?
- Wo wendet man Laser an?
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Quantenphysik
Wesenszüge Quantenphysik
Vier kurze, prägnante „Merksätze“ beschreiben die grundlegenden Züge der Quantenphysik qualitativ: Statistische Vorhersagbarkeit, Fähigkeit zur Interferenz, Eindeutige Messergebnisse und Komplementarität.
Zum Themenbereich
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Kern-/Teilchenphysik
Kernmodelle
- Was hält den Atomkern zusammen?
- Mit welchem Modell kann man Atomkerne allgemein beschreiben?
- Was ist das Potentialtopfmodell?
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