Vorname Name Autor/-in 04/11/23 11

E-Lern- und Lehrmedium: Quantenchemie und Chemie farbiger Stoffe

Wellen, Licht und Elektronen

Günter Baars 22

Übersicht

1. Wellen

2. Licht

3. Elektron

Günter Baars 3

1. Wellen

Paul Klee

Günter Baars 4

1. Wellen

Slinky-Feder im Chemie-Vorbereitungszimmer (Gymnasium Bern-Neufeld)

Günter Baars 5

1. Wellen

Slinky-Feder im Chemie-Vorbereitungszimmer (Gymnasium Bern-Neufeld)

Günter Baars 6

1. Wellen

Verlauf der Bewegung eines Erregers, der auf einem Wellen-träger eine fortlaufende harmonische Transversalwelle erzeugt.

Günter Baars 7

1. Wellen

Bildung von fortlaufenden harmonischen Wellen

Günter Baars 8

1. Wellen

Bildung einer fortlaufenden harmonischen Transversal-welle

Günter Baars 9

1. Wellen

Momentanbild einer fortlaufenden harmonischen Transversalwelle zur Zeit t

Günter Baars 10

1. Wellen

Zwei Momentanbilder einer fortlaufenden harmonischen Transversalwelle zur Zeit t und t + t

Günter Baars 11

1. Wellen

a) konstruktive und b) destruktive Interferenz zweier Wellen

Günter Baars 12

1. Wellen

Ausbildung einer stehenden Welle durch zwei entgegengesetzt laufende harmonische Wellen.

Günter Baars 13

1. Wellen

Versuchsanordnung zur Erzeugung der Eigenschwin- gungen eines Gummiseils

Günter Baars 14

1. Wellen

Mögliche stehende Wellen (Eigenschwingungen) eines Gummiseils sowie die dazugehörenden Wellenlängen

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1. Wellen

Beugungsbild eines Laserstrahls an einem Spalt

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1. Wellen

Beugungsbild eines Laserstrahls an einer runden Öffnung

Günter Baars 17

1. Wellen

Intensitätsmaximum Intensitätsminimum

x = n (n = 0, 1, 2, 3, ....) x = n (n = 1, 3, 5, 7, ...)

Wegstrecke der Welle 1: 3 Wegstrecke der Welle 1: 3,5

Wegstrecke der Welle 2: 4 Wegstrecke der Welle 2: 4

Bildung heller und dunkler Stellen eines Beugungsbilds

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2. Licht

Elektromagnetische Wellen; M: Magnetische Flussdichte; E: Elektrische Feldstärke [entspricht der Amplitude der Welle bzw. der Intensität (Helligkeit) des Lichts]

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2. Licht

Einteilung der elektro-magnetischen Strahlung

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2. Licht

Versuchsanordnung zur Demonstration des Fotoelektrischen Effekts

Günter Baars 21

2. Licht

Wirkungsweise einer Fotozelle (schematisch)

Günter Baars 22

2. Licht

max0 TeU

2

2maxe vm

me: Masse Elektron; v: Geschwindigkeit des

Elektrons; e: Elektronenladung; U0: maximale

Spannung

Versuchsanordnung zur Bestimmung der maximalen kinetischen Energie von Fotoelektronen

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2. Licht

1. Der Fotoelektronenstrom ist sofort nach dem Eintreffen des Lichts (bei genügend hoher Frequenz) auf der Metall-oberfläche zu beobachten.

2. Unterhalb einer bestimmten Lichtfrequenz f werden keine Fotoelektronen freigesetzt, ganz egal, wie hoch die Intensität des Lichts ist. Daraus folgt, dass für ein bestimmtes Metall die maximale Spannung und damit die maximale kinetische Energie der Fotoelektronen nur von der Frequenz des eingestrahlten Lichts beeinflusst wird, nicht aber von der Lichtintensität. Die maximale kinetische Energie der Foto-elektronen ist folglich nur von der Lichtfrequenz abhängig.

3. Die Anzahl der Fotoelektronen ist, bei konstanter Frequenz, direkt proportional zur Intensität des ein-gestrahlten Lichts, wobei sich die maximale kinetische Energie der Foto-elektronen nicht ändert.

Günter Baars 24

2. Licht

Eine elektromagnetische Strahlung bestimmter Frequenz (Wellenmodell)

besteht aus Photonen (Teilchenmodell), die alle die gleiche Energie besit-

zen.

E = hf

h heisst Plancksches Wirkungsquantum

Eine elektromagnetische Strahlung bestimmter Frequenz (Wellenmodell) strahlt umso intensiver (Intensität; "Helligkeit"), je grösser die Anzahl der Photonen (Teilchenmodell) ist.

Abhängigkeit der Gesamtenergie einer elektromagnetischen Welle:

Eges: Frequenz (f) und Intensität (Amplitude E) [Wellenmodell]

Eges: Energie eines Photons und Anzahl Photonen [Teilchenmodell]]

Günter Baars 25

2. Licht

Intensität einer elektromagnetischen Strahlung

0E2c = (hf)n; ohne die Konstanten 0, c, f und h ergibt sich:

n E2

Wellenmodell:

I = 0E2c [Wm-2]

I: Intensität; 0:elektrische Feldkonstante; E: Betrag der elektrischen

Feldstärke (Amplitude der elektromagnetischen Strahlung); c: Lichtge-schwindigkeit

Teilchenmodell:

I = (hf)n [Wm-2] h·f: Photonenenergie; Anzahl Photonen

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3. Elektronen

Kathodenstrahlrohr

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3. Elektronen

Kathodenstrahlrohr: Ablenkung der Elektronen

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3. Elektronen

Kontinuierliches Spektrum von weissem Licht

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3. Elektronen

Wasserstoffröhre

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3. Elektronen

Linienspektrum des Wasserstofflichts

Günter Baars 31

3. Elektronen

Grundzustand und angeregte Zustände von Wasserstoff-Atomen

Günter Baars 32

3. Elektronen

Emissionsspektren einiger gasförmiger elementarer Stoffe (Zahlenangaben in nm; 1 nm = 10-9 m)

Günter Baars 33

3. Elektronen

Elektronenbeugungsröhre

Günter Baars 34

3. Elektronen

Beugung von Elektronen an einer Aluminiumfolie

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3. Elektronen

Deutung des Beugungsbilds eines Elektronenstrahls am Spalt

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3. Elektronen

Louis de Broglie (1892-1987)

vm

hλ

h: Plancksches Wirkungsquantum; m: Masse; v: Geschwindigkeit

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3. Elektronen

M. Born (1882-1970)

V

Wψ 2

d

d

: Amplitude der Elektronenwelle; W: Wahrscheinlichkeit; V: Volumenelement; dW/dV: Elektronendichte (Aufenthaltswahr-scheinlichkeit pro Volumeneinheit!)

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3. Elektronen

vmh

λ

: Wellenlängeh: Plancksches Wirkungsquantumm: Massev: Geschwindigkeit

vmh

λ

ψEVψψψψ

m

hges

2

2

2

2

2

2

2

2 zyxπ8kinetische Energie potentielleEnergie Gesamtenergie

Erwin Schrödinger (1887-1961)

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3. Elektronen