Klausur Physik III, 7.3.2016 Aufg. 1/5 Aufgabe 1) In der Abbildung ist ein vereinfachtes Energieniveauschema eines Lasers dargestellt. 1. Nennen Sie die wesentlichen Prozesse, die bei der Erzeugung von Laserlicht eine Rolle spielen. 2. Berechnen Sie die Wellenlänge des Laserlichtes. 3. Dieses Licht trifft auf einen Doppelspalt, hinter dem sich ein Schirm befindet. Geben Sie eine Gleichung für den Beugungswinkel des n-ten Minimums an. 4. Berechnen Sie den Abstand der Minima 2. Ordnung auf dem Schirm. (Spaltabstand d = 0, 05 mm, Abstand zum Schirm: L = 80 cm) (Sollten Sie bei der Laserwellenlänge unsicher sein, verwenden Sie ersatzweise λ = 650 nm) 5. Welche Geschwindigkeit und kinetische Energie (in ev) müssten Elektronen haben, um das gleiche Beugungsmuster zu produzieren?
Klausur Physik III, 7.3.2016 Aufg. 2/5 Aufgabe 2) Eine Vakuumfotozelle ist mit einem Amperemeter und einer Stromquelle mit variabler Gleichspannung in Reihe geschaltet (siehe nebenstehende Skizze). Die Fotozelle wird mit Licht der Wellenlänge λ = 486 nm beleuchtet und die Fotostromstärke I F in Abhängigkeit von der Spannung U gemessen. 1. Erhöht man die Spannung, von 0 V ausgehend, so ist ab 0,271 V kein Fotostrom mehr messbar. Erklären Sie diesen Sachverhalt. 2. Die Lichtquelle wird nun näher an die Fotozelle gerückt, so dass sie mehr Intensität abbekommt. Welche Änderungen an dem oben beschriebenen Verhalten erwarten Sie? 3. Wenn man mit einer Lichtquelle mit λ = 434 nm beleuchtet, verschwindet der Fotostrom ab einem Spannungsbetrag von 0,577 V. Zeichnen Sie die Messwerte in ein geeignetes Diagramm (f gegen E kin ) und bestimmen Sie daraus die Austrittsarbeit W A und die Grenzfrequenz f G für das verwendete Kathodenmaterial. 4. Polt man die Spannung um, erhält man in Abhängigkeit der Spannung folgende Werte : U / V 0,0 1,2 2,4 3,6 4,8 6,0 7,2 I F / na 0,03 0,41 1,03 1,52 1,84 1,93 1,95 Skizzieren Sie (grob) das U I F Diagramm und erläutern Sie den Kurvenverlauf.
Klausur Physik III, 7.3.2016 Aufg. 3/5 Aufgabe 3) In einer Röntgenröhre treffen Elektronen mit der Geschwindigkeit v = 0, 3116 c auf die Anode. (Trotz dieser hohen Geschwindigkeit soll hier nichtrelativistisch gerechnet werden). Die von der Anode emittierte Strahlung wird nun mit Hilfe einer Bragg-Apparatur analysiert. Bei Verwendung eines Kristalls mit einem Netzebenenabstand von 201 pm ergibt sich die nebenstehende Intensitätsverteilung (Interferenzen erster Ordnung). 1. Berechnen sie die Frequenzen, die zu den Winkeln ϑ 0 = 7, 2 o, ϑ 1 = 8, 7 o und ϑ 2 = 10, 3 o gehören. 2. Erläutern Sie, wie sich die Intensitätsverteilung ändert, wenn der Heizstrom der Glühkathode erhöht wird. (mit Begründung) 3. Wie ändert sich die Intensitätsverteilung, wenn die Beschleunigungsspannung der Röhre erhöht wird? (mit Begründung) 4. Welcher der beiden Peaks gehört zur K α Linie? (begründen). 5. Trägt man in einem Diagramm f (f ist die Frequenz der K α -Linie) gegen die Kernladungszahl Z des Anodenmaterials auf, so liegen die Punkte nach Moseley auf einer Geraden. Zeichnen Sie die Moseley-Gerade im Bereich 30 Z 50 (Gerade durch die Eckpunkte bei Z = 30 und Z = 50) 6. Bestimmen Sie mit Hilfe des Diagramms das Material der im vorliegenden Versuch verwendeten Anode. Erläutern Sie kurz Ihr Vorgehen.
Klausur Physik III, 7.3.2016 Aufg. 4/5 Aufgabe 4) Eine Halbleiterprobe aus Germanium (E g = 0, 66 ev) zeigt eine Fermienergie, die 0,06 ev oberhalb der Valenzbandkante liegt. 1. mit welchem Element (Beispiel) könnte die Dotierung erreicht worden sein? 2. um welchen Typ Dotierung handelt es sich? n p 3. bei welcher Energie (in ev) liegt das zugehörige Niveau der Dotierung? 4. Skizzieren Sie das Energieschema. 5. mit welcher Wahrscheinlichkeit ist das Dotierungs-Niveau bei Raumtemperatur (300K) besetzt? 6. Bei welchen Wellenlängen zeigt das Absorptionsspektrum der dotierten Germaniumprobe bei T = 0K verstärkten Anstieg? (Skizze des Spektrums) 7. Falls nun T = 300K : Wo zeigt das Absorptionsspektrum verstärkten Anstieg (Skizze ergänzen)?
Klausur Physik III, 7.3.2016 Aufg. 5/5 Aufgabe 5) Zum Schutz vor γ-strahlung sollten wegen ihrer großen Reichweite in Luft geeignete Absorber verwendet werden. Für die Absorption (monoenergetischer) γ-strahlung durch Materie gilt eine exponentielle Abnahme der Zählrate Z(d), ausgehend von der Zählrate Z 0 (bei d = 0), in Abhängigkeit der Dicke d. (Analog zum Zerfallsgesetz für die Anzahl N(t) beim radioaktiven Zerfall: Dicke d analog zur Zeit t, Absorptionskoeffizient µ analog zur Zerfallskonstanten λ). 1. Daher gibt es auch hierbei eine Halbwertsdicke : welche Eigenschaft erwarten Sie vom Begriff Halbwertsdicke? 2. Zur Bestimmung der Koeffizienten sind folgende Messwerte aufgenommen worden : Bleidicke d in mm 0 4 8 13 18 Zählrate Z pro 10 min 2500 1610 1037 598 345 Ein übliches Verfahren bei exponentiellen Verläufen ist die Umrechnung zu einer Geradengleichung und Anpassung einer Geraden an die umgerechneten Messwerte. und tragen Sie die Werte in das Diagramm ein. Geben Sie die Geradengleichung an : 3. Legen Sie graphisch eine Gerade durch die Punkte und bestimmen Sie damit den Absorptionskoeffizienten µ 4. Bestimmen Sie die Halbwertsdicke d 1/2.