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19. Atomphysik

1. Welche Konsequenzen hat es, dass das Elektronium in manchen Zuständen eines Atoms eine Strömung bildet?

Lösung:
– Das Elektronium hat Drehimpuls, d.h. das Atom verhält sich wie ein kleiner Kreisel.
– Das Elektronium bildet einen elektrischen Ringstrom. Daher verhält sich das Atom wie ein kleiner Magnet.

2. Stelle Transporte mit Wellen und Transporte mit Materie einander gegenüber.

Lösung:
Merkmal von Wellen: Interferenz; typischer Vertreter: Licht
Merkmal von Materie: Quantisierung; typischer Vertreter: Elektronen

Zunächst unterschied man die beiden Transportarten. Später entdeckte man, dass auch Licht quantisiert ist, und Elektronenstahlen Interferenz zeigen.

3. Beschreibe den Aufbau eines Atoms. (Größe und Dichte von Atomhülle und -kern, Eigenschaften der Bestandteile des Atoms, Unterschiede zwischen Atomen verschiedener chemischer Elemente).

Lösung:

Kern: klein, schwer, positiv geladen; Dichte im Kern überall gleich
Hülle: groß, leicht, negativ geladen; besteht aus Elektronium; Dichte nimmt nach außen hin ab.

Die Atome der chemischen Elemente unterscheiden sich in der Anzahl der Protonen und Elektronen. Die verschiedenen Atome unterscheiden sich in der Größe nur wenig. Die Elektroniumdichte nimmt mit der Ordnungszahl stark zu.

4. Skizziere und erläutere das Energietermschema des Wasserstoffatoms. 

5. Wie verhalten sich die Größen verschiedener Atome zueinander. Erkläre.

Lösung:
Die verschiedenen Atome unterscheiden sich in der Größe nur wenig. Wenn man ein Atom mit einer höheren Ordnungszahl aufbaut aus einem mit einer niedrigeren, so halten sich zwei Effekte etwa die Waage: Das hinzukommende Elektronium würde zunächst eine Zunahme der Größe des Atoms zur Folge haben. Das hinzukommende Proton bewirkt aber, dass sich die ganze Elektroniumverteilung wieder zusammenzieht.

6. Elektronen sind elektrisch geladen und sie sind magnetisch. Warum merkt man bei normaler Materie (die ja zum großen Teil aus Elektronen besteht) so gut wie nichts von der Ladung und vom Magnetismus?

7. Skizziere den Versuch, den wir im Unterricht gemacht haben (zur Erinnerung: Es wurden Natrium-Atome angeregt). Worin bestanden die beiden Beobachtungen? Was konnte man daraus schließen?

Lösung:
…
Die beiden Beobachtungen:
– Im Spektrum fehlt das Licht in einem sehr kleinen Wellenlängenintervall im gelben Bereich.
– Das Natrium emittiert Licht dieser Wellenlänge in alle Richtungen.

Die Natriumatome sind durch den Teil des einfallenden Lichts, das diese Wellenläge hat, angeregt worden. Sie sind unter Lichtaussendung in den Grundzustand zurückgekehrt.

8. Beschreibe, was man unter einem stationären Zustand eines Atoms versteht. Beschreibe Übergänge zwischen solchen Zuständen. Was für Übergänge laufen schnell und was für welche laufen langsam ab? 

Lösung:
Stationäre Zustände: Zustände, in denen das Atom verweilen kann. Die Elektroniumdichte ist zeitlich konstant. Angeregte stationäre Zustände sind labil.
Bei einem Übergang variiert die Dichte mit der Zeit. Diese Bewegung hat zwei Komponenten: eine schnelle Schwingung und eine langsame Verformung. Die elektrische Ladung schwingt hin und her, ähnlich wie in einer Dipol- oder Quadrupolantenne.

9. Erläutere die Begriffe „stationärer Zustand“ und „Orbital“. Wie sind Atome mit mehreren Elektronen aufgebaut? Was versteht man unter dem Spin des Elektrons? Welche Rolle spielt der Spin im Aufbau von Mehrelektronenatomen?

Lösung:
Orbital: „Platz“ für ein Elektron in einem Atom. Charakterisiert durch die Gestalt der Psi-Quadrat-Verteilung. In Mehrelektronenatomen kann ein Zustand nur von einem Elektron besetzt werden. Der Zustand ist bestimmt durch das Orbital und den Spin. Spin: Eigendrehimpuls des Elektrons; kann nur zwei Werte annehmen, die sich um h/2π unterscheiden.

10. Was versteht man unter dem Anregen eines Atoms. Wie kann man ein Atom anregen?

Lösung:
Ein Atom aus einem stationären Zustand in einen anderen stationären Zustand höherer Energie bringen. Die Anregung kann geschehen mit Photonen passender Energie, oder mit materiellen Teilchen, deren Energie mindestens gleich der Anregungsenergie sein muss.

11. Beschreibe die Funktionsweise von Leuchtröhren.

Lösung:
Elektronen werden durch das elektrische Feld beschleunigt. Anregung und Ionisation weiterer Atome.

12. Warum leuchten Flammen? Warum leuchten manche Flammen nicht?

Lösung:
Anregung durch thermische Bewegung, falls die Energie ausreicht.
Erdgasflamme: CO entsteht im angeregten Zustand. Bei der Rückkehr in den Grundzustand wird Licht emittiert.
ei einer Wasserstoffflamme reicht die Energie der thermischen Bewegung zur Anregung nicht aus.

13. Erläutern Sie die Konzepte „Theorie“ und „Modell“ in der Physik. Welches sind die besonderen Probleme in der Quantenphysik.

Lösung:
Eine physikalische Erscheinung kann mit einer Theorie und/oder einem Modell beschrieben werden. Modell bzw. Theorie haben mit der zu beschreibenden Erscheinung übereinstimmende Strukturmerkmale. Für manche Vorgänge findet man kein passendes Modell, obwohl es eine perfekte Theorie gibt, z. B. die Quantenphysik.

14. Beschreibe die Struktur der Quantentheorie. (Bedeutung der Psi-Funktion. Welche Größen kann man aus ihr berechnen?)

Lösung:
Die Quantentheorie löst ein Problem in zwei Schritten. Man gibt Information über das betrachtete System ein. Daraus wird zunächst die Psi-Funktion berechnet: Funktion von Ortskoordinaten und Zeit. Aus der Psi-Funktion berechnet man die Dichte und die Stromdichte des Elektorniums. Außerdem Energie, Impuls, Drehimpuls, Magnetismus.