Sexl Physik 7, Schulbuch

Licht als Energieträger In der Wechselwirkung mit Materie zeigt Licht Teilchenei- genschaften: 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 Wir- kungsquantum. Energiestufen in Atomen Die Linienspektren von Gasen werden erklärt durch die Existenz 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 wer- den 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. Orbitalmodell der Atome: Je nach Energiezustand bilden die Elektronen unterschiedliche Elektronenwolken ( Orbi- tale ) um den Kern. Räumliche Darstellungen der Orbitale zeigen die Aufent- haltswahrscheinlichkeiten der Elektronen in Kernnähe. Die Vorstellung von „Elektronenbahnen“ analog zu Plane- tenbahnen (Bohr’sches Atommodell) ist dabei nicht zutref- fend. 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. Zur Erzeugung von Laserlicht müssen drei Bedingungen er- füllt 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 ei- ner Richtung vielfach hin und her laufen, sie lösen nach dem Prinzip der stimulierten Emission eine Photonenla- wine aus. Die Photonen verlassen das Lasermedium durch einen teilweise durchlässigen Spiegel. Quantenphysik Photonenmodell des Lichts Licht der Frequenz f besteht aus Photonen (Lichtteilchen) der Energie E = h · f ( h = 6,63 · 10 −34 Js, Planck’sche Wirkungsquantum). Photonen verhalten sich wie Teilchen ohne Ruhemasse, im materiefreien Raum haben sie die Geschwindigkeit c . Impuls p der Photonen: p = h / λ = E / c . Die Beziehung von de Broglie Teilchen mit dem Impuls p ist eine Welle zugeordnet mit der Wellenlänge λ = h / p . Born’sche Deutung Das Verhalten der Elektronen wird durch eine Welle Ψ be- schrieben. Die Wahrscheinlichkeit des Auftreffens eines Elektrons an einer bestimmten Stelle des Schirms wird durch das Qua- drat der Amplitude dieser Welle Ψ 2 bestimmt. Heisenberg’sche Unschärferelation Ort und Impuls von Teilchen können nicht gleichzeitig mit beliebiger Genauigkeit bestimmt werden. Für die minima- len Unschärfen des Orts Δ x und des Impuls Δ p x gilt Δ x · Δ p x ≈ h . 114 Zusammenfassende Übersicht THEORIEENTWICKLUNG QUANTENPHYSIK ATOMPHYSIK Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv