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RYDBERG-Atome
Grundwissen
- RYDBERG-Atome sind Atome in sehr hohen Anregungszuständen.
- Die Theorie von Bohr kann sehr gut auf RYDBERG-Atome angewendet werden.
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- 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.
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- 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.
FEYNMAN-Diagramme
Grundwissen
- FEYNMAN-Diagramme sind schematische Zeit-Ort-Diagramme von Teilchen (nicht die Bahnkurven) und bieten eine übersichtliche Darstellung von Wechselwirkungsprozessen.
- Oft haben die Diagramme äußere Linien, welche Materieteilchen darstellen und innere Linien, die Botenteilchen darstellen.
- Wechselwirkungspunkte, an denen Linien zusammentreffen nennt man Vertices (Singular: Vertex).
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- FEYNMAN-Diagramme sind schematische Zeit-Ort-Diagramme von Teilchen (nicht die Bahnkurven) und bieten eine übersichtliche Darstellung von Wechselwirkungsprozessen.
- Oft haben die Diagramme äußere Linien, welche Materieteilchen darstellen und innere Linien, die Botenteilchen darstellen.
- Wechselwirkungspunkte, an denen Linien zusammentreffen nennt man Vertices (Singular: Vertex).
Wesenszug 1: Statistische Vorhersagbarkeit
Grundwissen
- Die Bahn eines einzelnen Photons beim Doppelspaltexperiment kann grundsätzlich nicht genau vorhergesagt werden.
- Quantenphysikalische Ereignisse sind nicht deterministisch, unterliegen aber statistischen Gesetzmäßigkeiten.
- Ein einfaches Beispiel hierzu ist das Verhalten von Photonen an einem Strahlteiler.
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- Die Bahn eines einzelnen Photons beim Doppelspaltexperiment kann grundsätzlich nicht genau vorhergesagt werden.
- Quantenphysikalische Ereignisse sind nicht deterministisch, unterliegen aber statistischen Gesetzmäßigkeiten.
- Ein einfaches Beispiel hierzu ist das Verhalten von Photonen an einem Strahlteiler.
Wesenszug 2: Fähigkeit zur Interferenz
Grundwissen
- Quantenobjekte können mit sich selbst interferieren
- Für die Ausbildung eines Interferenzmusters in einem Experiment müssen mehrere klassisch denkbare Wege existieren.
- In der Quantenphysik wird keiner der klassischen Wege tatsächlich realisiert.
- Quantenobjekten kann meist kein exakter Ort zugeschrieben werden, sondern statistische Aufenthaltswahrscheinlichkeiten.
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- Quantenobjekte können mit sich selbst interferieren
- Für die Ausbildung eines Interferenzmusters in einem Experiment müssen mehrere klassisch denkbare Wege existieren.
- In der Quantenphysik wird keiner der klassischen Wege tatsächlich realisiert.
- Quantenobjekten kann meist kein exakter Ort zugeschrieben werden, sondern statistische Aufenthaltswahrscheinlichkeiten.
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.
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- 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).
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- 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.
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- 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 \(10^{-10}\,\rm{m}\).
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- 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\[_Z^A{\rm{X }} \buildrel \wedge \over = \;_{{\rm{Ordnungszahl}}}^{{\rm{Massenzahl}}}{\rm{Elementsymbol}},\;{\rm{alsoz}}.{\rm{B}}.\;_{\rm{6}}^{{\rm{14}}}{\rm{C}}\]
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- 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\[_Z^A{\rm{X }} \buildrel \wedge \over = \;_{{\rm{Ordnungszahl}}}^{{\rm{Massenzahl}}}{\rm{Elementsymbol}},\;{\rm{alsoz}}.{\rm{B}}.\;_{\rm{6}}^{{\rm{14}}}{\rm{C}}\]
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.
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- 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.
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
Übergreifend
Energieentwertung
- Welche verschiedenen Energieformen gibt es?
- Was versteht man unter reversiblen …
- … und was unter irreversiblen Vorgängen?
- Wann wird Energie entwertet?
Themenbereich
Übergreifend
Energiespeicherung
- Warum versucht man Energie zu speichern?
- Kann man jede Energieform speichern?
- Wie speichert man Energie aus regenerativen Quellen?
Themenbereich
Übergreifend
Fossile Energieversorgung
- Was ist eigentlich fossile Energie …
- … und wo kommt sie her?
- Wie funktioniert ein klassisches Kraftwerk?
- Was ist Kraft-Wärme-Kopplung?
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?
Themenbereich
Quantenphysik
Quantenobjekt Photon
- Wie überträgt Licht seine Energie?
- Was sind eigentlich Photonen?
- Licht – auch nicht mehr als Billardkugeln?
- Können Teilchen aus Strahlung entstehen?
Themenbereich
Übergreifend
Physik und Sport
- Welche maximale Kraft erzeugt eigentlich ein Muskel?
- Wie groß ist die Chance eines Torwarts beim Elfmeter?
- Wie elastisch ist ein Tischtennisball?
- Was leistet eigentlich ein Radrennfahrer?
Themenbereich
Übergreifend
Physik und Verkehr
- Was bringen eigentlich Tempo 30 – Zonen?
- Wie funktioniert denn ein Airbag …
- … und wie ein Sicherheitsgurt?
- Wann fliegt man aus der Kurve?
Themenbereich
Übergreifend
Regenerative Energieversorgung
- Was sind die Quellen für erneuerbare Energien?
- Wie nutzen wir die Sonnenenergie?
- Woher kommen Wind- und Wasserkraft?
- Wie sieht die Energiegewinnung der Zukunft aus?
Themenbereich
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?
Themenbereich
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?
Themenbereich