Post on 06-Apr-2020
Inhaltsverzeichnis
1 WellenphänomeneGrundphänomenMechanische WellenVertiefung
2 Wellen- und Teilchencharakter des LichtsWellencharakterTeilchencharakter
3 QuantenobjekteEinführungWelle–Teilchen DualismusStatistische AussagenElektronen als QuantenobjekteQuantenmechanischer Messprozess
In diesem Abschnitt
1 WellenphänomeneGrundphänomenMechanische WellenVertiefung
2 Wellen- und Teilchencharakter des LichtsWellencharakterTeilchencharakter
3 QuantenobjekteEinführungWelle–Teilchen DualismusStatistische AussagenElektronen als QuantenobjekteQuantenmechanischer Messprozess
Wellenphänomene Wellen- und Teilchencharakter des Lichts Quantenobjekte BD
Grundphänomen
Definition
Lehrer-Versuch: Seilwelle, TransversalwelleLehrer-Versuch: riesige Schraubenfeder: LongitudinalwelleÜ 11: Applet: Transversale Wellen å
DefinitionEine Welle bildet sich aus, wenn an einer Stelle desWellenträger Störungen des Gleichgewichtes auftreten unddiese auf Nachbarbereiche übertragen werden.
Wellenphänomene Wellen- und Teilchencharakter des Lichts Quantenobjekte BD
Grundphänomen
Definition
Lehrer-Versuch: Seilwelle, TransversalwelleLehrer-Versuch: riesige Schraubenfeder: LongitudinalwelleÜ 11: Applet: Transversale Wellen å
DefinitionEine Welle bildet sich aus, wenn an einer Stelle desWellenträger Störungen des Gleichgewichtes auftreten unddiese auf Nachbarbereiche übertragen werden.
Wellenphänomene Wellen- und Teilchencharakter des Lichts Quantenobjekte BD
Grundphänomen
Eniergieübertragung
Energieübertragung
Bei Wellen werden zwei physikalische Größen ineinanderumgewandelt. Dabei übertragen sie Energie aber keineMaterie. Diese Energie ist umso größer, je größer dieAmplitude der Welle.
Applet: Wellenmodell å
Wellenphänomene Wellen- und Teilchencharakter des Lichts Quantenobjekte BD
Grundphänomen
Erscheinungsformen
Typ UmwandlungSeilwellen transversal kin. Energie ↔ pot. Energie
Schallwellen longitudinal Schalldruck ↔ SchallschnelleWasserwellen kreisförmig kin. Energie ↔ pot. Energie
Lichtwellen transversal el. Feld ↔ mag.Feld
LV: GasstrahlröhreLängs- und Querwellen å
Applet: Wasserwellen bei Geogebra å
Wellenphänomene Wellen- und Teilchencharakter des Lichts Quantenobjekte BD
Grundphänomen
Schalldruck und Schallschnelle
Schallquelle Entf .Schall−pegel
Schall−druck
Schall−schnelle
Düsenflugzeug 30 m 150 dB 630 Pa 1500 mms
Gewehrschuss 1 m 140 dB 200 Pa 480 mms
Schmerzschwelle 1 m 134 dB 100 Pa 240 mms
Kampfflugzeug 100 m 120 dB 20 Pa 50 mms
Presslufthammer 1 m 100 dB 2 Pa 5 mms
Bundesstraße 10 m 85 dB 0,4 Pa 1 mms
Pkw 10 m 70 dB 0,1 Pa 0,2 mms
menschl. Stimme 1 m 50 dB 0,02 Pa 0,05 mms
Luftdruck/Schallgeschwindigkeit 101 300 Pa 340 000 mms
In diesem Abschnitt
1 WellenphänomeneGrundphänomenMechanische WellenVertiefung
2 Wellen- und Teilchencharakter des LichtsWellencharakterTeilchencharakter
3 QuantenobjekteEinführungWelle–Teilchen DualismusStatistische AussagenElektronen als QuantenobjekteQuantenmechanischer Messprozess
Wellenphänomene Wellen- und Teilchencharakter des Lichts Quantenobjekte BD
Mechanische Wellen
Ausbreitung
v bei Geogebra, Rechtsklick t Animationszeit 0.1 å
Mechanische WellenMechanische Wellen benötigen (ander als elektromagnetischeWellen) zur Ausbreitung ein Medium (z.B. Luft oder Wasser).Für die Ausbreitungsgeschwindigkeit v gilt:
v = λ · f λ Wellenlängef Frequenz
Lehrerversuch: Messung der Schallgeschwindigkeit å
Wellenphänomene Wellen- und Teilchencharakter des Lichts Quantenobjekte BD
Mechanische Wellen
Schallgeschwindigkeit
Stoff vSchallKohlendioxid 20 ◦C 270 m
sLuft −20 ◦C 320 m
s0 ◦C 332 m
s20 ◦C 344 m
sHelium 20 ◦C 1000 m
sWasser 1500 m
sÖl 1700 m
sGummi 150 m
sBeton 3800 m
sGlas 5300 m
sStahl 5920 m
sDiamant 18 000 m
s
Wellenphänomene Wellen- und Teilchencharakter des Lichts Quantenobjekte BD
Mechanische Wellen
Eigenschaften von Wellen
Ü 12: Stehende Welle å
Ü 13: App Wellenwanne (ext. starten) å
Applet: Wellenwanne Interferenz å
Youtube: Interferenz in 90 s å
Wellenphänomene Wellen- und Teilchencharakter des Lichts Quantenobjekte BD
Mechanische Wellen
Eigenschaften von Wellen — Zusammenfassung
Eig. mechanischer Wellen å
Reflexion Brechung Beugung Interferenz
Wellen wer-den zurück-
geworfen
Änderung derAusbreitungs-
richtung
Ausbreitungin den
„Schattenraum“
Verstärkungund
Auslöschung
Wellenphänomene Wellen- und Teilchencharakter des Lichts Quantenobjekte BD
Mechanische Wellen
Das Huygens’sche Prinzip
Ü 14: Applet: Huygens’sches Prinzip Einführung å
Ü 15: Applet: Huygens’sches Prinzip å
In diesem Abschnitt
1 WellenphänomeneGrundphänomenMechanische WellenVertiefung
2 Wellen- und Teilchencharakter des LichtsWellencharakterTeilchencharakter
3 QuantenobjekteEinführungWelle–Teilchen DualismusStatistische AussagenElektronen als QuantenobjekteQuantenmechanischer Messprozess
Wellenphänomene Wellen- und Teilchencharakter des Lichts Quantenobjekte BD
Vertiefung
Vertiefung
Video: Tsunami-Entstehung å
Video: Tsunami-Entstehung å
Video: Tsunami-Entstehung å
Ü 16: Applet: Sinus-Schwingung akustisch diskutiert å
Dopplereffekt å
Dopplereffekt Fendt å
Dopplereffekt å
Wellenphänomene Wellen- und Teilchencharakter des Lichts Quantenobjekte BD
Vertiefung
Vertiefung
Ü 17: Verständnisfragen Seilwelle å
Musteraufgabe Interferenzen - Schlaue Kopfhörer å
Ü 18: Schiffsnase å
Ü 19: Bugwulst-Interferenz å
Ü 110: Bugwulst-Interferenz å
In diesem Abschnitt
1 WellenphänomeneGrundphänomenMechanische WellenVertiefung
2 Wellen- und Teilchencharakter des LichtsWellencharakterTeilchencharakter
3 QuantenobjekteEinführungWelle–Teilchen DualismusStatistische AussagenElektronen als QuantenobjekteQuantenmechanischer Messprozess
Wellenphänomene Wellen- und Teilchencharakter des Lichts Quantenobjekte BD
Wellencharakter
Wellencharakter des Lichtes
Experimente zum Wellencharakter des Lichtes
Wellencharakter des LichtesLicht zeigt im Experiment die typischen Welleneigenschaften:
Reflexion Brechung Beugung Interferenz
Wellenphänomene Wellen- und Teilchencharakter des Lichts Quantenobjekte BD
Wellencharakter
Interferenzextrema am Doppelspalt
Ü1: Applet: Interferenz am Spalt
Ü2: Interferenz bei Geogebra
Wellenphänomene Wellen- und Teilchencharakter des Lichts Quantenobjekte BD
Wellencharakter
Interferenzextrema am Doppelspalt
Interferenzextrema am DoppelspaltLichtwellen erzeugen
maximale Verstärkung, falls
∆s = 2k ·λ2
; (k ∈N0)
Auslöschung, falls
∆s = (2k − 1) ·λ2
; (k ∈N)
Dop
pels
palt α ≈ β
b∆s = k · λ
e
sk
α β
Ü3: Folienmuster zur Zwei-Quellen-Interferenz
Wellenphänomene Wellen- und Teilchencharakter des Lichts Quantenobjekte BD
Wellencharakter
Wellenlängenbestimmung von Licht
Ü4: Versuchsaufbau
Ü5: Applet: Doppelspalt
Wellenphänomene Wellen- und Teilchencharakter des Lichts Quantenobjekte BD
Wellencharakter
Das elektromagnetische Spektrum
Das elektromagnetische Spektrum
Das sichtbare Licht umfasst nur einen sehr kleinen Teil deselektromagnetischen Spektrums. Viele andere Erscheinungenberuhen ebenfalls auf elektromagnetischen Wellen.
λ/m10−15 10−12 10−9 10−6 10−3 100 103 106
Höh
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Gam
mas
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Rön
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g
Lich
t
Mik
row
elle
n
UK
W-F
unk
Lang
wel
len
Wikipedia
Ü6: Buch S. 151-153
Wellenphänomene Wellen- und Teilchencharakter des Lichts Quantenobjekte BD
Wellencharakter
Vertiefung
Schülerversuch: Doppelspalt
Ü7: Verständnisfrage: Je-Desto-Physik am Doppelspalt
Ü8: Verständnisfrage: Beleuchtung einer Rasierklinge
Ü9: Verständnisfrage: Frequenzbereich der Mikrowellen - Mikrowellenherd
Wellenphänomene Wellen- und Teilchencharakter des Lichts Quantenobjekte BD
Wellencharakter
Vertiefung
Ü10: Verständnisfrage: Doppelspaltversuch mit verschieden farbigem Licht
Ü11: Verständnisfrage: Laser am Doppelspalt
Ü12: Rechenaufgabe: Spaltabstand am Doppelspalt
Ü13: Rechenaufgabe: Interferenz am Doppelspalt
In diesem Abschnitt
1 WellenphänomeneGrundphänomenMechanische WellenVertiefung
2 Wellen- und Teilchencharakter des LichtsWellencharakterTeilchencharakter
3 QuantenobjekteEinführungWelle–Teilchen DualismusStatistische AussagenElektronen als QuantenobjekteQuantenmechanischer Messprozess
Wellenphänomene Wellen- und Teilchencharakter des Lichts Quantenobjekte BD
Teilchencharakter
Fotoeffekt
Lehrerversuch: Hallwachs
Lehrerversuch: Trägheitsloses Einsetzen des Photoeffekts
Lehrerversuch: Photostrom in Abh.der Bestrahlungsstärke und der Lichtfrequenz
Applet: Photoeffekt - Deutungsschwierigkeiten mit dem Wellenmodell des Lichts
Aplett: Fotoeffekt
YouTube: Fotoeffekt
Wellenphänomene Wellen- und Teilchencharakter des Lichts Quantenobjekte BD
Teilchencharakter
Fotoeffekt
Äußerer Fotoeffekt
Licht kann von MetalloberflächenElektronen herauslösen und zwarunabhängig von der Lichtintensität aberabhängig von der Lichtfrequenz.Dieses Ergebnis steht im Widerspruchzu Wellencharakter des Lichtes. −
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Info: Klassische Erwartungen—Experimentelle Befunde
Fragen zum Fotoeffekt
IBE zum Photoeffekt - deutsch
Wellenphänomene Wellen- und Teilchencharakter des Lichts Quantenobjekte BD
Teilchencharakter
Albert Einstein zum Fotoeffekt
Abbildung :Albert Einstein(1879–1955)
„ In die oberflächliche Schicht des Körpersdringen Energiequanten ein, und deren Energieverwandelt sich wenigstens zum Teil inkinetische Energie der Elektronen. . . . [Es] wirdanzunehmen sein, daß jedes Elektron beimVerlassen des Körpers eine (für den Körpercharakteristische) Arbeit W0 zu leisten hat, wennes den Körper verläßt.. . . Die kinetische Energie solcher Elektronen ist
Ekin = h · f −W0 [h = 6,626 J s]
. . . “
Wellenphänomene Wellen- und Teilchencharakter des Lichts Quantenobjekte BD
Teilchencharakter
Fotoeffekt — Ein neues Modell des Lichtes
klassisches ModellLichtwellen schütteln dieElektronen frei
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neues ModellLichtteilchen, sog. Photonen,schlagen die Elektronen heraus
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Wellenphänomene Wellen- und Teilchencharakter des Lichts Quantenobjekte BD
Teilchencharakter
Albert Einstein zur Lichtquantisierung
Abbildung :Albert Einstein(1879–1955)
„ Es scheint mir nun in der Tat, daß dieBeobachtungen . . . [des Fotoeffekts] besserverständlich erscheinen unter der Annahme,daß die Energie des Lichtes diskontinuierlich imRaume verteilt sei. Nach der hier ins Auge zufassenden Annahme ist bei Ausbreitung einesvon einem Punkte ausgehenden Lichtstrahlesdie Energie nicht kontinuierlich auf größer undgrößer werdende Räume verteilt, sondern esbesteht dieselbe aus einer endlichen Zahl von inRaumpunkten lokalisierten Energiequanten,welche sich bewegen, ohne sich zu teilen undnur als Ganze absorbiert und erzeugt werdenkönnen . . . “
Wellenphänomene Wellen- und Teilchencharakter des Lichts Quantenobjekte BD
Teilchencharakter
Nobelpreis an Albert Einstein für den Fotoeffekt
Abbildung :Albert Einsteinmit Niels Bohr1925
Grund: Streitigkeiten des Komitees ander Richtigkeit der Relativitätstheorie.1905 veröffentliche Einstein dreinobelpreiswürdige Arbeiten:
die spezielle Relativitätstheorieeine mathematische Beschreibung derBrown’schen Bewegungeine Erklärung des Fotoeffekts durchdie Lichtquantenhypthese
Titel der Nobelpreisrede:„Fundamentale Ideen und Problemeder Relativitätstheorie“.
Wellenphänomene Wellen- und Teilchencharakter des Lichts Quantenobjekte BD
Teilchencharakter
Modelle des Lichts
Strahlenmodell Wellenmodell Teilchenmodell
LichtausbreitungSchattenReflexionBrechung
BeugungInterferenz
Fotoeffekt
Renaissance der Teilchenvorstellung vom Licht - Einstein 1905
Versuch: Photonennachweis mit Geigerzähler
QunatumLab: Einzelnachweis von Photonen
Wellenphänomene Wellen- und Teilchencharakter des Lichts Quantenobjekte BD
Teilchencharakter
Vertiefung
Korpuskular-Welle
Verständnisfragen-Allerlei zum Photoeffekt
Herr Schlaumeier und der Hallwachs-Versuch
Aufgabe: Bereich der Quantenenergien im sichtbaren Spektrum
Aufgabe: Schädliche Ultraviolett-Strahlung
Aufgabe: Frequenzen, Wellenlängen und Photonenenergien
Verständnisfragen zum Photoeffekt 1
Aufgabe: Photoelektrischer Effekt
Aufgabe: Auge als Lichtsensor
Verständnisfragen zum Photoeffekt 2
Versuchsbeschreibung: Elektronen beim Photoeffekt
In diesem Abschnitt
1 WellenphänomeneGrundphänomenMechanische WellenVertiefung
2 Wellen- und Teilchencharakter des LichtsWellencharakterTeilchencharakter
3 QuantenobjekteEinführungWelle–Teilchen DualismusStatistische AussagenElektronen als QuantenobjekteQuantenmechanischer Messprozess
Wellenphänomene Wellen- und Teilchencharakter des Lichts Quantenobjekte BD
Einführung
Niels Bohr zur Qunatenphysik
Abbildung :Niels Bohr(1855–1962)
"‘Wer von der Quantentheorie nichtschockiert ist, der hat sie nicht verstanden."’
Wellenphänomene Wellen- und Teilchencharakter des Lichts Quantenobjekte BD
Einführung
Richard Feynman zur Qunatenphysik
Abbildung :RichardFeynman(1918–1988)
"‘Es gab eine Zeit, als Zeitungen sagten, nurzwölf Menschen verstünden dieRelativitätstheorie. Ich glaube nicht, dass esjemals eine solche Zeit gab. Auf der anderenSeite denke ich, es ist sicher zu sagen,niemand versteht Quantenmechanik."’
In diesem Abschnitt
1 WellenphänomeneGrundphänomenMechanische WellenVertiefung
2 Wellen- und Teilchencharakter des LichtsWellencharakterTeilchencharakter
3 QuantenobjekteEinführungWelle–Teilchen DualismusStatistische AussagenElektronen als QuantenobjekteQuantenmechanischer Messprozess
Wellenphänomene Wellen- und Teilchencharakter des Lichts Quantenobjekte BD
Welle–Teilchen Dualismus
Welle–Teilchen Dualismus
Interferometer: MUQ 3.1–3.3
QunatumLab: Interferometer
V: Ein-Teilchen-Interfernz bei Photonen
ErgebnisEs ist nicht möglich, das physikalische Verhalten von Photonenin einem reinen Teilchen- oder Wellenmodell zu beschreiben.Eine befriedigende Erklärung muss Kennzeichen beiderModelle in sich vereinigen.
Quantenobjekte bei Leifi
Verständnisfrage: Quantenobjekt Photon
Wellenphänomene Wellen- und Teilchencharakter des Lichts Quantenobjekte BD
Welle–Teilchen Dualismus
Niels Bohr zum Welle–Teilchen-Dualismus
Abbildung :Niels Bohr(1855–1962)
"‘Wenn mir Einstein ein Radiotelegrammschickt, er habe nun die Teilchennatur desLichtes endgültig bewiesen, so kommt dasTelegramm nur an, weil das Licht eine Welleist."’
Wellenphänomene Wellen- und Teilchencharakter des Lichts Quantenobjekte BD
Welle–Teilchen Dualismus
Welle–Teilchen-Dualismus
Interferometer: MUQ Experiment 3.4, 3.5: Polfilter langsam von parallel auf gekreuzt ändern
V:Quantenradierer
Ergebnis
Man darf sich ein Photon nicht als lokalisiertes Gebilde miteinem festen Ort vorstellen; man kann ihm die Eigenschaft„Weg“ nicht ohne weiteres zuschreiben.
Wellenphänomene Wellen- und Teilchencharakter des Lichts Quantenobjekte BD
Welle–Teilchen Dualismus
Richard Feynman zum Welle–Teilchen-Dualismus
Abbildung :RichardFeynman(1918–1988)
"‘In sehr kleinen Dimensionen verhalten sichdie Dinge wie nichts, von dem wirunmittelbare Erfahrung haben. Sie verhaltensich nicht wie Wellen, nicht wie Teilchen. . . oder irgendetwas, was wir jemalsgesehen haben."’
Wellenphänomene Wellen- und Teilchencharakter des Lichts Quantenobjekte BD
Welle–Teilchen Dualismus
Max Born zum Welle–Teilchen-Dualismus
Abbildung :Max Born(1882 - 1970)
"‘Die Quanten sind doch eine hoffnungsloseSchweinerei."’
In diesem Abschnitt
1 WellenphänomeneGrundphänomenMechanische WellenVertiefung
2 Wellen- und Teilchencharakter des LichtsWellencharakterTeilchencharakter
3 QuantenobjekteEinführungWelle–Teilchen DualismusStatistische AussagenElektronen als QuantenobjekteQuantenmechanischer Messprozess
Wellenphänomene Wellen- und Teilchencharakter des Lichts Quantenobjekte BD
Statistische Aussagen
Statischtische Interpretation
Doppelspaltversuch MUQ 4.1-4.4
Ergebnis
Die Quantenmechanik macht statistische Aussagen über dierelative Häufigkeit der Ergebnisse bei oftmaliger Wiederholungdes gleichen Experiments. Aussagen über Einzelereignissesind im Allgemeinen nicht möglich.
Verständnisfrage: Photonen am Doppelspalt
QunatumLab: Statistische Interpretation
Born’s statistische Deutung
Wellenphänomene Wellen- und Teilchencharakter des Lichts Quantenobjekte BD
Statistische Aussagen
Albert Einstein zur statischtischen Interpretation
Abbildung :Albert Einstein(1879–1955)
"‘Die Quantenmechanik ist sehr Achtunggebietend. Aber eine innere Stimme sagtmir, dass das noch nicht der wahre Jakobist. Die Theorie liefert viel, aber demGeheimnis des Alten bringt sie uns kaumnäher. Jedenfalls bin ich überzeugt, dassder Alte nicht würfelt"’
(Brief an Max Born, 4. Dezember 1926)
In diesem Abschnitt
1 WellenphänomeneGrundphänomenMechanische WellenVertiefung
2 Wellen- und Teilchencharakter des LichtsWellencharakterTeilchencharakter
3 QuantenobjekteEinführungWelle–Teilchen DualismusStatistische AussagenElektronen als QuantenobjekteQuantenmechanischer Messprozess
Wellenphänomene Wellen- und Teilchencharakter des Lichts Quantenobjekte BD
Elektronen als Quantenobjekte
Quanten überall?
klassisches Modell QuantenphysikLicht Welle Welle–Teilchen-Dualismus
Elektronen Teilchen ?Welle–Teilchen-Dualismus?alles ?Welle–Teilchen-Dualismus?
Wellenphänomene Wellen- und Teilchencharakter des Lichts Quantenobjekte BD
Elektronen als Quantenobjekte
Elektronenbeugung
V: Elektronenbeugungsröhre
Doppelspaltversuch: MUQ 5.2–5.6
V: E-Beugung bei Leifi
V: Ein-Teilchen-Interferenz bei Elektronen
Ergebnis Doppelspaltexperimente mit Elektronen und AtomenAuch klassische Teilchen zeigen Welle–Teilchen-Dualismus.
Fragen zur Elektronenbeugung
Elektronenbeugung
YouTube: Materiewellen und Beobachtungs-Projektion
Verständnisfrage: e als Qunatenobjekt1
Verständnisfrage: e als Qunatenobjekt2
Verständnisfrage: WT-Modell
In diesem Abschnitt
1 WellenphänomeneGrundphänomenMechanische WellenVertiefung
2 Wellen- und Teilchencharakter des LichtsWellencharakterTeilchencharakter
3 QuantenobjekteEinführungWelle–Teilchen DualismusStatistische AussagenElektronen als QuantenobjekteQuantenmechanischer Messprozess
Wellenphänomene Wellen- und Teilchencharakter des Lichts Quantenobjekte BD
Quantenmechanischer Messprozess
Messprozess und Komplementarität
Bei seiner „unbeobachteten“ Ausbreitung im Raum befindetsich ein Elektron zu keiner Zeit an einem bestimmten Ort, d.h.es besitzt die Eigenschaft „Ort“ nicht.
Doppelspaltversuch 6.1-6.2
KomplementaritätOrtseigenschaft und Interferenz sind nicht gleichzeitigrealisierbar, sondern schließen sich gegenseitig aus.
Fragen zur Komplementarität
Wellenphänomene Wellen- und Teilchencharakter des Lichts Quantenobjekte BD
Quantenmechanischer Messprozess
Unschärferelation
Lehrerversuch. MUQ 7.1 Laserlicht durch immer engeren Spalt
Heisenbergsche Unbestimmheitsrelation
Es ist nicht möglich, ein Ensemble von Quantenobjektengleichzeitig den Ort und Impuls genau zu messen.Ist die Streuung der Ortsmesswerte ∆x klein ist, wird dieStreuung der Impulsmesswerte ∆px groß sein (undumgekehrt). Es gilt der Zusammenhang:
∆x ·∆px ≥h
4π[h = 6,626 J s]
Quantenobjekte bei Leifi
Wellenphänomene Wellen- und Teilchencharakter des Lichts Quantenobjekte BD
Quantenmechanischer Messprozess
Vertiefung
AB Wesenszüge
AB Wesenszüge
Anwendung Laser
Laser Online-Lernkurs
Ph 2000:Elektronen Interferenz