Klausur 2 Kurs 13PH13 Physik Lk Lösungsblatt

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1 Klausur 2 Kurs 13PH13 Pysik Lk Lösungsblatt 1 Versuc 1: In einer Vakuumröre (Triode) werden die aus einer Glükatode austretenden Elektronen durc eine variable Spannung zwiscen Glüdrat und Gitter bescleunigt und durc eine fest eingestellte Gegenspannung zwiscen Gitter und Anode abgebremst (siee Zeicnung). Der aus der Anode austretende Strom wird in Abängigkeit von der Spannung zwiscen Katode und Gitter gemessen. Abbildung 1 zeigt den Messgrap. Das umrandete Gebiet zeigt den Teil des Grapen, der in Abbildung 2 eingefügt ist. Versuc 2: Mit einer baugleicen Röre, die aber Helium entält, wird dieser Versuc unter gleicen Bedingungen wiederolt. Abbildung 2 zeigt den Messgrap. Zum Vergleic ist ein Teil des Messgrap zum Versuc 1 in die Darstellung mit übernommen (siee Bemerkung oben). a) Erläutern Sie unter Bezug auf die Spannungswerte, wie die Kurve in Abbildung 1 zu Stande kommt. bis 6V: keine Intensität, weil die Gegenspannung größer ist als die Bescleunigungsspannung. 6V bis 18V: Der Anstieg der Intensitätskurve erfolgt, weil bei größer werdender Bescleunigungsspannung immer mer Elektronen zur Anode kommen können und immer weniger Elektronen vom Gitter absorbiert werden. ab 18V: naezu alle Elektronen werden an der Anode gesammelt. Der leicte Abfall der Kurve ab 30V könnte damit zusammenängen, dass die Elektronen an der Anode vorbeifliegen und auf das Glas treffen und somit der Messung verloren geen. b) Geben Sie unter Bezug auf die Spannungswerte eine vollständige Deutung der Messkurve des Versucs 2. bis 6V: siee oben bei a) bis ca. 24V: langsamer Anstieg: immer mer Elektronen gelangen zur Anode, viele verlieren aber auc Energie durc elastisce Stöße mit den Helium-Teilcen Klausur 2 Kurs 13PH13 Pysik Lk Seite 1/5

2 24V bis 28V: inelastisce Stöße mit He-Atomen. Die Elektronen verlieren dabei Energie und können nict mer zur Anode gelangen. 28V bis 42V: Die Elektronen können wieder Energie sammeln und gelangen desalb wieder vermert zur Anode. ab 42V: Elektronen können zum 2.Mal He-Atome anregen, verlieren dabei Energie und gelangen desalb nict zur Anode. c) Bescreiben Sie die Untersciede der beiden Messgrapen und erklären Sie das Zustandekommen der Abweicungen. - Grap 1 steigt von 6V bis 10V wesentlic steiler an als Grap 2, weil bei Versuc 1 gegenüber Versuc 2 keine He-Atome in der Röre sind, durc die die Elektronen auf Grund elastiscer Streuung Energie verlieren könnten. - Das möglice Maximum wird im Versuc 2 bis 50V nict erreict, da immer noc viele Elektronen Energie durc inelastisce und elastisce Stöße verlieren und somit nict zur Anode gelangen können. Benutzen Sie zur Beantwortung der folgenden Fragen das rects abgebildete Termscema des Heliums. (Acten Sie darauf, dass die senkrecte Acse zwiscen -5eV und -24eV gekürzt worden ist! Dort ist kein Energieniveau voranden.) d) Die Zalenwerte für die erlaubten Übergänge zwiscen den Energieniveaus an den scrägen Linien geben Wellenlängen in Nanometer an. Berecnen Sie die Wellenlänge beim Fragezeicen. Die Energiedifferenz zwiscen den Niveaus bei? beträgt etwa 2,56eV. Es gilt: e U f c = = λ = c = 484,3nm λ e U e) Welcer abgebildete Übergang ist für das Zustandekommen der Messkurve zuständig? Antwort mit Recnung und Begründung. Die Spannungs-Differenz zwiscen den Maxima beträgt etwa 42V-24V=18V. Alle Übergänge steen für Energiedifferenzen unter 4eV und über 21eV. Der Energie 18eV kommt der Übergang mit 58,43nm (das entsprict 21,2eV) am näcsten. Warum ist der Wert 18eV zu klein? Wenn man die Differenz zwiscen den Mitten der abfallenden Kurventeile betractet, berücksictigt man die Stellen, an denen die meisten Elektronen an inelastiscen Stößen beteiligt sind. Dort gilt: 47V-27V=20V. Dieser Wert deutet darauf in, dass der Übergang vom Grundzustand zum erstmöglicen angeregten Zustand für den beobacteten Effekt zuständig ist. f) Würde man im Dunkeln beim Versuc eine Leuctersceinung seen können? Wenn ja, welce Farbe ätte dann das Lict? Antwort mit Begründung. Der zum Versuc geörende Übergang erzeugt UV-Lict und damit kein sictbares Lict. Aber bei öeren Spannungen können auc die anderen Energieübergänge beteiligt sein. Die bescrifteten Übergänge erzeugen 1-mal violettes, 4-mal blaues und 2-mal rotes Lict. Es felen grüne und gelbe Anteile. g) Wie könnte der Messgrap von Versuc 2 ausseen, wenn man die Bescleunigungsspannung weit über 50V eröen würde Klausur 2 Kurs 13PH13 Pysik Lk Seite 2/5

3 Skizzieren Sie den Grap und kommentieren Sie den Verlauf in allen Einzeleiten. Es könnten in regelmäßigen Abständen von ca. 21V weitere Maxima auftreten. Irgendwann wäre dann die Energie so groß, dass Ionisation vermert auftritt, was die Ladungsträgerzal vervielfact und zu einem starken Anstieg der Kurve one weitere Maxima und Minima fürt. Der genaue Verlauf der Kurve ängt aber stark von der Anzal der vorandenen He-Teilcen ab. 2 Bei einer Fotozelle bestet das Metall, aus dem die Elektronen ausgelöst werden, aus Kalium. Die Auslösearbeit dieses Materials beträgt 2,25eV. a) Berecnen Sie, welce Spannung violettes Lict mit der Wellenlänge 356nm in dieser Fotozelle erzeugt. e U f W U c W = A = e λ e A 1, 23V Bei einer anderen Fotozelle erzeugt UV-Lict der Wellenlänge 330nm die selbe Spannung. b) Berecnen Sie die Auslösearbeit des in dieser Fotozelle befindlicen Materials. Zunäcst wird der Unterscied der Potonenenergien berecnet: W W c c = = c = 0, 27eV λ λ λ λ Da die Potonenenergie um 0,27eV größer ist als bei a) ist auc die Auslösearbeit um diesen Betrag größer: WA = 2, 25eV + 0, 27eV = 2, 52eV 3 a) Geben Sie an, warum das Borsce Atommodell den Gesetzen der klassiscen Pysik widersprict. In der klassiscen Pysik gäbe es nict nur einzelne Banen, sondern unendlic viele Banen. Die Banen wären nict stabil, da die Elektronen auf Grund der Kreisbewegung Energie abstralen würden und damit auf immer engeren Banen zum Kern in fallen würden. b) Bescreiben Sie, was mit einem Atom gesceen würde, das nur den Gesetzen der klassiscen Pysik georcen würde. Da die Elektronen auf den Kern fallen würden, ätten Atome so wie wir sie kennen nur eine ser kurze Lebensdauer Klausur 2 Kurs 13PH13 Pysik Lk Seite 3/5

4 4 Selbst bei Aufnamen mit Hocgescwindigkeitskameras seen scnell bewegte Gegenstände oft ser unscarf aus. Diskutieren Sie, ob das mit der Heisenbergscen Unscärferelation zu erklären ist. Berecnen Sie als Beispiel dazu die Ortsunscärfe einer Gewerkugel der Masse 3g, die sic mit genau 250m/s bewegt. Die Kugel at den Impuls p = m v = 0, 75 s. Aus der Gleicung x px folgt, dass die Ortsunscärfe 4π größer wird, wenn die Impulsunscärfe kleiner wird.nimmt man also eine minimale Impulsunscärfe an, kann man auf Grund der Ortsunscärfe abscätzen, ob die unscarfen Bilder iren Ursprung in der Heisenbergscen Unscärferelation aben könnten. Anname: p x = 0, 005 1, m s 4π 0, 005 Diese Ortsunscärfe ist nict s beobactbar.selbst eine Impulsunscärfe, die um Zenerpotenzen kleiner wäre, bräcte keinen Verwiscungseffekt auf Fotos. 5 Statt Röntgenlict wie im Unterrict durcgefürt mit Bragg-Reflexion zu untersucen, kann man auc einen Kristall zu körnigem Pulver zermalen, das Röntgenlict durc dieses Pulver fallen lassen und das Röntgenlict danac mit Hilfe eines fluoreszierenden Scirms (albkugelförmig) sictbar macen. Das Pulver wirkt dabei so, als ätte man unzälige Kristalle in allen möglicen Orientierungen in den Stralengang eingefügt. Bescreiben Sie die Leuctersceinung auf dem Scirm und geen Sie auc besonders auf die Änderungen ein, die sic ergeben, wenn man die Bescleunigungsspannung der Röntgenröre variiert. Die zu beobactende Ersceinung ist dresymmetrisc. In der Mitte ist ein eller Punkt zu seen, der durc dir Röntgenstralen verursact wird, die one Beugung das Kristallpulver durcdringen.darum erum ist eine dunkle Zone voranden. Grund: Da es entsprecend der Energie der Röntgenstralen eine kleinste Grenzwellenlänge gibt, gibt es auc einen kleinsten Grenzwinkel, unter dem die Röntgenstralen bebeugt werden können: W e U f c Röntgen = = grenz = λ Bragg-Bedingung: 2 d sinϑ grenz = k λgrenz grenz Außen ist ein eller Bereic zu seen, dessen Leuctintensität bei größer werdendem Radius durc die Kurve gegeben ist,. die man erält, wenn man die Intensität der Bragg-Streuung bei versciedenen Winkeln misst. Je nac Bescleunigungsspannung ändert sic der Durcmesser des dunklen Bereics: Bei öeren Spannungen wird er kleiner, bei kleineren Spannungen größer. Formeln: W = e U W = f W = 1 2 m v λ c = λ = λc ( 1 cos β) m0 c 2 c = f λ E t 4 π x px 4 π tanα = Gegenkatete Ankatete 1 f t 4 π sinα = Gegenkatete Hypotenuse f = f mit f Hz sinα tanα für α < 10 0 Ry 2 2 Ry = 3, m n Diese Formeln dürfen so benutzt werden, alle anderen Formeln müssen ergeleitet werden Klausur 2 Kurs 13PH13 Pysik Lk Seite 4/5

5 Vakuumröre Abbildung 1: Vakuumröre Abbildung 2: mit Helium gefüllte Röre Klausur 2 Kurs 13PH13 Pysik Lk Seite 5/5