Sexl Physik 7, Schulbuch

| 52 Zusammenfassende Übersicht Licht als Energieträger In der Wechselwirkung mit Materie zeigt Licht Teilchen- eigenschaften: Licht mit der Frequenz f verhält sich wie Lichtteilchen ( Photonen ) mit der Energie E = h · f . Dies erklärt den Photoeffekt (Einstein), und die Beziehung zwischen der Frequenz des abgestrahlten Lichts und der Energiedifferenz der Energieniveaus der Atome (Bohr). Diese Vorstellung (Licht als Teilchen) steht im krassen Wi- derspruch zur klassischen Auffassung (Licht als interfe- renzfähige Welle). Aus diesem Widerspruch entwickelte sich die Quantenmechanik. Die Naturkonstante h = 6,63·10 –34 J·s heißt Planck’sches Wirkungsquantum. Energiestufen in Atomen Die Linienspektren von Gasen werden erklärt durch die Exis- tenz von Energiestufen (Niveaus) der Atome: Neben einem niedrigsten Energiezustand (Grundzustand) der Elektronen sind weitere Zustände mit genau definierter Energie möglich, die durch Energiezufuhr, z. B. durch Stöße zwischen Atomen oder durch Lichtabsorption, erreicht werden können. Bei der Rückkehr in niedrigere Energiezustände wird ein Photon mit der frei werdenden Energie emittiert. Atomaufbau Atome bestehen aus einem kompakten positiv geladenen Kern (Durchmesser etwa 10 –14 m ) und einer negativen Elek- tronenhülle , so dass sie insgesamt neutral sind. (Ruther- ford) Orbitalmodell der Atome: Je nach Energiezustand bilden die Elektronen unterschiedliche Elektronenwolken ( Orbi- tale ) um den Kern. Räumliche Darstellungen der Orbitale zeigen die Aufenthaltswahrscheinlichkeiten der Elektronen in Kernnähe. Die Vorstellung von „Elektronenbahnen“ ana- log zu Planetenbahnen (Bohr’sches Atommodell) ist dabei nicht zutreffend. Gemäß dem Pauli-Prinzip können sich höchstens zwei Elektronen im selben Orbital befinden. Damit lässt sich das periodische System der Elemente erklären. Die Orbitale sind nach den Regeln der Quantenmechanik (Schrödingergleichung) für das Wasserstoffatom exakt be- rechenbar Laser Laserlicht ist monochromatisch, kohärent, parallel (daher hohe Energiedichte), polarisiert. Drei Bedingungen müssen erfüllt sein: 1. Das Lasermedium muss ein langlebiges Energieniveau oberhalb eines kurzlebigen Energieniveaus besitzen. 2. Es muss effizient möglich sein, durch Energiezufuhr we- sentlich mehr Atome in den höheren angeregten Zustand zu heben, als sich im niedrigeren befinden. 3. Das Lasermedium befindet sich zwischen zwei Spiegeln, die einen optischen Resonator bilden, wodurch sich eine stehende Lichtwelle bildet. Dadurch können Photonen in einer Richtung vielfach hin und her laufen, sie lösen nach dem Prinzip der stimulierten Emission eine Photo- nenlawine aus. Die Photonen verlassen das Lasermedium durch einen teilweise durchlässigen Spiegel. Weiterführende Fragestellungen 1. Vergleiche die Wellentheorie des Lichts mit der Teil- chentheorie des Lichts. Welche Phänomene konnten von beiden Theorien beschrieben werden? 2. Warum war Einsteins Lichtquantenhypothese ein bahn- brechender Schritt? 3. Durch welche neue physikalische Theorie lässt sich der Widerspruch zwischen der Teilchentheorie und der Wel- lentheorie des Lichts auflösen? 4. Welche Informationen liefern die Spektren von Ato- men? 5. Wie kann das Periodensystem der Elemente mittels des Orbitalmodells der Atome erklärt werden? 6. Welche Vorteile bringen Laser in der Medizin? 7. Welche wirtschaftliche Bedeutung hat die Entwicklung von Lasersystemen für Industrie und Medizin? 52.1 Laser in der Indust- rie: Computergesteuert führen Laser-Cutter komplizierte Schnitte in den verschiedensten Materialien von Stahl bis zu Textil durch. Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv