Licht als Teilchenstrahlung

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Hansi Schulz
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Der Photoeffekt: die auf die Materie einfallende Strahlung löst ein Elektron aus. Es gibt eine Grenzfrequenz, welche die Strahlung haben muss, um das Atom gerade zu ionisieren.

08 1 c 1 ε = hf = h = A + E kin = A + mv λ ε, f,λ: Energie, Frequenz, Wellenlänge des Photons Elektronenvolt als Energieeinheit: (elektrische Arbeit)=(Ladung)x(Spannung) W = e x 1 V = 1.

6x10-19 J Einstensche Gleichung A: Austrittsarbeit (Ionisationsenergie), h= Plancksche Konstante 1 E mv kin = : kinetische Energie des ausgelösten Elektrons A hf Gr = A, fgr = f h Gr : Grenzfrequenz

Mittelwellen 30 MHz 10 m Kurzwellen elektrische Generatoren 300 MHz 1 m Ultrakurzwellen 3 GHz 100 mm Dezimeterwellen 30 GHz 10 mm Zentimeterwellen 300 GHz 1 mm 0.01 ev 3 THz 100 um 0.

1 Der Photoeffekt: die auf die Materie einfallende Strahlung löst ein Elektron aus. Es gibt eine Grenzfrequenz, welche die Strahlung haben muss, um das Atom gerade zu ionisieren. Licht als Teilchenstrahlung (äusserer Photoeffekt) Interpretation: Teilchenstrahlung, Energiequantum: Photon KAD c 1 ε = hf = h = A + E kin = A + mv λ ε, f,λ: Energie, Frequenz, Wellenlänge des Photons Elektronenvolt als Energieeinheit: (elektrische Arbeit)=(Ladung)x(Spannung) W = e x 1 V = 1.6x10-19 C x 1 V = 1.6x10-19 J Einstensche Gleichung A: Austrittsarbeit (Ionisationsenergie), h= Plancksche Konstante 1 E mv kin = : kinetische Energie des ausgelösten Elektrons A hf Gr = A, fgr = f h Gr : Grenzfrequenz 3 Energie Frequenz Wellenlänge Bezeichnung Emissionsquelle 30 Hz 10 4 km 300 Hz 10 3 km niederfrequente Wellen Generatoren der Industrie 3 khz 10 km 30 khz 10 km Langwellen 300 khz 1 km 3 MHz 100 m Mittelwellen 30 MHz 10 m Kurzwellen elektrische Generatoren 300 MHz 1 m Ultrakurzwellen 3 GHz 100 mm Dezimeterwellen 30 GHz 10 mm Zentimeterwellen 300 GHz 1 mm 0.01 ev 3 THz 100 um 0.1 ev 30 THz 10 um Infrarotstrahlen Strahlung heisser Körper 1 ev 300 THz 1 um 10 ev 3 PHz 100 nm sichtbares Licht Energieumsatz in der 100 ev 30 PHz 10 nm Ultraviolettstrahlung Atomhülle 1 kev 300 PHz 1 nm 10 kev 3 EHz 100 pm Abbremsung von Elektronen 100 kev 30 EHz 10 pm Röntgenstrahlen im Kernfeld 1 MeV 300 EHz 1 pm 10 MeV 3x10 1 Hz 100 fm 30x10 1 Hz 10 fm Gammastrahlen Energieumsatz im Atomkern 300x10 1 Hz 1 fm 3x10 4 Hz 100 am Elementarteilchen und deren 30x10 4 kosmische Strahlung Hz 10 am Zerfallsprodukte Radiowellen µw 4

Strahlung: Energie wird transportiert (Energiestrahlung) Energie, E [E] = J (Joule) Energiestrom = Leistung P = E t [P] = W (Watt) E: die

(senkrecht zur Richtung der Strahlung) 5 6 Spektrum als eine spezielle Häufigkeitsverteilung h: Körpergrösse H: akrobatische Höhe, kollektive

Verteilung): wie bekommen wir etwas aus der Teilen (Quanten) H: akrobatische Grösse, kollektive Grösse n h (1/10 cm) H h 0 4 6 0 50 100 10cm

2 Strahlung: Energie wird transportiert (Energiestrahlung) Energie, E [E] = J (Joule) Energiestrom = Leistung P = E t [P] = W (Watt) E: die transportierte Energie während der Zeitspanne t Energiestromdichte =Leistungsdichte = Intensität [J] = W/m J = P A = 1 A E t A: die Fläche (senkrecht zur Richtung der Strahlung) 5 6 Spektrum als eine spezielle Häufigkeitsverteilung h: Körpergrösse H: akrobatische Höhe, kollektive Höhe, Gesamthöhe (absolute) Häufigkeitsverteilung der Körpergrösse h: Klassenbreite Fläche: n, Anzahl der Personen Spektrum (spektrale Verteilung): wie bekommen wir etwas aus der Teilen (Quanten) H: akrobatische Grösse, kollektive Grösse n h (1/10 cm) H h cm *1/10cm = 1 n: Anzahl der Daten Körpergrösse, h (cm) 10cm *16.5 = 165 cm Körpergrösse, h (cm) H 1 05 cm 7 8

Emissionsspektrum: wie verteilt sich die gesamte emittierte Energie über die

Leistung) Benützung der Wellenlänge ist bequemer als die der Photonenenergie E ε E / ε 0

Eintrittsspalt, fokusierbarer Spiegel, Dispersionselement (Amplitudengitter, Prisma)

eines Prismenmonochromators bei einem Temperaturstrahler (z. B.

3 Emissionsspektrum: wie verteilt sich die gesamte emittierte Energie über die Photonenenergien charakteristische Grösse der Energietransport: Intensität (manchmal die Leistung) Benützung der Wellenlänge ist bequemer als die der Photonenenergie E ε E / ε Photonenenergie, ε E λ Monochromator Lichtquelle, Eintrittsspalt, fokusierbarer Spiegel, Dispersionselement (Amplitudengitter, Prisma) Ausgangsspalt, Detektor (SEV) 9 10 Entstehung eines kontinuierlichen Spektrums mittels eines Prismenmonochromators bei einem Temperaturstrahler (z. B. Glühlampe) Entstehung eines Linienspektrums mittels eines Prismenmonochromators bei mit elektrischem Strom angeregtem Niederdruck-Wasserstoffgas 11 1

Photodetektor Beispiel: SEV (Sekundärelektronenver vielfacher) = PMT

Sonne, Glühlampe (Siehe: Temperaturstrahlung.

Die Atome des Niederdruck-Wasserstoffgases bewegen sich unabhängig

4 Photodetektor Beispiel: SEV (Sekundärelektronenver vielfacher) = PMT Kontinuierliches Spektrum erhitzte Festkörper und Flüssigkeiten, z. B. Sonne, Glühlampe (Siehe: Temperaturstrahlung. Thermographie) Emission von Wasserstoff Linienspektrum angeregte Atome, z. B. Na-Linie bei 590 nm ein Teil des Emissionsspektrums von Argon Plasma Die Atome des Niederdruck-Wasserstoffgases bewegen sich unabhängig voneinander. Entsprechend den Unterschieden der Energieniveaus emittieren sie Photonen bestimmter Wellenlängen, es entsteht ein Linienspektrum 15 λ, nm 16

Bandenspektrum f (aus vielen sehr dicht liegenden Linien): angeregte Moleküle z. B. Mioglobin (ohne Eisen) Spektren von Niederdruck-, Hochdruck- und Höchstdruck- Quecksilberdampflampen.

14000 14500 15000 15500 16000 16500 f, cm -1 ~ Photonenenergie 600 650 700 λ, nm 17 18 Information aus dem Emissionsspektrum Messung des Emissionsspektrums Fläche unter der Kurve:

5 Bandenspektrum f (aus vielen sehr dicht liegenden Linien): angeregte Moleküle z. B. Mioglobin (ohne Eisen) Spektren von Niederdruck-, Hochdruck- und Höchstdruck- Quecksilberdampflampen. Man beachte, dass die Spektrallinien mit zunehmendem Druck an Zahl zunehmen bzw. sich zu Banden verbreitern! f, cm -1 ~ Photonenenergie λ, nm Information aus dem Emissionsspektrum Messung des Emissionsspektrums Fläche unter der Kurve: quantitative Analyse Konzentrationsbestimmung Lumineszenzspektren von aromatischen Aminosäuren (Rontó-Tarján, Abb. 4.15) Position der Spitze: qualitative Analyse Substanz, Zusammensetzung, Struktur! Prinzipieller Aufbau des Spektrometers und Aufzeichnung des Spektrums 19 0

6 Quantitative Analyse Flammenfärbung Prinzipieller Aufbau des Flammenphotometers 1 Qualitative Analyse Flammenfärbung Aufbau des Handspektroskops Na Sr Li Ca K 3 4

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