{"id":69,"date":"2018-01-14T20:58:39","date_gmt":"2018-01-14T20:58:39","guid":{"rendered":"http:\/\/134.169.6.169\/milq\/?page_id=69"},"modified":"2026-04-09T12:22:34","modified_gmt":"2026-04-09T10:22:34","slug":"1-elektronen-und-photonen","status":"publish","type":"page","link":"https:\/\/www.milq.info\/en\/sample-page\/u-einheit_s-p-q-r\/1-elektronen-und-photonen\/","title":{"rendered":"1. Elektronen und Photonen"},"content":{"rendered":"<div id=\"bsf_rt_marker\"><\/div><p><\/p>\n<div id=\"content\">\n<div id=\"gpx_content\" class=\"filenum-11 cf\">\n<div class=\"GPAREA filetype-text\">\n<h1>Unterrichtseinheit zur Quantenphysik<\/h1>\n<h2>&#8211; Sch\u00fclermaterial &#8211;<\/h2>\n<p>Liebe Sch\u00fclerinnen und Sch\u00fcler,<\/p>\n<p>Ziel dieses Sch\u00fclerprogramms ist es, dass Sie sich mit der Quantenphysik auseinandersetzen, zun\u00e4chst in\u00a0<strong>Partnerarbeit<\/strong>, sp\u00e4ter wiederholend und erweiternd im\u00a0<strong>Kursplenum<\/strong>, also vor allem aktiv im gemeinsamen Austausch, weil man davon ausgehen kann, dass damit sowohl das Verst\u00e4ndnis dieses \u00fcberaus schwierigen Stoffes als auch der Wissenserhalt gesteigert werden kann.<\/p>\n<p>Damit Sie selbst Ihren erwarteten Erkenntnisgewinn verfolgen k\u00f6nnen, empfehlen wir das Anlegen eines\u00a0<strong>Quantenphysik-Portfolios<\/strong>, in das Sie Ihre Aufzeichnungen etc. abheften.<\/p>\n<h3>Voraussetzungen<\/h3>\n<ul>\n<li>Elektronen und Elektronenstrahlr\u00f6hren und entsprechende grundlegenden Erl\u00e4uterungen und Berechnungen<\/li>\n<li>Beugung und Interferenzen in der Wellenoptik<\/li>\n<li>R\u00f6ntgenstrahlung und Bragg-Reflexion: Fakultativ: Die so bezeichneten Aufgaben k\u00f6nnen bearbeitet werden, wenn die Voraussetzung erf\u00fcllt ist, m\u00fcssen es aber nicht, um den Kern des Moduls zu erfassen.<\/li>\n<\/ul>\n<h2>Modul 1: Elektronen und Photonen als Quantenobjekte<\/h2>\n<p>In diesem ersten Modul geht es darum zu erkennen, dass die klassische Vorstellung, dass z. B. Elektronen Teilchen sind oder Licht eine Welle ist, in der Quantenphysik \u00fcberdacht werden muss. Daf\u00fcr werden die zwei Grundversuche &#8220;Elektronenbeugung&#8221; und &#8220;Photoeffekt&#8221; vorgestellt und aus den Ergebnissen z. T. so merkw\u00fcrdige Folgerungen abgeleitet, wie z. B. dass Licht \u00fcber einen Impuls und damit theoretisch auch \u00fcber eine Masse verf\u00fcgt.<\/p>\n<p style=\"text-align: center;\">1.1. Die Elektronenbeugung\u00a0&#8211;\u00a01.2. Photonen als Quantenobjekte\u00a0&#8211;\u00a01.3. Der Impuls von Photonen\u00a0&#8211;\u00a01.4. Zusammenfassung\u00a0&#8211;\u00a01.5. Selbstkontrolle und \u00dcbungsaufgaben<br \/>\n1.6. Best\u00e4tigungen und weiterf\u00fchrende Themen<\/p>\n<h3>1.1. Die Elektronenbeugung<\/h3>\n<p>K\u00f6nnen Elektronen gebeugt werden? Beugung ist ein Begriff aus der Wellenlehre. K\u00f6nnen die Teilchen Elektronen etwas mit Wellen zu tun haben? Teilchen und Wellen schlie\u00dfen sich nach der klassischen Physik eigentlich aus. In diesem ersten Abschnitt werden wir Zusammenh\u00e4nge erkennen und auch mit der aus der Wellenlehre bekannten Ph\u00e4nomen der Bragg-Reflexion quantitativ erfassen.<\/p>\n<h4>Aufgabe 1:<\/h4>\n<p>Sie kennen Elektronen bereits! Nennen Sie in Stichworten die wesentlichsten Eigenschaften von Elektronen nach Ihrem bisherigen Wissensstand! Informieren Sie sich ggf. aus Ihrem\/einem Lehrbuch.<\/p>\n<h4>Aufgabe 2:<\/h4>\n<p>Machen Sie sich bei der folgenden\u00a0<a href=\"\/data\/_uploaded\/Unterrichtseinheit\/1_Elektronen\/Elektronenbeugung-leifi.pdf\" >leifi-Versuchsdarstellung Elektronenbeugung<\/a>\u00a0mit dem Versuchsaufbau, der Schaltung, der Durchf\u00fchrung und der Beobachtung vertraut. Fakultativ: Wiederholen Sie ggf. noch einmal die Bragg-Reflexion.<\/p>\n<h4>Aufgabe 3:<\/h4>\n<p>Vergleichen Sie qualtitativ die Strukuren der sich ergebenden Leuchtschirm-Beobachtungsbilder von R\u00f6ntgenlichtbeugung und Elektronenstrahlen (vgl. Lehrbuch, Stichwort: Bragg-Beziehung).<\/p>\n<h4>Merktext<\/h4>\n<p>Vergleich mit R\u00f6ntgenstrahlung:<\/p>\n<p>Die beiden Bilder (Abb. 1) aus der Seite der Uni Erlangen wurden bei Durchstrahlung ein und derselben Folie einmal mit R\u00f6ntgenstrahlung, einmal mit Elektronen aufgenommen. Auf Grund der \u00c4hnlichkeit der Bilder kann vermutet werden, dass man Elektronen offenbar einen wie auch immer gearteten Wellencharakter zuschreiben kann.\u00a0<a title=\"Elektronenbeugung\" href=\"\/mehr\/5-elektronen\/\" >Vergleiche auch milq, Kapitel 5.1<\/a><\/p>\n<p><img decoding=\"async\" src=\"\/data\/_uploaded\/Unterrichtseinheit\/1_Elektronen\/1.1.1beug_roentg.gif\" alt=\"\" \/>\u00a0\u00a0\u00a0<img decoding=\"async\" src=\"\/data\/_uploaded\/Unterrichtseinheit\/1_Elektronen\/1.1.2beug_elektr.gif\" alt=\"\" \/><\/p>\n<p><strong>AUFGABE 4: (fakultativ)<\/strong><\/p>\n<p>Bestimmen Sie auf dieser Basis (s. Aufg. 2, mithilfe der gegebenen Werte) f\u00fcr den Abstand Kristall-Leuchtschirm\u00a0 \u2113 = 13 cm sowie den gegebenen Radien f\u00fcr die zwei Beschleunigungsspannungen (siehe oben: Elektronenbeugung) und der Bragg-Bedingung die Glanzwinkel f\u00fcr den Elektronenstrahl!<\/p>\n<p>F\u00fcr eine L\u00f6sungshilfe \u2013 falls man nicht weiterkommt \u2013 schaue man hier nach:\u00a0<img decoding=\"async\" src=\"http:\/\/www.milq.info\/images\/stories\/Lehrgang\/u.gif\" alt=\"\" \/>\u00a0<a title=\"L\u00f6sungshilfe M1.1,4\" href=\"\/loesungshilfe_M114\" >L\u00f6sungshilfe zu Aufgabe 4, Modul 1.1<\/a><\/p>\n<p><strong>AUFGABE 5: (fakultativ)<\/strong><\/p>\n<p>Der Graphitkristall hat zwei verschiedene Netzebenenabst\u00e4nde d<sub>1<\/sub>\u00a0= 2,13\u00b710<sup>-10<\/sup>\u00a0m und d<sub>2<\/sub>\u00a0= 1,23\u00b710<sup>-10<\/sup>\u00a0m, wie man sie sich nach Abb. 2 vorstellen k\u00f6nnte.<\/p>\n<p><img decoding=\"async\" src=\"\/data\/_uploaded\/Unterrichtseinheit\/1_Elektronen\/1.1.3Netzebene3.gif\" alt=\"\" \/><\/p>\n<p>Die beiden Radien (r<sub>1<\/sub>\u00a0und r<sub>2<\/sub>, s. Beugungsversuch) geh\u00f6ren jeweils zum Maximum 1. Ordnung f\u00fcr eine Spannung und f\u00fcr einen Netzebenenabstand.<\/p>\n<p>Bestimmen Sie daraus die Wellenl\u00e4ngen f\u00fcr die beiden Spannungen.<\/p>\n<h4>Aufgabe 6:<\/h4>\n<p>Aufgrund der \u00c4hnlichkeit der Beobachtungen bei Verwendung von R\u00f6ntgenwellen bzw. bei Elektronen, liegt es nahe, eine Beziehung zwischen der eine Welle beschreibenden und der ein sich bewegendes Teilchen beschreibende Grundgr\u00f6\u00dfe herzustellen, n\u00e4mlich der Wellenl\u00e4nge und dem Impuls.<\/p>\n<p>Leiten Sie den Impuls der Elektronen \u00fcber ihre Masse und die Beschleunigungsspannung her und berechnen Sie damit \u00fcber die Spannungen die den Wellenl\u00e4ngen(!) aus vorheriger Aufgabe entsprechenden Impulse!<\/p>\n<p><a href=\"\/loesungshilfe-m116\" >L\u00f6sungshilfe zu Aufgabe 6, Modul 1.1<\/a><\/p>\n<h4>Aufgabe 7<strong>a:<\/strong><\/h4>\n<p>Folgende Tabelle stellt einige auf die dargelegte Art gewonnene Daten zusammen.<\/p>\n<table border=\"0\">\n<tbody>\n<tr>\n<td><strong>\u00a0 p in 10<sup>-23<\/sup>\u00a0Ns<\/strong><\/td>\n<td>3,0<\/td>\n<td>3,4<\/td>\n<td>3,6<\/td>\n<td>3,8<\/td>\n<\/tr>\n<tr>\n<td><strong>\u00a0 \u03bb in 10<sup>-11<\/sup>\u00a0m<\/strong><\/td>\n<td>\n<p style=\"text-align: left;\">2,3<\/p>\n<\/td>\n<td style=\"text-align: left;\">2,0<\/td>\n<td style=\"text-align: left;\">1,8<\/td>\n<td style=\"text-align: left;\">1,7<\/td>\n<\/tr>\n<\/tbody>\n<\/table>\n<p style=\"text-align: left;\">Welche Beziehung zwischen den Gr\u00f6\u00dfen vermuten Sie? Diskutieren Sie mit Ihrem Partner m\u00f6gliche Vorgehensweisen, um zu einer Aussage \u00fcber die Art dieser Beziehung zu gelangen!<\/p>\n<h4>Aufgabe 7b:<\/h4>\n<p>Man k\u00f6nnte einen antiproportionalen Zusammenhang vermuten. Um den zu verifizieren, ist es m\u00f6glich, mit den (zugegeben wenigen) Daten ein 1\/\u03bb &#8211; p &#8211; Diagramm zu erstellen. Zeichnen Sie ein solches und ermitteln Sie aus der sich ergebenden Geraden die Steigung!<br \/>\nF\u00fchren Sie einen Einheitenvergleich durch und best\u00e4tigen Sie damit die Einheit der Proportionalit\u00e4tskonstante als Js:<br \/>\nEnergie mal Zeit (man nennt diese Gr\u00f6\u00dfen\u00a0<em>Wirkung)<\/em>!<\/p>\n<p><a href=\"\/loesungshilfe-m117\" >L\u00f6sungshilfe zu Aufgabe 7b, Modul 1.1<\/a><\/p>\n<h4>Merktext<\/h4>\n<p>Es ergibt sich als Mittelwert f\u00fcr die Steigung\u00a0 p \u2219 \u03bb = h \u2248 6,7\u038710<sup>-34<\/sup>\u00a0Js. Offenbar kann man das Interferenzmuster bei der Elektronenbeugung so deuten, dass man den Elektronen eine Materiewellenl\u00e4nge zuordnet, die in der Gr\u00f6\u00dfenordnung von R\u00f6ntgenstrahlung liegt. (Versuch von Davisson und Germer bzw. Elektronenbeugung nach Thomson 1927). Louis de Broglie vermutete die Existenz solcher Materiewellen schon 1924, deshalb nennt man sie auch h\u00e4ufig de-Broglie-Wellen. Er stellte unabh\u00e4ngig von diesen Versuchen die Beziehung p = h\/\u03bb auf (Welle-Teilchen-Dualismus: Der Impuls p entspricht einer Teilcheneigenschaft, die Wellenl\u00e4nge \u03bb einer Welleneigenschaft; Das Tertium comparationis ist die Naturkonstante h). Die Steigung ist eine Naturkonstante, man nennt sie h oder Planck\u00b4sches Wirkungsquantum. Sie ist experimentell bereits von Max Planck bei der Intensit\u00e4t der W\u00e4rmestrahlung schwarzer K\u00f6rper in Zusammenhang mit der Temperatur und der emittierten Wellenl\u00e4nge postuliert worden (im Jahre 1900, das seither als Geburtsjahr der Quantenphysik gilt).<\/p>\n<p>Der Literaturwert betr\u00e4gt: h = 6,6260755\u038710<sup>-34<\/sup>\u00a0Js.<\/p>\n<p>Die Geradengleichung kann bestimmt werden zu: p = h\/\u03bb.<\/p>\n<p>Anders ausgedr\u00fcckt gilt: \u03bb = h\/p<\/p>\n<p>Elektronen \u2013 also Teilchen!? \u2013 zeigen offenbar unter bestimmten Umst\u00e4nden eine Art Wellencharakter! Dieses Ph\u00e4nomen fasste man bislang unter dem Begriff \u201eWelle-Teilchen-Dualismus\u201c zusammen, das impliziert aber auch, dass Wellen Teilcheneigenschaften aufweisen.<\/p>\n<h3>1.2. Photonen als Quantenobjekte<\/h3>\n<p>In 1.1 haben Teilchen Wellencharakter gezeigt, nun soll untersucht werden, ob m\u00f6glicherweise auch die Umkehrung zutrifft, n\u00e4mlich ob Wellen (Licht) Teilcheneigenschaften besitzen und auch hier das verbindende Dritte die Naturkonstante h ist.<\/p>\n<h4>Aufgabe 1:<\/h4>\n<p>Laden Sie sich die Simulation des Versuchs von Hallwachs und fassen Sie f\u00fcr jeden Teilversuch die Versuchsergebnisse auf Grund Ihrer Beobachtungen\u00a0 schriftlich mithilfe von Skizzen zusammen (Portfolio).<\/p>\n<p><a href=\"\/data\/_uploaded\/Unterrichtseinheit\/Leifi\/hallwachs.html\" >Hallwachs-Versuch<\/a><\/p>\n<p>siehe auch:\u00a0<a href=\"http:\/\/www.leifiphysik.de\/themenbereiche\/quantenobjekt-photon\/bestrahlung-einer-zinkplatte-mit-licht-versuche-von-hallwachs\" >Versuche von HALLWACHS<\/a><\/p>\n<h4>Merktext zu 1.2 (Aufgabe 1)<\/h4>\n<p>Eine Quecksilberdampflampe, die einen Anteil ultravioletten Lichts enth\u00e4lt (der durch eine Glasscheibe abgeschirmt werden kann), ist in der Lage, \u00fcber eine Zinkplatte ein negativ geladenes Elektroskop zu entladen. Dazu m\u00fcssen sich Elektronen von der Zinkplatte abgel\u00f6st und sie verlassen haben. Man bezeichnet das Ausl\u00f6sen von Elektronen aus einer Metallplatte durch Licht als (\u00e4u\u00dferen) Photoeffekt.<br \/>\n<a title=\"Photoeffekt\" href=\"\/mehr\/1-photonen\/\" >Vergleiche dazu im milq-Lehrgang Kapitel 1.1 (Abschnitt\u00a0<em>Photoeffekt<\/em>)<\/a><\/p>\n<h4>Aufgabe 2:<\/h4>\n<p>Nun laden Sie sich eine weitere Simulation zur Untersuchung des Photoeffekts.<br \/>\n<a href=\"\/data\/_uploaded\/Unterrichtseinheit\/Leifi\/pe-Dateien\/PE.dir\" >Photoeffekt-PE<\/a>\u00a0(ben\u00f6tigt adobe\u00a0<a href=\"\/data\/_uploaded\/Downloads\/Shockwave_Installer_Slim.exe\" >shockwave Player<\/a>!!!)<\/p>\n<p><a href=\"http:\/\/web.hep.uiuc.edu\/home\/tstelzer\/102project\/pe.htm\" >(siehe auch: web.hep.uiuc.edu<\/a>)<\/p>\n<p>Beschreiben Sie den Versuchsaufbau anhand einer Schaltskizze und gehen Sie dabei insbesondere auf die als Gegenfeld gepolte Auffangplatte ein (Gegenfeldmethode), die \u00fcber ein Amperemeter mit der Fotoplatte verbunden ist.<\/p>\n<p>Ver\u00e4ndern Sie jeweils einzeln die Frequenz des Lichts, seine Intensit\u00e4t (brightness) und die H\u00f6he der Gegenspannung, diskutieren Sie Ihre Beobachtungen mit Ihrem Partner und fassen Sie die Beobachtungen anschlie\u00dfend schriftlich gegliedert zusammen!<\/p>\n<div class=\"article-content\">\n<h4>Merktext zu 1.2\u00a0 (Aufgabe 2)<\/h4>\n<p>Je h\u00f6her die Frequenz des Lichtes, desto mehr kinetische Energie erhalten die ausgel\u00f6sten Elektronen. Doch beginnen sich die Elektronen erst ab einer bestimmten Grenz-Frequenz zu l\u00f6sen. Die Helligkeit\/Intensit\u00e4t des Lichts hat aber nur einen Einfluss auf die Anzahl der ausgel\u00f6sten Elektronen, nicht aber auf ihre Energie, d. h. unterhalb der Grenzfrequenz kann die Intensit\u00e4t maximal sein, es werden keine Elektronen ausgel\u00f6st. Mit dem Gegenfeld kann man einstellen, dass gerade nur die schnellsten Elektronen bei einer bestimmten Frequenz die Anode erreichen bzw. ab einer bestimmten Spannung eben gerade nicht mehr erreichen. Das Amperemeter zeigt dann (gerade) keinen Stromfluss mehr an.<\/p>\n<\/div>\n<p>Um einer theoretischen (quantitativen) Deutung dieses Verhaltens auf die Spur zu kommen, soll der Zusammenhang zwischen kinetischer Energie der herausgel\u00f6sten Elektronen mit der Frequenz (bzw. Wellenl\u00e4nge) des einstrahlenden Lichtes untersucht werden.<\/p>\n<p>Dazu wird die letzte Simulation verfeinert:<\/p>\n<p>* als fotografierter Realversuch mit Auswertung:\u00a0<a href=\"http:\/\/www.leifiphysik.de\/themenbereiche\/quantenobjekt-photon\/gegenfeldmethode\" >http:\/\/www.leifiphysik.de\/themenbereiche\/quantenobjekt-photon\/gegenfeldmethode<\/a><\/p>\n<p>* oder als Applet mit \u00e4lterer und neuerer Version:\u00a0<a href=\"http:\/\/www.leifiphysik.de\/themenbereiche\/quantenobjekt-photon\/animationen-zum-photoeffekt\" ><strong>Animation zum Photoeffekt<\/strong><\/a>\u00a0(um zum Applet zu gelangen klicken Sie auf\u00a0<a href=\"\/data\/_uploaded\/Unterrichtseinheit\/Leifi\/photoelectric_de.jnlp\" ><u><em>Zum Applet<\/em><\/u><\/a>!)<\/p>\n<h4>Aufgabe 3:<\/h4>\n<p>Untersuchen und dokumentieren Sie auf der Basis einer der obigen Simulationen den Versuchsaufbau!<br \/>\nBeschreiben und skizzieren Sie insbesondere die Vakuumfotozelle sowie die Gegenfeldmethode!<br \/>\nBearbeiten Sie die Aufgaben, die in den Links zu finden sind und notieren Sie die Ergebnisse in Ihrem Portfolio.<\/p>\n<h4>Aufgabe 4:<\/h4>\n<p>a) fakultativ: Zeichnen Sie mithilfe der Daten aus dem Fendt-Applet\u00a0<a href=\"\/www.leifiphysik.de\/themenbereiche\/quantenobjekt-photon\/versuche\" >Der Photoeffekt<\/a>\u00a0(s.o., klicken Sie sich zum Applet durch) ein f-E<sub>kin<\/sub>-Diagramm f\u00fcr die Kalium- und die C\u00e4sium-Kathode, indem Sie zun\u00e4chst eine Tabelle mit den Werten f\u00fcr die Frequenz und die kinetische Energie aufstellen.\u00a0 Leiten Sie her und erl\u00e4utern Sie,\u00a0 wie Sie von der Gegenspannung\u00a0 U zur kinetischen Energie E<sub>kin<\/sub>\u00a0kommen! Bearbeiten Sie die im Applet gestellten Aufgaben.<\/p>\n<p>b) obligatorisch: Deuten Sie das Diagramm in der Simulation\u00a0<em>Der Photoeffekt<\/em>\u00a0von Aufgabe 4 a)! Gehen Sie insbesondere auf die Bedeutung des f-Achsen-Schnittpunkts sowie des U-Achsenabschnitts (in der Simulation) bzw. E<sub>kin<\/sub>-Achsenschnittpunkts (im Diagramm nach a) ein! Sie k\u00f6nnen sich auch im\u00a0<a href=\"\/mehr\/1-photonen\/\" >Lehrgangskapitel 1.3 (Abschnitt\u00a0<em>Experimentelle \u00dcberpr\u00fcfung<\/em>)<\/a>\u00a0kundig machen.<\/p>\n<h4>Aufgabe 5:<\/h4>\n<p>Erl\u00e4utern Sie die Einstein\u00b4sche Deutung des Fotoeffekts auf der Basis der Energiebilanz bzw. der Geradengleichung im f-E<sub>kin<\/sub>-Diagramm:\u00a0<strong>E<sub>kin<\/sub>\u00a0= h \u0387 f &#8211; W<sub>A<\/sub><\/strong><\/p>\n<div class=\"article-content\">\n<h4>Merktext zu 1.2 (Aufgabe 3, 4 und 5)<\/h4>\n<\/div>\n<div class=\"article-content\">\n<p>Beim Fotoeffekt treffen \u201eLichtteilchen\u201c oder Photonen auf eine Metalloberfl\u00e4che und werden absorbiert. Die Energie eines Photons (E<sub>Phot<\/sub>\u00a0= h\u0387f) wird auf ein Elektron \u00fcbertragen, das bei geeigneter Energieh\u00f6he daraufhin ionisiert wird (Abl\u00f6searbeit\/Ionisationsarbeit W<sub>A<\/sub>\u00a0der Elektronen) und ggf. noch zus\u00e4tzlich kinetische Energie erh\u00e4lt, sodass das Elektron das Metall verlassen kann.<\/p>\n<p>Die Energiebilanz nach dieser Einstein\u00b4schen Deutung lautet:<\/p>\n<p>h \u0387 f = E<sub>kin<\/sub>\u00a0+ W<sub>A<\/sub><\/p>\n<p>F\u00fcr diese Interpretation der gequantelten Energie von 1905 erhielt Albert Einstein 1921 den Nobelpreis.<\/p>\n<\/div>\n<div class=\"article-content\">\n<p>Nach der Photonenvorstellung str\u00f6mt Licht nicht als r\u00e4umlich kontinuierlich verteilte elektromagnetische Energie von der Lichtquelle weg (klassische Vorstellung), sondern als Vielzahl von Energieportionen\u00a0 (h\u0387f), die man als Quanten bezeichnet.\u00a0 Man kann also in diesem Sinne von einem \u201eStrom von Teilchen\u201c sprechen.<\/p>\n<\/div>\n<h3>1.3. Der Impuls von Photonen<\/h3>\n<p>Wenn man sich also vorstellt, dass Licht aus Photonen, also\u00a0<strong>teilchenhaften Energieportionen (Quanten)<\/strong>\u00a0besteht, welche Elektronen aus ihrem Metallverbund herausl\u00f6sen k\u00f6nnen, dann sollte Licht auch \u00fcber so klassische Teilcheneigenschaften wie einen Impuls (und eine Masse?) verf\u00fcgen.<\/p>\n<p>Nach den Maxwell\u00b4schen Gleichungen \u00fcben elektromagnetische Wellen einen Impuls auf Materie aus. Dabei ist die Energie der Strahlung proportional zu ihrem Impuls:\u00a0 E<sub>Licht<\/sub>\u00a0~ p mit der Proportionalit\u00e4tskonstanten c, der Lichtgeschwindigkeit (c \u2248 3 \u00b710<sup>8<\/sup>\u00a0m\/s).<\/p>\n<h4>Aufgabe 1:<\/h4>\n<p>Leiten Sie mit diesen Informationen den Impuls f\u00fcr Photonen her. Vergleichen Sie mit dem Impuls f\u00fcr Elektronen aus dem 1. Abschnitt (1.1).<\/p>\n<h4>Merktext<\/h4>\n<p>Auch relativistisch k\u00e4me man zum gleichen Ergebnis:<\/p>\n<p>Demnach gilt (nach Einstein): E = m\u0387c\u00b2<\/p>\n<p>also f\u00fcr ein Photon: h\u0387f = m\u0387c\u0387c = p\u0387c; =&gt; p = (h\u0387f)\/c = h\/\u03bb<\/p>\n<p>Nach dieser Herleitung k\u00f6nnte man auch eine Masse f\u00fcr Photonen konstatieren,\u00a0 n\u00e4mlich als m = E\/c\u00b2 = h\u0387f\/c\u00b2 = h\/(\u03bb\u0387c),\u00a0 welche in der Gr\u00f6\u00dfenordnung 10<sup>-36<\/sup>\u00a0kg l\u00e4ge und Geltung f\u00fcr sich mit c bewegende Photonen h\u00e4tte. Eine Ruhmasse f\u00fcr Photonen ist nicht definiert. Tats\u00e4chlich hat Einstein vorhergesagt und es fand sp\u00e4ter Best\u00e4tigung, dass Licht z. B. durch starke Gravitationsfelder (z. B. Sonne) abgelenkt wird (Gravitationslinseneffekt), was bisher nur durch eine Materie-Masse-Vorstellung erkl\u00e4rbar erschien.<\/p>\n<p>Vgl. dazu:\u00a0\u00a0<a href=\"http:\/\/www.leifiphysik.de\/themenbereiche\/quantenobjekt-photon\/photoeffekt\">http:\/\/www.leifiphysik.de\/themenbereiche\/quantenobjekt-photon\/photoeffekt<\/a><\/p>\n<h3>1.4. Zusammenfassung<\/h3>\n<p>Fasst man das erste Kapitel zusammen, ergeben sich folgende Ergebnisse:<\/p>\n<p>1.\u00a0\u00a0 die klassischen Teilchen\u00a0<em>Elektronen\u00a0<\/em>zeigen auch Wellencharakter (Materiewellen\/de-Broglie-Wellen -&gt; Beugung)<\/p>\n<p>2.\u00a0\u00a0 die klassische elektromagnetische Welle\u00a0<em>Licht<\/em>\u00a0zeigt auch Teilchencharakter (Photon -&gt; Impuls)<\/p>\n<p>Beide Eigenschaften finden eine Vereinigung durch das plancksche Wirkungsquantum in der Formel: h = p \u0387 \u03bb<\/p>\n<p>Dieses oft unter dem Begriff \u201eDualismus\u201c subsummierte nicht mehr klar unterscheidbare Verhalten von Welle und Teilchen im Mikrokosmos ist ein wesentliches Kennzeichen der Quantenphysik. Deshalb fasst man die Mikroobjekte auch als \u201eQuanten\u201c\u00a0 zusammen, die alle ein \u00e4hnliches Verhalten zeigen. Dieses merkw\u00fcrdige Verhalten von Quanten soll im n\u00e4chsten Kapitel n\u00e4her untersucht werden.<\/p>\n<h3>1.5. Selbstkontrolle und \u00dcbungsaufgaben<\/h3>\n<h4>Grunds\u00e4tzliche Aufgabe<\/h4>\n<p>Schreiben Sie sich jeder mindestens zwei Fragen oder Aufgaben zu diesem Kapitel auf, die im Plenum besprochen werden sollen. Davon sollte eine Frage\/Aufgabe von Ihnen erl\u00e4utert\/gel\u00f6st werden k\u00f6nnen. Diese Aufgaben\/Fragen k\u00f6nnen sowohl einfacher, wiederholender Natur sein als auch Verst\u00e4ndnisprobleme umfassen.<\/p>\n<p>Die einzelnen Fragen k\u00f6nnten z. B. auf Karteikarten geschrieben, gemischt, ausgeteilt und bearbeitet werden. Sie dienen so sp\u00e4ter z. B. der Abiturvorbereitung<\/p>\n<p>L\u00f6sungsvorschl\u00e4ge zu pers\u00f6nlichen Selbstkontrolle finden Sie hier:\u00a0<a href=\"\/data\/_uploaded\/Unterrichtseinheit\/L%C3%B6sungshilfe\/Loesungsvorschlaege-Kap1.pdf\" >L\u00f6sungsvorschl\u00e4ge-Kap1<\/a><\/p>\n<h4>Plenumsphase<\/h4>\n<p>Nachdem Sie mit Ihrem Partner die Aufgaben dieses Moduls besprochen und in Ihr Portfolio notiert haben, trifft sich der Kurs im Plenum zusammen.<\/p>\n<p>Im Wechsel soll jeweils eine Partnergruppe erarbeitete Ergebnisse (z. B. von jeweils drei\u00a0 Aufgaben oder einem Teilabschnitt) vortragen. Der Rest des Kurses vergleicht mit den eigenen L\u00f6sungen und \u00dcberlegungen. Diskussionen sind grunds\u00e4tzlich erw\u00fcnscht! Im Anschluss k\u00f6nnen jeweils passende Sch\u00fclerfragen\/-aufgaben der Gruppen bearbeitet werden.<\/p>\n<p>Eine andere Gruppe \u00fcbernimmt im Wechsel jeweils die Moderation. Sie hat die Aufgabe, eine Diskussion anzuregen, \u00fcber die Reihenfolge der Beitr\u00e4ge und die Sprechzeit zu wachen, das Thema abzuschlie\u00dfen und zusammen zu fassen oder ggf. Vorschl\u00e4ge zur weiteren Besch\u00e4ftigung zu machen.<\/p>\n<p>In dieser Plenumsrunde k\u00f6nnten nach Ma\u00dfgabe der Lehrkraft Realversuche aufgebaut und anhand der Modulaufgaben bearbeitet werden.<\/p>\n<p>Hier w\u00e4re auch der Platz und die Zeit f\u00fcr Verweise auf Lehrb\u00fccher und andere Quellen, z. B. aus dem Internet oder auch f\u00fcr weiterf\u00fchrende Themen, die ggf. nach den jeweiligen Curricula abgehandelt werden m\u00fcssen. Diese k\u00f6nnten durch Referate, Lehrervortr\u00e4ge oder andere M\u00f6glichkeiten vorgestellt werden (<a href=\"\/mehr\/1-photonen\/\" >vgl. dazu Abschnitt 1.6<\/a>).<\/p>\n<h4>Beispiele f\u00fcr weitere Aufgaben<\/h4>\n<p>Weitere wiederholende Aufgaben, die durch die Lehrkraft (z. B. aus dem Lehrbuch) gem\u00e4\u00df den Abituranforderungen erweitert werden k\u00f6nnen und\/oder sollten (so \u00e4hnlich k\u00f6nnten auch selbstformulierten Fragen\/Aufgaben der Gruppen aussehen):<\/p>\n<p>1.\u00a0\u00a0 Eine selbst\u00e4ndige Wiederholung des Fotoeffekts erm\u00f6glicht z. B. das interaktive Bildschirmexperiment\u00a0<a href=\"\/data\/_uploaded\/Downloads\/Software\/milq_soft_IBE_zum_Photoeffekt_-_deutsch.exe\" >IBE zum Photoeffekt<\/a><\/p>\n<p>2.\u00a0\u00a0 Beschreiben Sie ausf\u00fchrlich den Versuch von Davisson und Germer.<\/p>\n<p>3.\u00a0\u00a0 Erkl\u00e4ren Sie, was man unter De-Broglie-Wellen versteht!<\/p>\n<p>4.\u00a0\u00a0 Wie k\u00f6nnte de-Broglie auf seine Hypothese gekommen sein?<\/p>\n<p>5.\u00a0\u00a0 Erl\u00e4utern Sie, wieso zwei konzentrische Ringe auf dem Schirm bei der Elektronenbeugung zustande kommen.<\/p>\n<p>6.\u00a0\u00a0 Bestimmen Sie f\u00fcr eine Elektronenstrahlr\u00f6hre jeweils Geschwindigkeit, Impuls und Materiewellenl\u00e4nge der Elektronen, wenn sie mit folgenden Spannungen beschleunigt wurden 3,0 kV; 4,0 kV und 5 kV!<\/p>\n<p>7.\u00a0 Beschreiben Sie mit Hilfe einer Skizze den Grundversuch zum \u00e4u\u00dferen lichtelektrischen Effekt (Hallwachs-Versuch)!<\/p>\n<p>8.\u00a0\u00a0 Erl\u00e4utern Sie die Einstein\u00b4sche Deutung des Fotoeffekts, nennen Sie die Energiebilanz.<\/p>\n<p>9.\u00a0\u00a0 Skizzieren und erl\u00e4utern Sie die Schaltung zur Gegenfeldmethode. Erkl\u00e4ren Sie die Bedeutung der Messwerte, sobald die Stromst\u00e4rke auf Null sinkt!<\/p>\n<p>10. Skizzieren Sie ein f-E<sub>kin<\/sub>-Diagramm des Fotoeffekts und erl\u00e4utern Sie es!<\/p>\n<p>11. Nennen Sie einige Schwierigkeiten, die bei der Erkl\u00e4rung des Fotoeffekts mit der traditionellen Wellentheorie des Lichts auftreten!<\/p>\n<p>12. Skizzieren Sie den Aufbau einer Vakuumfotozelle!<\/p>\n<p>13. Erkl\u00e4ren Sie, warum die Fotostromst\u00e4rke proportional zur Lichtintensit\u00e4t ist!<\/p>\n<p>14. Berechnen Sie die Ionisationsenergie einer Natriumfotozelle, die mit Licht einer h\u00f6heren Frequenz als der Grenzfrequenz von 5,5 \u2219 10<sup>14<\/sup>Hz\u00a0 bestrahlt wird!<\/p>\n<p>15.Nennen Sie Gemeinsamkeiten und Unterschiede zwischen Licht und Elektronen!<\/p>\n<p>16. Erl\u00e4utern sie die Bedeutung der Konstanten h f\u00fcr Elektronen und Licht!<\/p>\n<p>17. Leiten Sie die \u201eMasse\u201c und den Impuls von Photonen her.<\/p>\n<p>18. Bestimmen Sie die Anzahl der Photonen, die ein Laserimpuls der Wellenl\u00e4nge 630 nm und der Energie 100 J aussendet! Welchen Impuls besitzt ein Photon?<\/p>\n<p>19.\u00a0 \u2026<\/p>\n<h3>1.6. Best\u00e4tigungen und weiterf\u00fchrende Themen<\/h3>\n<p>Je nach den Vorgaben f\u00fcr die Inhalte des jeweiligen Physikabiturs k\u00f6nnen an dieser Stelle Einzel- oder Paarreferate mit Aufgaben f\u00fcr den Kurs stehen, die eine entsprechende Erweiterung und\/oder einen Ausbau der Lerninhalte bedeuten. \u00a0 Themen f\u00fcr Referate w\u00e4ren z. B.:<\/p>\n<p>1.\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0 Umkehrung des Fotoeffekts \u00fcber LEDs<\/p>\n<p>2.\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0 Nachtsichtger\u00e4te<\/p>\n<p>3.\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0 Chemische Wirkung des Lichts auf Fotopapier<\/p>\n<p>4.\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0 Die kurzwellige Grenze der R\u00f6ntgenstrahlung<sup>1<\/sup><\/p>\n<p>5.\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0 Der Comptoneffekt<sup>1<\/sup><\/p>\n<p>6.\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0 Der innere Fotoeffekt<\/p>\n<p>7.\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0 \u201eEntstehung\u201c der Quantenphysik durch die Strahlungsformel von Max Planck<\/p>\n<p>8.\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0 Das Elektronenmikroskop<\/p>\n<p>9.\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0 Paarbildung\/Paarzerstrahlung<\/p>\n<p>10.\u00a0\u00a0 Strahlungsdruck\/Photonenimpuls (Kometenschweif); Gravitationslinse &#8230; etc.<\/p>\n<p>11.\u00a0\u00a0 &#8230;<\/p>\n<p>Quellen sind insbesondere einschl\u00e4gige Lehrb\u00fccher sowie das Internet.<\/p>\n<p>Bei den Referaten sollte immer eine anschlie\u00dfende Diskussion eingeplant werden.<\/p>\n<div>________________________________<\/div>\n<div><sup>1\u00a0<\/sup>Diese Themen sind in den meisten Physik-Curricula obligatorisch, sollten also in jedem Fall bearbeitet werden.<\/div>\n<div>\n<div><\/div>\n<\/div>\n<div class=\"gpclear\"><\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<div id=\"gpAfterContent\">\n<div class=\"gpArea_ GPAREA\"><\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<p><\/p>","protected":false},"excerpt":{"rendered":"<p>Unterrichtseinheit zur Quantenphysik &#8211; Sch\u00fclermaterial &#8211; Liebe Sch\u00fclerinnen und Sch\u00fcler, Ziel dieses Sch\u00fclerprogramms ist es, dass Sie sich mit der Quantenphysik auseinandersetzen, zun\u00e4chst in\u00a0Partnerarbeit, sp\u00e4ter wiederholend und erweiternd im\u00a0Kursplenum, also vor allem aktiv im gemeinsamen Austausch, weil man davon ausgehen kann, dass damit sowohl das Verst\u00e4ndnis dieses \u00fcberaus schwierigen Stoffes als auch der Wissenserhalt gesteigert&hellip; <a href=\"https:\/\/www.milq.info\/en\/sample-page\/u-einheit_s-p-q-r\/1-elektronen-und-photonen\/\" class=\"more-link\">Continue reading <span class=\"screen-reader-text\">1. 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