Big Bang 7, Schulbuch

Kompetenzcheck 105 Kompetenzcheck Kompetenzbereich Quantenphysik 33 Welle und Teilchen Licht als Welle, Doppelspalt An einem sonnigen Tag trittst du vor dein Wochenend-Iglu (Abb. 14). Welche Farbe hat dein Schatten am Schnee? Licht als Teilchen, Photoeffekt Im Wellenmodell hat Licht mit größerer Intensität eine größere Amplitude. Wie sieht das aber im Teilchenmodell aus? Materiewellen Wo liegt die Grenze für die Beobachtungen von Quanteninterferenzen? A NTON Z EILINGER , österreichischer Quantenphysiker von Weltformat, meint dazu: „Die Beantwortung dieser Frage wird wohl eher dem Erfindungsreichtum des Experimentators überlassen sein als prinzipiellen theoretischen Überlegungen“. Kommentiere dieses Zitat! Wie kommen eigentlich die Farben beim Elektronenmikroskop zustande? Die verwendeten Elektronen haben doch alle dieselbe Wellenlänge! Die Heisenberg’sche Unschärferelation Erkläre folgenden Aussagen: a) Die Heisenberg’sche Unschärferelation macht keine Aussage über die Grenzen der Messeinrichtung, sie macht eine Aussage über die Grenzen der Wirklichkeit. b) Die Quantenunbestimmtheit ist eine grundlegende Grenze dessen, was überhaupt gewusst werden kann. Kompetenzbereich Atomphysik 34 Das moderne Atommodell Atommodelle vor der Quantenmechanik Atome haben keine festen Grenzen. Man kann aber in Festkörpern den Atomdurchmesser abschätzen. Nimm dazu exemplarisch Gold (Dichte ρ = 19,3g/cm 3 , Massezahl 197) und gehe folgendermaßen vor: 1) Berechne zuerst die Masse von einem Mol Gold. Ein Mol hat 6·10 23 Teilchen. Die Massenzahl A eines Stoffes gibt auch gleichzeitig die Molmasse in Gramm an. 2) Nimm an, dass jedes Atom einen würfelförmigen Raum bean- sprucht und berechne die Seitenlänge des „Atom-Würfels“. Setze diese Seitenlänge gleich dem Durchmesser des Goldatoms. Das Wasserstoffatom Der Energieerhaltungssatz besagt, dass Energie weder erzeugt noch vernichtet werden kann. Sie kann lediglich ihre Erscheinungsform ändern. Wie lässt sich aber der Energieerhaltungssatz mit der Lokalisationsenergie vereinbaren? Hier bekommt das Elektron doch durch die Annäherung an den Atomkern scheinbar aus dem Nichts Energie! Orbitale des Wasserstoffatoms Die radiale Wahrscheinlichkeitsdichte des Elektrons im 1s-Orbital wird durch folgenden Ausdruck beschrieben: P = 4 r 2 ___ a 0 3 ·e − 2 r __ a 0 . P ( ∆ r ) = P ( r ) ∆ r ergibt dann die Wahrscheinlichkeit, das Elektron im Bereich [ r – ∆ r , r + ∆ r ] anzutreffen. Dabei ist a 0 der Bohr’sche Radius. Zeige, dass bei diesem Radius das Maximum der Wahrscheinlichkeit liegt. Dazu musst du die Gleichung nach r differenzieren und null setzen. Elektronenspin und Pauli-Verbot Wie beeinflusst das Pauli-Verbot den Schalenaufbau der Atome? Warum verleiht es den Elementen ihre chemischen Eigenschaften? Das Periodensystem Im Heliumatom sind beide Elektronen auf gleichem Energieniveau eingebaut. Zum Abtrennen des ersten Elektrons sind 24eV notwendig, wenn man auch das zweite abtrennen will jedoch 54eV. Ist das nicht ein Widerspruch zur einleitenden Aussage? A1 Abb. 14 A2 A3 A4 A5 A1 A2 A3 A4 A5 35 Licht als Träger von Energie Quantensprung und Photonen Auf der Esoterik-Seite http://www.seelencoaching2012.de findet sich folgendes Zitat: „Die neuen Naturwissenschaften unterstreichen diese immer deutlicher sichtbar werdende Entwicklung, bei der der Mensch nicht nur in die Evolutionsspirale eingebunden, sondern in der Lage ist, durch die Überschneidung vielfältigster Situationen und Ereignisse einen evolutionären Quantensprung vollziehen zu können.“ Kommentiere dieses Zitat! Gibt es physikalisch gesehen eigentlich „Farben“? Wo „entstehen“ diese? Arten von Spektren Abb. 15 zeigt das Spektrum einer herkömm- lichen (und inzwischen bereits verbotenen) 60W-Glühbirne und das einer Energiespar- lampe mit 11W. Welches Spektrum gehört zu welcher Lampe? Begründe! Metastabilität, Laser und Anwendungen Du weißt aus dem Alltag, dass das Licht, das von zwei Lampen ausgeht, keine sicht- bare Interferenz erzeugt. Aber warum? Müssten nicht durch konstruktive und destruktive Interferenz irgendwo helle und dunkle Streifen entstehen (Abb.16)? 36 Fortgeschrittene Quantenmechanik Schrödingers Katze Wenn man kleinen Kindern eine Überraschung schenkt, dann versteckt man diese oft in einer Faust, hält beide Fäuste hin und sagt: „Rate, in welcher Hand!“ Erst wenn das Kind getippt hat und man die Fäuste geöffnet hat, wird ihm klar, in welcher Hand die Überraschung ist. Ist es daher legitim zu sagen, dass sich die Überraschung vorher in einem quantenmechanischen Überlagerungszustand zwischen links und rechts befindet, ähnlich wie die Schrödinger’sche Katze sich in einem Überlagerungszustand zwischen lebend und tot befindet, bevor man nachsieht? Der Tunneleffekt Ohne Tunneleffekt könntest du nicht leben! Was ist damit gemeint? Verschränkte Quanten und EPR-Paradoxie Normalerweise muss zwischen Ursache und Wirkung eine gewisse Zeit vergehen. Wie ist das in der Quantenmechanik? „Beamen“ und Quantenteleportation Beim Beamen in den SciFi-Filmen wird der Mensch zuerst exakt gescannt und dann aufgelöst. Diese Informationen werden mit einem Transporterstrahl zum Zielort geschickt (engl. „beam“ bedeutet Strahl), wo der Mensch wieder zusammengesetzt wird. Da die Abtastung völlig exakt sein muss, kommt man in die extrem kleinen Dimensio- nen der Quantenwelt. Welches prinzipielle Problem würde dabei auftreten? Kompetenzbereich Theorienentwicklung 37 Chaotische Systeme Starkes und schwaches Kausalitätsprinzip Jedes Ereignis (die Wirkung) wird durch ein anderes Ereignis (die Ursache) ausgelöst. Das heißt aber auch, dass dieses frühere Ereignis durch ein noch früheres Ereignis ausgelöst worden sein muss und so weiter. Wie hat das also alles angefangen? Die Geburt der Chaosforschung Was versteht man unter dem Schneeballeffekt? Welcher Zusammen- hang besteht zwischen dem Schneeballeffekt und dem Dominoeffekt? Ist der Schmetterlingseffekt ein Schneeballeffekt? Turbulenzen In Zusammenhang mit Turbulenzen spricht man auch vom determinis- tischen Chaos. Was könnte damit gemeint sein? A1 A2 A3 Abb. 15 A4 Abb. 16 A1 A2 A3 A4 A1 A2 A3 Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv