Physik Jahrgangsstufe 12 Grundwissen: 12.1 Eigenschaften vn Quantenbjekten Überblick B. S. 35 Teilchencharakter vn Phtnen Phteffekt, Deutung nach Einstein, Auslösearbeit, Grenzfrequenz Energiebilanz des Phteffekts: In Verbindung mit dem Diagramm (Einsteingerade) ergeben sich flgende Zusammenhänge: ; Energie und Impuls des Phtns Phtnen sind Quantenbjekte mit Energie und Impuls. Sie haben Teilchencharakter. Energie des Phtns Masse des Phtns Impuls des Phtns Wellencharakter vn Elektrnen Bei Bestrahlung vn Kristallen mit Elektrnen tritt Interferenz auf. Elektrnen haben Wellencharakter. Zusammenhang zwischen Impuls und Wellenlänge nach de Brglie Quantenbjekten kann eine Wellenlänge zugerdnet werden (de-brglie-wellenlänge) Dppelspalt- der Gitterversuche technische Anwendung, z. B. Prinzip des Elektrnenmikrskps Beschreibung des Verhaltens vn Quantenbjekten Wahrscheinlichkeitsaussagen zu Interferenzversuchen mit einzelnen Quantenbjekten Das Verhalten einzelner Quantenbjekte kann in der Regel nicht vrausgesagt werden. Für eine größere Anzahl vn Quantenbjekten kann man Wahrscheinlichkeitsaussagen treffen. Unbestimmtheitsrelatin vn Heisenberg Quantenbjekte bewegen sich nicht auf Bahnen. Je bestimmter der Ort x eines Quantenbjekts ist, dest unbestimmter ist sein Impuls p.
Quantenbjekte sind weder Welle nch Teilchen. Sie haben vielmehr stets gleichzeitig etwas Welliges, etwas Körniges und etwas Stchastisches. Trtzdem gibt es Situatinen, in denen als gute Näherung das Teilchenmdell der das Wellenmdell angewendet werden kann. 12.2 Ein Atmmdell der Quantenphysik Überblick B. S. 77,78 Atme haben eine Masse vn etwa m. kg, der Radius liegt in der Grö enrdnung Beschreibung eines Elektrns im eindimensinalen Ptentialtpf emittiertes und absrbiertes Licht atmarer Gase, Zusammenhang zwischen Linienspektren und Energiestufen, Energieniveauschema Einem Elektrn der Atmhülle lassen sich unterschiedliche Energieniveaus zurdnen (Energieniveauschema). Absrptin vn Licht ist verbunden mit dem Übergang eines Elektrns auf ein höheres Energieniveau. Emissin vn Licht ist verbunden mit dem Übergang eines Elektrns auf ein niedrigeres Niveau. Inisierung erflgt, wenn ein Hüllenelektrn in die Umgebung abgegeben wird. Linienspektren sind ein Beleg für die quantenhafte Emissin bzw. Absrptin vn Licht (Spektrskpie). Elektrn im Ptentialtpf mit unendlich hhen Wänden, stehende Wellen und Aufenthaltswahrscheinlichkeiten, diskrete Energiewerte Die verschiedenen energetischen Zustände eines Elektrns lassen sich als verschiedene Frmen der Atmhülle darstellen (Orbitale). Ein Orbital beschreibt die Wahrscheinlichkeit, das Elektrn bei einer Ortsmessung in einem kleinen Raumbereich nachzuweisen (Aufenthaltswahrscheinlichkeit). zeitunabhängige, eindimensinale Schrödingergleichung als quantenphysikalische Grundgleichung Die Gestalt der Orbitale und die dazugehörigen Energiewerte des Elektrns lassen sich mit Hilfe der Schrödingergleichung berechnen. Interpretatin der graphischen Lösungen der Schrödingergleichung für den endlich hhen Ptentialtpf, Tunneleffekt Im einfachen Mdell des unendlich hhen linearen Ptenzialtpf haben die Lösungen der Schrödingergleichung die Frm vn stehenden Wellen bei maximaler Auslenkung. Für das Elektrn ergeben sich die Energiewerte
quantenphysikalisches Mdell des Wasserstffatms Als Lösung für die Schrödingergleichung für das Culmbptenzial ergeben sich für das Wasserstffatm die Energieniveaus E n graphische Veranschaulichung der Lösungen der Schrödingergleichung für das Culmbptential, dreidimensinale Darstellung der Aufenthaltswahrscheinlichkeiten durch Orbitale Interpretatin der Nullstellen vn Wellenfunktinen als Kntenflächen stehender Wellen Ausblick auf Mehrelektrnensysteme Charakterisierung der Elektrnenzustände durch Quantenzahlen Die gemetrischen Eigenschaften der Orbitale lassen sich durch die Hauptquantenzahl n, die Nebenquantenzahl l und die Magnetquantenzahl m kennzeichnen. Hinzu kmmt die Spinquantenzahl s. Das Energieniveau eines Elektrns wird im Wesentlichen durch die Hauptquantenzahl bestimmt. Pauli-Prinzip In einem Atm können keine zwei Elektrnen in allen Quantenzahlen übereinstimmen. Deutung des Peridensystems der Elemente mithilfe vn Quantenzahlen experimentelle Befunde und Anwendungen zum quantenphysikalischen Atmmdell Energieaufnahme durch Stßanregung (Franck-Hertz-Versuch) Röntgenstrahlung (Erzeugung, Spektrum, charakterisitisches Spektrum, Bremsspektrum) ein Beispiel einer Anwendung in Wissenschaft und Technik (z. B. Einblick in die Absrptins- und Emissinsspektrskpie, auch in der Astrnmie, Funktinsprinzip des Lasers) 12.3 Strukturuntersuchungen zum Aufbau der Materie Überblick B. S. 102 Aufbau der Materie und Teilchenfamilien des Standardmdells Entdeckung des Atmkerns durch Streuung vn Alpha-Teilchen (Rutherfrd) Zusammensetzung der Hadrnen aus Quarks, Hinweis auf Streuexperimente Leptnen, Quarks und ihre Antiteilchen
Es gibt eine Vielzahl vn Teilchen mit unterschiedlichen Eigenschaften und Lebensdauern. Zu fast jedem Teilchen existiert ein Antiteilchen mit gleicher Masse und entgegengesetzter Ladung. die fundamentalen Wechselwirkungen und ihre Austauschteilchen Die heutigen Kenntnisse über Elementarteilchen und ihre Wechselwirkungen werden im Standardmdell zusammengefasst. Die wirkenden Kräfte werden durch vier fundamentale Wechselwirkungen bestimmt (Austauschteilchen in Klammern): - Elektrmagnetische WW (Phtnen) - Starke Wechselwirkung (Glunen) - Schwache Wechselwirkung (W- und Z-Bsn) - Gravitatin (Gravitn? Derzeit nch nicht nachgewiesen) 12.4 Ein einfaches Kernmdell der Quantenphysik Überblick B. S. 118 Atmkerne nehmen nur einen geringen Raum ein. Sie besitzen fast die gesamte Masse des Atms und enthalten die gesamte psitive Ladung des Atms. Prtnen und Neutrnen im Ptentialtpf der Kernkraft Massendefekt und mittlere Bindungsenergie je Nuklen in Abhängigkeit vn der Nuklenenzahl, Energiegewinnung aus Atmkernen Die Masse eines Atmkerns ist stets kleiner als die Summe der Massen seiner Bestandteile. Für diesen Massendefekt gilt: Δ m = m ( Z m + N m ) N Die dem Massendefekt Δm entsprechende freigewrdene Energie ist die Bindungsenergie des Atmkerns. Die Divisin durch die Massenzahl A ergibt die mittlere Bindungsenergie je Nuklen. Energie kann durch Fusin leichter Kerne der durch Spaltung schwerer Kerne in zwei mittelschwere Kerne freigesetzt werden. P Eigenschaften der Kernkraft und zugehöriges Ptentialtpfmdell, Verteilung der Prtnen und Neutrnen auf die jeweils möglichen Energieniveaus, diskrete Energiewerte vn γ-quanten Die Stabilität des Atmkerns ist das Ergebnis der zwischen den Nuklenen wirkenden Kernkraft (starke Wechselwirkung). Die Nuklenen können nur bestimmte energetische Zustände annehmen. Das lässt sich mit dem Ptenzialtpfmdell des Atmkerns beschreiben. Eine Nachweis der diskreten Energieniveaus sind die für ein Nuklid charakteristischen Energien der ausgesandten γ-quanten.
Stabilität vn Atmkernen, Entstehung vn α- und β-strahlung durch Kernumwandlungen Es gibt viel mehr instabile als stabile Nuklide. Je größer die Ordnungszahl der elemente im Peridensystem ist, dest mehr vergrößert sich die Anzahl der Neutrnen gegenüber der Prtnenzahl im Kern. Das Aussenden vn α- und β-strahlung ist mit Kernumwandlungen verbunden. β - -Strahlung : n p + e + ν ; β + + -Strahlung: p n + e + ν α-strahlung: 2 n + 2 p α Teilchen (mittlere Bindungsenergie liegt berhalb der schwerer Kerne, Tunneleffekt durch Culmbptenzialwall möglich). 12.5 Radiaktivität und Kernreaktinen Überblick B. S. 156 Radiaktive Strahlung Unterscheidung der Strahlungsarten durch Durchdringungsvermögen und Ablenkbarkeit durch elektrische und magnetische Felder natürliche Zerfallsreihen, Nuklidkarte Bei vielen in der Natur vrkmmenden Radinukliden sind die entstehenden Flgekerne ebenfalls wieder radiaktiv (Zerfallsreihen). Eine Änderung der Massenzahl tritt nur bei α- Zerfällen auf. β-zerfall bewirkt nur eine Änderung der Kernladungszahl. Beim α-zerfall ändert sich die Massenzahl um 4. Daher sind nur 4 Zerfallsreihen möglich. In einer Nuklidkarte (N-Z-Diagramm) verringert sich beim α-zerfall die Neutrnenzahl und die Prtnenzahl um jeweils 2. Beim β- Zerfall nimmt die Prtnenzahl um 1 zu der ab, während die Neutrnenzahl um 1 ab- der zunimmt. Bei γ-strahlung verändert sich die Anzahl der Prtnen und Neutrnen nicht. Abstandsgesetz cnst Z = 2 r Zerfallsgesetz Anwendung des radiaktiven Zerfalls zur Altersbestimmung 14 C-Methde) N λt = N 0 e ; T 1 = 2 ln2 λ Strahlenbelastung des Menschen durch natürliche und künstliche Strahlung, Maßnahmen zum Strahlenschutz
Eine bilgisch wirksame Strahlenbelastung kann durch inisierende Strahlung (radiaktive Strahlung, Röntgenstrahlung, kurzwelliges UV-Licht, Teilchenstrahlung) hervrgerufen werden. Nulleffekt! AAA: Abstand, Abschirmung, Aufnahme verhindern! Kernreaktinen, Aspekte der Nutzung der Kernenergie Energie- und Impulsbilanzen bei Kernreaktinen Kernspaltung, Kettenreaktin, Prinzip eines Kernreaktrs Freigesetzte Energie pr Nuklen: etwa 1 MeV Kernfusin, Prinzip eines Fusinsreaktrs Freigesetzte Energie pr Nuklen: etwa 7 MeV Entdeckung und Nachweis des Neutrns 9 4 12 4 Be+ 2α 6 C+ Freie Neutrnen zerfallen mit einer Halbwertszeit vn ca. 13 Minuten in ein Prtn, ein Elektrn und ein Antineutrin. 1 0 n Anwendungen in der Medizin: nuklearmedizinische Diagnstik, nuklearmedizinische Therapie Chancen und Risiken der Kernenergietechnik, Sicherheitsvrkehrungen, Entsrgung radiaktiver Materialien Beispielaufgaben: Musterabitur Bayern, G8 Duden-Paetec / CC-Buchner: Physik Gymnasium 12, Bayern, S.189ff