FK Ex 4 - Musterlösung 08/09/2015

Ähnliche Dokumente
Übungen Atom- und Molekülphysik für Physiklehrer (Teil 2)

Ferienkurs Experimentalphysik 4 WS09/10. Übung 3: Musterlösung

Ψ = Dexp( k II a) mit k II = [ 2m e (V 0 E)/ 2] 1/2

Physik im Querschnitt (nicht vertieft) Übungsblatt Atom- und Molekülphysik

Dr. Jan Friedrich Nr Z 2. E n,z = µα2 n 2, n 2 E H und r µ n = µe

Moleküle und Wärmestatistik

Ferienkurs Experimentalphysik 4

Dynamik von Molekülen. Rotationen und Schwingungen von Molekülen

Ferienkurs Experimentalphysik Übung 2 - Musterlösung

12.8 Eigenschaften von elektronischen Übergängen. Übergangsfrequenz

Ferienkurs Experimentalphysik Übung 4 - Musterlösung

Physikdepartment. Ferienkurs zur Experimentalphysik 4. Daniel Jost 09/09/15

Übungen zur Physik der Materie 1 Lösungsvorschlag Blatt 11 - Atomphysik. Aufgabe 28: Kurzfragen zur Atomphysik Teil 2

Molekulare Kerndynamik. Grundlagen

Ferienkurs der TU München- - Experimentalphysik 4 Wasserstoffatom, Feinstruktur und Atome im Magnetfeld. Jonas J. Funke

9. Moleküle. 9.1 Wasserstoff-Molekül Ion H Wasserstoff-Molekül H Schwerere Moleküle 9.4 Angeregte Moleküle. Physik IV SS

Der Gesamtbahndrehimpuls ist eine Erhaltungsgrösse (genau wie in der klassischen Mechanik).

Radiologie Modul I. Teil 1 Grundlagen Röntgen

10. Der Spin des Elektrons

Einführung in die Schwingungsspektroskopie

5. Elektronen- und Rotations- Spektren von Molekülen

7. Das Bohrsche Modell des Wasserstoff-Atoms. 7.1 Stabile Elektronbahnen im Atom

Dr. Jan Friedrich Nr

Die meisten Elemente liegen in gebundener Form als einzelne Moleküle, in Flüssigkeiten oder in Festkörpern vor.

31. Lektion. Röntgenstrahlen. 40. Röntgenstrahlen und Laser

Übungsaufgaben zur Experimentalphysik IV. X. Angeregte Zustände

Ferienkurs Experimentalphysik 4

(a) Warum spielen die Welleneigenschaften bei einem fahrenden PKW (m = 1t, v = 100km/h) keine Rolle?

Lösungen der Abituraufgaben Physik. Harald Hoiß 26. Januar 2019

27. Vorlesung EP V. STRAHLUNG, ATOME, KERNE

= 6,63 10 J s 8. (die Plancksche Konstante):

9. GV: Atom- und Molekülspektren

Lösungen zu den Aufg. S. 363/4

Hier der Rest der Bearbeitungen zu den Übungsbeispielen. Viel Erfolg beim Test!

Grundlagen der Quantentheorie

Musterlösung 02/09/2014

Leistungskurs Physik (Bayern): Abiturprüfung 2000 Aufgabe III Atomphysik

mit n =1, 2, 3,... (27) Die gesuchten Wellenfunktionen sind Sinuswellen, deren Wellenlänge λ die Bedingung L = n λ 2

Strukturaufklärung (BSc-Chemie): Einführung

Ferienkurs Experimentalphysik Lösung zur Übung 2

z n z m e 2 WW-Kern-Kern H = H k + H e + H ek

9. GV: Atom- und Molekülspektren

Physik IV - Schriftliche Sessionsprüfung SS 2008

SS 2015 Supplement to Experimental Physics 2 (LB-Technik) Prof. E. Resconi

14. Atomphysik. Inhalt. 14. Atomphysik

14. Atomphysik Aufbau der Materie

Physik für Maschinenbau. Prof. Dr. Stefan Schael RWTH Aachen

Ferienkurs Experimentalphysik 3

Übungen zur Experimentalphysik 3

A. Mechanik (18 Punkte)

Lk Physik in 13/1 2. Klausur aus der Physik Blatt 1 (von 2)

14. Atomphysik Physik für E-Techniker. 14. Atomphysik

27. Wärmestrahlung. rmestrahlung, Quantenmechanik

Spezialfall m 1 = m 2 und v 2 = 0

Musterlösung Übung 9

Übungen zur Vorlesung Physikalische Chemie 2 (B. Sc.) Lösungsvorschlag zu Blatt 12

UNIVERSITÄT BIELEFELD

Die Rotationsterme werden im Folgenden wegen der geringen Auflösung des Gerätes nicht weiter betrachtet. Für kleine Schwingungsamplituden gilt näherun

Das Wasserstoffatom Energiestufen im Atom

22. Wärmestrahlung. rmestrahlung, Quantenmechanik

Klausur -Informationen

Ferienkurs Experimentalphysik 4

Vorlesung Allgemeine Chemie (CH01)

Klausur Bachelorstudiengang Prüfung Modul Physikalische Chemie und Thermodynamik. Teil 1: Physikalische Chemie

FK Experimentalphysik 3, Lösung 4

Ferienkurs Experimentalphysik Probeklausur - Musterlösung

Elektromagnetische Wellen

27. Wärmestrahlung. rmestrahlung, Quantenmechanik

PHYSIK. Studienbrief Moleküle. AUTOR: Dr. Johannes Bernardi

Vorlesung 9: Roter Faden: Franck-Hertz Versuch. Emissions- und Absorptionsspektren der Atome. Spektren des Wasserstoffatoms. Bohrsche Atommodell

Analyse von Röntgenspektren bei unterschiedlicher Anodenspannung

Probeklausur Musterlösung

In der Abbildung ist ein vereinfachtes Energieniveauschema eines Lasers dargestellt.

Bachelorprüfung zur Physik I und II

Thema heute: Aufbau der Materie: Das Bohr sche Atommodell

Physik für Mediziner im 1. Fachsemester

H LS = W ( r) L s, (2)

Physik 4, Übung 6, Prof. Förster

Einführung in die Astronomie und Astrophysik I

Versuch A05: Bestimmung des Planck'schen Wirkungsquantums

Jetzt noch die Strahlung aus der Elektronenhülle. Hüllenstrahlung. Kein Radioaktiver Zerfall. Kapitel 4 1

ǫ 0 = µ 0 = 4π 10 7 kg m c = m s h = m 2 kg e = C Aufgabenbereich Professor Dr. O. Dopfer Tobias F.

Röntgenstrahlen. Röntgenröhre von Wilhelm Konrad Röntgen. Foto: Deutsches Museum München.

Physik für Mediziner im 1. Fachsemester

Klausurinformation. Sie dürfen nicht verwenden: Handy, Palm, Laptop u.ae. Weisses Papier, Stifte etc. Proviant, aber keine heiße Suppe u.dgl.

Physik 4, Übung 12, Prof. Förster

Schriftliche Leistungsüberprüfung PC/CBI

Röntgenstrahlung (RÖN)

Lösung zur Klausur

8 Das Bohrsche Atommodell. 8. Das Bohrsche Atommodell

Vorlesung 9: Roter Faden: Wiederholung Quantisierung der Energien in QM. Franck-Hertz Versuch. Emissions- und Absorptionsspektren der Atome

Elemente der Quantenmechanik III 9.1. Schrödingergleichung mit beliebigem Potential 9.2. Harmonischer Oszillator 9.3. Drehimpulsoperator

Leistungskurs Physik (Bayern): Abiturprüfung 2004 Aufgabe III Atomphysik

Anfängerpraktikum D11 - Röntgenstrahlung

PN 2 Einführung in die Experimentalphysik für Chemiker

An welche Stichwörter von der letzten Vorlesung können Sie sich noch erinnern?

Physik IV - Schriftliche Sessionsprüfung Sommer 2009

Periodensystem, elektromagnetische Spektren, Atombau, Orbitale

Transkript:

FK Ex 4 - Musterlösung 08/09/2015 1 Spektrallinien Die Natrium-D-Linien sind emittiertes Licht der Wellenlänge 589.5932 nm (D1) und 588.9965 nm (D2). Diese charakteristischen Spektrallinien entstehen beim Übergang eines Elektrons von 3 2 P 1/2 (D1) bzw. 3 2 P 3/2 (D2) auf 3 2 S 1/2. Betrachten Sie Natrium dabei als ein Ein-Elektronen-System. (a) Skizzieren Sie die Aufspaltung der Energieniveaus in einem schwachen Magnetfeld und geben Sie diese in Einheiten µ B B an. (b) Zeichnen Sie alle erlaubten Übergänge ein. (c) Wie stark muss das Magnetfeld sein, damit der energetische Abstand des niedrigsten Zustands des 3 2 P 3/2 und des höchsten Zustands von 3 2 P 1 /2 90 % der Feinstrukturaufspaltung dieser beiden Zustände ( E FS = 3 10 22 J) beträgt? Lösung: (a) Bei genügend schwachem Magnetfeld ist die entsprechende Aufspaltung viel geringer als die Feinstrukturaufspaltung und gegeben durch die Korrektur E Zeeman = g j µ B m j B 1

mit dem Landé-Faktor g j = 3j(j + 1) l(l + 1) + s(s + 1) 2j(j + 1) Für die Niveaus 3 2 S 1/2, 3 2 P 1/2, 3 2 P 3/2 ist jeweils g s1/2 = 2, g P1/2 = 2/3, und g P3/2 = 4/3. Die Dipolübergängsregeln lauten: l = ±1, j = 0, ±1, m j = 0, ±1 (b) Skizze. (c) Der energetische Abstand der beiden Zustände (3 2 P 3/2, m j = 3/2) und (3 2 P 1/2, m j = 1/2) ist gegeben durch: E = E FS 1 2 g P 1/2 µ B B 3 2 g P 3/2 µ B B = E FS 7 3 µ BB B = 3 70 2 Energiezustände im Heliumatom E FS µ B 1.38 T Skizzieren Sie das Energiespektrum im Para- und Orthohelium für S, P, D und F. Welche Feinstruktur beobachtet man beim Para-Helium? Welche Hauptquantenzahl hat der niedrigste Energiezustand? 2

Lösung Hauptquantenzahlen der niedrigsten Energiezustände im Parahelium sind n = 1, 1 S 0 und im Orthohelium n = 2, 3 S 1. Der Zustand 1s 2 fehlt im Orthohelium wegen des Pauliverbots. 3 Röntgenabsorptionsspektrum Im Röntgenabsorptionsspektrum von Ag liefern die Absorptionskanten an den folgenden Stellen: K-Kante: 0.485 Å, L I : 3.25 Å, L II : 3.51 Å, L III :3.69 Å. (a) Sichen Sie das niedrigstmögliche Z, dessen K α -Strahlung in A g Photoelektronen aus der K-Schale freimachen kann. Welche kinetischen Energien haben dabei die aus der L-Schale frei werdenden Photoelektronen? (b) Was sind alle möglichen Folgeprozesse der Ionisation eines K-Elektrons? Beschreiben Sie diese kurz. 3

Lösung: (a) Das K-Niveau liegt bei 25.5 kev, L II bei 3.5 kev und L III bei 3.4 kev. Für das gesuchte Z muss E Kα gleich oder größer 25.5 kev sein: E Kα = R(Z 1) 2 ( 1 1 2 1 2 2 ) Das ergibt Z = 51. Die Energie der Photoelektronen aus der L-Schale bei Einstrahlung von 25.5 kev ist damit: E kin = E Kα E LI = 21.7 kev E Kα E LII = 22.0 kev E Kα E LI = 22.1 kev (b) Mögliche Folgeprozesse auf ein Loch in der K-Schale sind: Emission der Röntgen- K-Serie Auger-Prozess Das primäre Loch der K-Schale kann auch gefüllt werden, ohne dass Röntgenstrahlung auftritt. Ein Elektron aus der L-Schale geht über in die K-Schale und die Energie wird dabei einem anderen L-Elektron übertragen. Sie reicht aus, damit es das Atom mit kinetischer Energie verlassen kann. Dieser strahlungslose Prozess heißt Auger-Prozess. 4 Röntgenspektren (a) Ein Strahl Elektronen wird mit der Spannung U beschleunigt und trifft auf eine Wolframplatte. Wie sieht das beobachtete Spektrum (qualitativ) aus? Erklären Sie die einzelnen Bestandteile. Gibt es eine minimale Wellenlänge? (b) Gibt es einen Konkurrenzprozess zur Emission von Photonen? Lösung (a) Allgemein: Elektronen ändern ihre Geschwindigkeit beim Durchlauf des Coulombfeldes der positiv geladenen Atomkerne. Nach den Gesetzen der klassischen Elektrodynamik sendet ein geladenens Teilchen elektromagnetische Strahlung aus, wenn es beschleunigt wird. Das typische Bremsspektrum ist kontinuierlich, die Elektronen durchlaufen keine quantisierten oder/und gebundenen Zustände. 4

Um die abgestrahlte Energie verringert sich die kinetische Energie des Elektrons. Das Bremsspektrum hat eine minimale Wellenlänge λ min, das ist die gesamte kinetische Energie, die das einfallende Elektron in einem einzigen atomaren Bremsvorgang verlieren kann. Die maximale kinetische Energie wird durch die Spannung U der Röntgenröhre bestimmt. Die Peaks im Spektrum nennt man charakteristische Linien und entstehen durch Innerschalenanregung, d.h. ein Elektron aus den innersten SChalen wird in den nichtgebundenen Kontinuumszustand herausgelöst. Das entstehende Loch in der inneren Schale kann durch ein Elektron aus der äußeren Schale aufgefüllt werden. b Ein alternativer Prozess statt Emission eines Röntgenquants ist, dass die frei werdende Energie ein weiteres Elektron aus einer höheren Schale herauslöst. Diese Elektronen heßen Auger-Elektronen. 5 Molekülrotationen Die Rotationsbewegung eines 2-atomigen Moleküls kann man sich vorstellen als ebene Rotation einer Hantel um eine festgehaltene Achse durch den Massenmittelpunkt, die senkrecht auf der Hantelachse steht. (a) Leiten Sie aus der Voraussetzung, dass der Betrag des Drehimpulses quantisiert ist und die Werte L = l(l + 1) h annehmen kann, die quantisierten Niveaus der Rotationsenergie des Moleküls ab. (b) Für Strahlungsübergänge zwischen den Rotationsniveaus eines 2-atomigen Moleküls gilt die Auswahlregel l = ±1. Zeigen Sie, dass das Rotationsspektrum eines 2-atomigen Moleküls aus äquidistanten Linien besteht, deren Frequenzen um ν = h/(4π 2 I) auseinanderliegen, wobei I das Trägheitsmoment des Moleküls ist. (c) Der Frequenzabstand benachbarter Linien im Rotationsspektrum von 35 Cl 19 F wird zu 11.2 GHz gemessen. Bestimmen Sie den Abstand der beiden Atome. Außer der Rotationsbewegung können Atome in einem 2-atomigen Molekül auch Schwingungen gegeneinander entlang ihrer Verbindungslinie ausführen, die für niedrige Energien näherungsweise harmonisch sind. Die zugehörigen 5

quantisierten Energieniveaus sind durch E = (n + 1/2) hω 0 gegeben, mit der Oszillatorfrequenz ω 0. (d) Infrarotes Licht der Wellenlänge 3.465 µm wird von HCl-Gas sehr stark absorbiert. Bestimmen Sie die Federkonstante des HCl-Moleküls. Wie viel Schwingungsenergie enthält ein Mol HCl am absoluten Nullpunkt. Es gilt die Auswahlregel n = ±1. Lösung: (a) Bei der Drehung eines starren Körpers mit der Winkelgeschwindigkeit ω um eine Achse mit Trägheitsmoment I ist die Rotationsenergie E = 1 2 Iω2 und der Drehimpuls L = Iω Also ist die Rotationsenergie in Abhängigkeit vom Drehimpuls E = L2 Mit der Quantisierung des Drehimpuls erhält man insgesamt: E = l(l + 1) h2 (b) Beim Übergang vom Niveau l in das Niveau l wird ein Photon mit der Frequenz ν = E h = 1 h (l (l 1) l(l + 1)) h2 emittiert. Da l = l 1 ist, wird dies zu h2 ν = 4π 2 ((l 1)l l(l + 1)) = h h Also ist der Abstand der Spektrallinien wie behauptet. ν = h 4π 2 I l 4π 2 I l 6

(c) Aus dem gemessenen Frequenzabstand ν ergibt sich das Trägheitsmoment des Moleküls I = h 4π 2 ν Um daraus und aus den Massen der Atome auf den Abstnad der Atome rückschließen zu können, muss man zunächst bei gegebenen Massen m 1, m 2 und Abstand r 0 das Trägheitsmoment für Drehungen um den Massenmittelpunkt berechnen : I = m 1 r 2 1 + m 2r 2 2 Dabei ist r 1 der Abstand zwischen m 1 und dem Massenmittelpunkt, entsprechend für m 2. r 1 und r 2 sind bestimmt durch also r 1 = m 1 r 1 = m 2 r 2, r 1 + r 2 = 0 m 2 m 1 + m 2 r 0, r 2 = Einsetzen in die Gleichung für I ergibt: I = m 1m 2 m 1 + m 2 r 2 0 = µr 2 0 m 1 m 1 + m 2 r 0 bzw. Im Ganzen also r 0 = (m 1 + m 2 )I m 1 m 2 r 0 = 1 (m 1 + m 2 )h = 2.71 10 10 m 2π m 1 m 2 ν (d) Die Differenz der Energieniveaus des harmonischen Oszillators ist E = hω 0. Setzt man dies gleich der Energie des Protons der Wellenlänge λ, so ist h c λ = h 2π ω 0 dann kann man dies nach ω 0 auflösen, wenn λ bekannt ist. ω 0 = 2π c λ 7

Die gesuchte Federkonstante K ergibst sich nun aus der Schwingungsfrequenz ω 0 des Oszillators und seiner Masse. Da es sich hier um 2 gegeneinander schwingende Atome der Massen m 1 bzw. m 2 handelt, muss man die reduzierte Masse µ verwenden, also K = µω0 2 = 4π 2 m H + m Cl c 2 = 476 N/m m H m Cl λ2 Die Schwingungsenergie von 1 mol HCl am absoluten Nullpunkt ist E = N A ɛ mit Avogadrokonstante N A und Nullpunktsenergie ɛ = 1 2 hω 0 eines harmonischen Oszillators. Wegen ω 0 = 2πc λ 6 Déjà-vu 1 E = N A 2 h2πc λ = N Ahc = 17.3 kj 2λ HCl-Damps absorbiert Licht bei folgenden Wellenzahlen k : 20, 40, 60 cm 1... ist also im Ganzen: Zwischen diesen Linine tritt keine Absorption auf. Ordnen Sie diesen Absorptionslinien die dazugehörigen J-Werte zu, bestimmen Sie das Trägheitsmoment und schätzen Sie daraus den Abstand der beiden Atomkerne (1 H, 35 Cl ab. Lösung: Die Rotationsenergiezustände sich gegeben mit: Der Abstand von J nach J + 1 ist E J = h2 J(J + 1) = E J+1 E J = h2 2(J + 1) Hier bedeutet J also die Quantenzahl, welche zum tieferliegenden Term gehört. Somit erhält man: J = 0 J = 1 : E = 2 h2 8

J = 1 J = 2 : E = 4 h2 J = 2 J = 3 : E = 6 h2 J = 3 J = 4 : E = 8 h2 Man erkennt an den gegebenen Werten ν die dazugehörigen J-Werte: Für k = 20 der Übergang J = 0 1 usw. I ist offensichtlich bei allen J-Werten konstant. Mit k = k /c = E/(hc) wird z.b. 20 cm 1 = 1 2 h 2 hc, also I = 2.78 10 47 kgm 2 Die Rotation erfolgt um den gemeinsamen Schwerpunkt (Abstand des H der Masse m 1 vom Schwerpunkt sei r 1 bzw. Cl m 2, r 2 ), dann I = m 1 r 2 1 + m 2r 2 2 und r 1 = r 2 m 2 /m 1. Für 3 5Cl ist m 2 /m 1 = 1/35. Auflösen nach r 2 r 2 = 1.27 10 10 m und r 1 + r 2 1.3 Å. 9