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Bei diesem Versuch möchte man herausfinden, wie viel elektrische Ladung auf einem Elektron „sitzt“. Sie wird Elementarladung genannt, weil es die kleinste Menge elektrischer Ladung ist, die in freier Wildbahn vorkommt.
Die Idee ist, die elektrische Kraft und die Gravitationskraft (Schwerkraft) gegeneinander antreten zu lassen. Die Gravitationskraft zieht ein kleines Öltröpfchen nach unten. Wenn man auf das Öltröpfchen Elektronen draufsetzt, kann es nach oben gezogen werden, wenn oben eine positiv geladene Metallplatte ist. Man kann die Stärke der Ladung der Metallplatte genau bestimmten (die Spannung). Und wenn das Tröpfchen schwebt, weiß man, die beiden Kräfte halten sich die Waage.
Man weiß also, wie viele Ladungen sich auf dem Tröpfchen befinden. Und da das Ganze in Stufen mehr wird, kann man die Größe einer Stufe bestimmten – das ist die Elementarladung von einem Elektron.
Schau hier weiter: https://de.wikipedia.org/wiki/Millikan-Versuch
Diese Texte sind Starthilfen zum Lernen. Sie geben Ihnen einen Einblick, worum es bei dem Thema geht. Die Idee. Achtung: Es ist möglicherweise nicht unbedingt genau das, was Ihr:e Prüfer:in darüber hören möchte. Es ist auch nicht der ganze Stoff. Machen Sie sich nach dem Lesen des Textes ein eigenes Bild mit Ihren Büchern und den anderen Quellen. Ein freies Online-Schulbuch aus Österreich: https://physikbuch.schule, aus Deutschland: https://www.leifiphysik.de/. Weitere empfehlenswerte Schulbuchreihen der Oberstufe aus Österreich: Big Bang, Sexl, Physik kompakt.
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Wie ist das Atom aufgebaut? Es sind die kleinsten Teilchen der Materie. Unteilbar wären sie, meinte Demokrit. Später hat man entdeckt, dass sie aus Elektronen (elektrisch negativ geladen) und Protonen (elektrisch positiv geladen) und Neutronen (elektrisch neutral) bestehen. Die Frage war nun, wie. Wie in einem Kuchen, alles bunt vermischt? Nein. Im Kern, so hat man herausgefunden, sind die Protonen und die Neutronen. Rundherum die Elektronen, in der Hülle.
Jetzt gab es aber ein Problem. Man weiß, dass Elektronen auf einer Kreisbahn beschleunigt sind. Beschleunigung bedeutet: sie ändern ihre Geschwindigkeit. Nicht der Größe nach, aber der Richtung. Immerhin. Und jede beschleunigte Ladung strahlt nun Energie in Form einer elektromagnetischen Welle ab. Das Elektron müsste also Energie verlieren, und in den Kern stürzen.
Das ist aber nicht so. Niels Bohr sagte: „Auf bestimmten, erlaubten Bahnen kreisen die Elektronen stabil um das Atom“.
Das Eltkron kann die Bahnen auch wechseln, dazu braucht es eine bestimmte Menge an Energie, oder es gibt sie ab. Das wird „Quantensprung“ genannt, weil die Größe der Energie exakt festgelegt ist.
Details: https://de.wikipedia.org/wiki/Bohrsches_Atommodell
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Dieses Experiment zeigt, dass Licht aus Quanten besteht. Sie werden Photonen genannt. Es ist ein Experiment, das die Teilchennatur des Lichtes offenbart. Da es nun aber auch viele Experimente gibt, die die Wellennatur des Lichtes zeigen, ist insgesamt festzuhalten: „Licht ist Welle und Teilchen zugleich“ (Welle_Teilchen-Dualismus.
Die Idee beim Photoelektrischen Effekt ist, dass sich eine geladene Zinkplatte entlädt, wenn man sie mit Licht beleuchtet. Es ist eine Metallplatte, die mit Elektronen negativ aufgeladen wurde. Wenn man sie mit Licht bestrahlt, kann sie sich entladen, weil Licht die Energie herbei transportiert, die die Elektronen brauchen, um die Metallplatte zu verlassen. Doch Achtung: nicht jedes Licht ist dazu geeignet, und das ist das Besondere an diesem Experiment.
Mit rotem Licht passiert gar nichts. Gut, man weiß, dass rotes Licht wenig Energie hat. Wenn Licht eine Welle wäre, dann müsste man nur länger hinleuchten, die Energie kommt dann irgendwann summenmäßig zusammen, die benötigt wird, dass ein Elektron sich aus der Platte befreit. Aber: es ist nicht passiert. Man kann mit rotem Licht auch lange hinleuchten, bringt es nicht die Energie, die das Elektron benötigt, um die Platte zu verlassen. Man kann auch mehr rotes Licht hinleuchten – nach der Wellentheorie müsste auch dann die Entladung funktionieren, weil in Summe genug Energie herbeikommt. Ist aber nicht so. Auch intensiveres rotes Licht führt zu keiner schnelleren Entladung
Aber: mit blauem Licht passiert etwas. Man weiß, dass blaues Licht energiereich ist. Das ist also leicht zu erklären. Intensiveres blaues Licht führt zu einer schnelleren Entladung.
In Summe ist es rätselhaft. Mit der Wellennatur kann man nicht erklären, warum die Entladung nicht mit rotem Licht funktioniert.
Aber: Jetzt kommt ein Vergleich. Angenommen Licht ist so wie ein Hagelkorn. Rotes Licht – ein kleines Hagelkorn. Wenig Energie. Blaues Licht – ein großes Hagelkorn. Viel Energie. Es hagelt auf einen Regenschirm. Man kann noch so lange mit kleinen Hagelkörner hinhageln, wird es kein Loch reißen. Auch stärker nützt nichts, jedes einzelne Hagelkorn richtet keinen Schaden an. Aber mit einem großen Hagelkorn, da gibt es ein Loch.
Und so kann man die ganze Sache mit dem Licht sehen. Licht ist keine Welle, sondern ein Teilchen, so wie ein Hagelkorn. Rotes Licht ist ein kleines Teilchen (Photon), es hat wenig Energie. Blaues Licht ist ein großes Teilchen (Photon), es hat viel Energie.
Licht besteht aus Teilchen. Das ist das Ergebnis dieses „Photoelektrischen Effektes“.
Link: https://de.wikipedia.org/wiki/Photoelektrischer_Effekt
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Strahlung die aus dem Weltraum kommt: Elektronen, Protonen, Ionen. Normalerweise werden diese Teilchen von unserer Atmosphäre abgefangen. Sie stoßen in den hohen Luftschichten mit den Atomen der Atmosphäre zusammen – was in den Gegenden der Pole für das Polarlicht sorgen kann. Wenn aber diese Teilchen abgefangen werden, kommt nichts oder nur wenig auf der Erde an, und man kann sie am Boden nicht feststellen, dass es sie gibt. Genau dafür hat aber Victor Hess 1912 vorhergesagt. Es müsste sie geben. Und sie wurde durch Ballonfahrten gefunden.
Link zu Wikipedia | Link zu Marietta Blau
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Von einem großen Stück Brot können sie wahrscheinlich jede beliebige kleinere Menge abschneiden. Bei Salz ist das schwieriger: die Salzkristalle sind Körner, die eine kleinste Einheit bilden, einen halben Kristall werden Sie nicht wirklich gut abtrennen können. Ähnlich ist das in der Physik mit einigen physikalischen Größen. Temperatur – da gibt es jeden Zwischenwert. Aber bei der elektrischen Ladung sieht das anders aus: es gibt die kleinste Ladung – die sitzt in ihrer negativen Form auf einem Elektron. Oder in ihrer positiven Form auf einem Proton. Man sagt: die elektrische Ladung ist quantisiert. Bei der Energie ist das auch so – auch sie ist quantisiert. Und vermutlich auch die Zeit. Auch wenn sie uns als sehr gleichmäßig verlaufend erscheint, könnte sie durchaus ruckartig verlaufen, das aber so schnell, dass wir es nicht mitbekommen. Max Planck hat mit der „Theorie der Quantisierung“ 1900 den Grundstein zur Quantenphysik gelegt.
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Wenn jemand eine bestimmte Strecke vor und zurückläuft, sollte er genau so lange brauchen, wie jemand, der eine gleich lange Strecke senkrecht dazu auf und ab. Wenn das nicht so ist, muss einer der Läufer etwas auf seinem Weg erlebt haben. Das ist die Grundidee des Michelson-Interferometers. Nur sind es dabei nicht Läufer, die unterwegs sind, sondern das Licht. Man könnte mit einem Michelson-Interferometer zeigen, dass die Erde bei ihrem Flug um die Sonne durch den Äther unterwegs ist, der das Universum ausfüllen würde, und der Stoff wäre, der Licht und andere elektromagnetische Wellen trägt. Es gibt ihn nicht, die beiden Lichtstrahlen kommen gleichzeitig an, egal ob sie dem Äther entgegen und zurück oder senkrecht dazu auf- und ablaufen. Man sagt, dieses Experiment wäre eine der Ausgangspunkte der Relativitätstheorie gewesen, obwohl Einstein möglicherweise gar nichts davon gewusst hat, als er damit begann.
Link zum Wikipedia-Artikel
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Basics, Physiknobelpreise, Tagebuch |
Es ist einigermaßen gruselig, wenn auf einem Fotopapier etwas erscheint, obwohl es eigentlich lichtdicht eingepackt ist, und nichts drauf sein sollte, wenn man es entwickelt. Genau das ist dem Ehepaar Curie passiert, das in ihrem Labor einen Stein (Pechblende) auf so ein eingepacktes Fotopapier gelegt hat. Die Erklärung: in Pechblende befinden sich die radioaktiven Element Uran, Radium und Polonium, die radioaktive Strahlung abgeben. Entdeckt wurde diese Strahlung von Henri Bequerel, der 1903 die zweite Hälfte des Nobelpreises dafür erhielt – gemeinsam mit dem Ehepaar Curie. Radioaktive Strahlung: Man sieht sie nicht, hört sie nicht, schmeckt sie nicht – aber es ist doch eine energiereiche Strahlung. Fotopapier kann es enthüllen. Ein Geigerzähler auch.
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Lichtwellen und Radiowellen sind beides elektromagnetische Wellen – unterschiedlicher Frequenz. Je höher die Frequenz, desto mehr Energie steckt in einer Welle. Röntgenstrahlung ist nun eine elektromagnetische Welle mit noch höherer Frequenz. Die Frage ist nun, wie sie erzeugt werden kann. Licht durch Hitze (oder Halbleiter bei LED), Radiowellen in Antennen, und für Röntgenstrahlung braucht man Elektronen, die man auf Metall ballert. Wilhelm Konrad Röntgen hat diese „Bremsstrahlung“ 1895 entdeckt, X-Strahlung genannt – auf Englisch heißt Röntgenstrahlung heut noch X-Rays – und 1901 hat er dafür den Nobelpreis erhalten. Röntgenstrahlen durchdringen übrigens Gegenstände, wird teilweise von ihnen aufgenommen (absorbiert) und so entstehen die Röntgenbilder, die Auskunft aus dem Inneren des Körpers geben.
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Basics, Bedeutende physikalische Experimente, Kern und Elementarteilchenphysik, Physik des 21. Jahrhunderts |
Ein Elementarteilchenbschleuniger bringt kleine Teilchen auf hohe Geschwindigkeiten, bevor sie aufeinander stoßen. Es entstehen neue Teilchen und Hinweise auf Kräfte.
LHC ist eine Abkürzung natürlich, und zwar für „Large Hadron Collider“. Large – groß. Riesig sogar. Collider: es geht um Kollisionen, und Hadron, das ist eine Art von Elementarteilchen, Protonen sind gemeint. Die werden im LHC aufeinander geschossen, so, dass sie kollidieren. Zusammenstoßen. Dabei entstehen Trümmer, neue Teilchen, und an der Häufigkeit dieser Ereignisse kann man auf Kräfte und Zutaten der Materie schließen. Die ganze Anlage heißt LHC, sie befindet sich im CERN, im Zentrum für Elementarteilchenforschung in der Schweiz. Es wird im LHC nach einem ganz bestimmten Teilchen gesucht, dem sogenannten Higgs-Boson. Wenn es existiert, kann man gut erklären, wie alle anderen Teilchen dieses Universums zu ihrer Masse kommen. Und wie es aussieht, hat man dieses Higgs-Boson tatsächlich gefunden.
Link: Zum Weiterlesen über LHC und die Suche nach dem Higgs-Boson empfiehlt sich dieser Artikel von Leo Ludick (PDF)
Link zum Wikipedia-Artikel
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Basics, Bedeutende physikalische Experimente |
Strahlung aus dem Weltraum erzählt uns etwas, was im Weltraum passiert. Es gibt Sterne. Sie leuchten. Die Lichtstrahlen erzählen uns über den Stern. Es gibt Teilchenstrahlen – zum Beispiele Elektronen und Protonen von der Sonne – sie erzählt uns, was auf der Sonne gerade passiert.
Und es gibt die kosmische Hintergrundstrahlung. Ein ganz bestimmtes Rauschen. Es erzählt uns vom Anfang des Universums. vom Urknall.
Der Cobe-Satellit kann diese Strahlung feststellen. Er wurde genau dafür gebaut. Cobe bedeutet: „Cosmic Background Explorer“.
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Wer zur Sonne schaut, sieht helles Licht. Es sieht „weiß“ aus, und wenn dieses Licht zerlegt wird, sehen wir alle Regenbogenfarben. Licht kann in einem Wassertropfen zerlegt werden, oder in einem Glasprisma. Isaac Newton hat das gemacht.
Wer sich die Regenbogenfarben genau ansieht, sieht eine ganze Bandbreite verschiedener Farben, die ineinander übergeben. Von Blau bis Rot, dazwischen Gelb und Grün. Wer ganz genau hinsieht, bemerkt, dass in verschiedenen Bereichen schwarze Linien sind. Da fehlt eine ganz bestimmte Farbe. Wer hat sie entfernt? Sie müsste ja da gewesen sein?
Es sind ganz bestimmte Atome, deren Elektronen in der Hülle ganz bestimmte Energien verschlucken können, wenn sie diese bekommen. Licht ist nun Energie, und eine bestimmte Farbe von Licht ist eine ganz bestimmte Energie. Somit kann man feststellen, wenn eine ganz bestimmte Farbe fehlt, dann wird ein ganz bestimmtes Atom dafür verantwortlich sein.
Wasserstoff zum Beispiel. Und davon gibt es auf der Sonne ja mehr als genug.
Link: Fraunhoferlinien auf Phyx und https://de.wikipedia.org/wiki/Fraunhoferlinie
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Albert Einstein hat für die Erklärung dieses Experiments den Nobelpreis erhalten. Den gibt es nämlich nur für konkrete Sachen, Experimente, nicht für Theorien. Einstein erklärte die Ergebnisse eines Experimentes so: „Licht besteht aus Teilchen“.
Konkret wird beim Experiment mit dem Photoeffekt eine Zinkplatte elektrisch aufgeladen, indem Elektronen darauf gepackt werden. Sie wird sich über den Tag hinweg langsam wieder entladen, weil Elektronen durch die Luft entkommen können. Aber man kann diesen Effekt beschleunigen, indem man Licht darauf strahlt. Interessanterweise nicht rotes Licht, sondern bei blauem Licht. Man weiß, dass blaues Licht höherfrequent ist, dass es mehr Energie hat. Die bisherige Theorie – Licht ist eine Welle – würde vorhersagen lassen, dass man rotes Licht einfach nur länger hinstrahlen müsste, bis die Energie zusammenkommt, die Elektronen brauchen, um zu entkommen, aber genau das passierte nicht.
Ein Vergleich zeigt, was passiert: Sie stehen unter einem Regenschirm und es hagelt. Kleine Hagelkörner (rotes Licht, rote Lichtteilchen) haben zu wenig Energie, um Löcher in den Schirm zu stoßen, da kann es noch so lange hageln, summiert sich das nicht auf. Aber bei einer bestimmten Hagelkerngröße (blaues Licht, energiereiche Lichtteilchen) reißen Löcher. Hagelt es mehr, gibt es mehrLöcher. Intensiveres blaues Licht lässt die Platte schneller entladen.
Mit dem Photoelektrischen Effekt und seiner Erklärung – Licht besteht aus einem Strom von Photonen unterschiedlicher Energiemengen, je nach Farbe/Frequenz – und dem Doppelspaltexperiment – Licht ist eine Welle, die durch zwei Löcher gleichzeitig gehen kann – spannt sich ein Widerspruch auf, der nicht auflösbar ist. Deshalb sagt man: Licht ist beides. Wir sprechen vom Welle-Teilchen-Dualismus. Manche Experimente zeigen die eine Seite des Lichts, andere Experimente zeigen die andere Seite.
Link: https://de.wikipedia.org/wiki/Photoelektrischer_Effekt
Hinweis: Die Farben dünner Schichten sind durch das Wellenmodell von Licht erklärbar. Sie entstehen durch das Phänomen Interferenz.
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Das Doppelspaltexperiment gehört zur Quantenphysik. Es sind diese erstaunlich anderen Gesetze in der Welt der kleinsten Teilchen, die in diesem Teilgebiet der Physik faszinieren. Üblicherweise kann man ja nicht durch zwei Türen gleichzeitig gehen. Das gilt in unserer Welt, in unserer großen Welt. In der Quantenwelt ist genau das möglich. Photonen, Elektronen und andere Teilchen gehen gleichzeitig durch zwei Spalten, wenn man nicht hinsieht. Wenn man sie beobachtet, entscheiden sie sich für eine Spalte. Das klingt rätselhaft – so rätselhaft, dass Erwin Schrödinger die Geschichte mit der Schrödinger-Katze erfand, die ebenso zwei Sachen gleichzeitig macht: sie ist lebendig und tot zu gleich. „Du spinnst“, sagten die Leute. Aber Schrödinger machte ja mit dieser Katze kein wirkliches Experiment sondern nur ein Gedankenexerperiment. Quantenteilchen würden sich so benehmen.
Young zeigte schon 1802 die Wellennatur von Licht, indem er es auf einen Doppelspalt (zwei Löcher/Schlitze) scheinen ließ. Dahinter gab es ein Interferenzmuster. Licht erreichte Stellen, an die es auf direktem Weg nicht hinkommen würde. Einstein würde 1905 dann etwas anderes mit dem Photoelektrischen Effekt zeigen: dass Licht aus Teilchen – den Photonen – besteht. Was ist Licht nun: Welle oder Teilchen? DAs ist ein Widerspruch, der sich nicht auflösen ließ, und so sagt man: Licht ist beides. Welle und Teilchen zugleich. Der sogenannte Welle-Teilchen-Dualismus. nicht nur bei Licht, sondern auch bei Materieteilchen ist das der Fall. Elektronen sind nicht nur Teilchen sondern auch Wellen – das zeigt sich bei Elektronenmikroskopen, die nicht mit Lichtwellen sondern mit Elektronenwellen funktionieren.
Link: https://de.wikipedia.org/wiki/Doppelspaltexperiment
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Einstein formuliert in seiner Relativitätstheorie einen interessanten Gedanken. Wer schnell unterwegs ist, wird eine andere Zeit messen, als jemand, der im Vergleich dazu in Ruhe ist. Diese Effekte treten spürbar ab der halben Lichtgeschwindigkeit auf, man muss also schon wirklich sehr schnell sein, um den zeitverlängerten Effekt schneller Reisen zu bemerken. Aber eigentlich müsste man das auch bei niedrigen Geschwindigkeiten messen können, wären die Messgeräte nur genau genug. Bewegte Uhren gehen langsamer. Kann man das auch in unserer Welt zeigen?
Atomuhren sind sehr genaue Uhren: sie können Zeitunterschiede von 30 ns (Nanosekunden) leicht messen. In dieser Größenordnung war der vorhergesagte Unterschiede in den Zeiten, wenn man eine Atomuhr in ein Flugzeug packt, und eine andere am Boden lässt. Der Effekt wurde von Hafele und Keating 1971 gemessen. Somit konnten sie zeigen, dass ein wesentlicher Teil der Relativitätstheorie vorhersagbar und messbar ist – die Veränderung der Zeit bei Bewegung. Diesen Effekt gibt es auch in unterschiedlichen Höhen. Auch das konnte gemessen werden.
Link: https://de.wikipedia.org/wiki/Zeitdilatation
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Magnetische Kräfte haben nichts mit elektrischen Kräften zu tun. Vorderhand. Zunächst. Magnetische Kräfte wirken zwischen Magneten, und elektrische Kräfte zwischen Teilchen mit der Eigenschaft „Ladung“. Oersted fand in seinem Labor aber heraus, dass es eine Verbindung zwischen den beiden Welten gibt. Nur mit dieser Verbindung ist es möglich, Generatoren und Motoren zu bauen, und in der Folge auch elektromagnetische Wellen in Sendern und Empfängern zu senden und empfangen.
Schritt 1: Wenn ein Elektron ruhig im Kabel sitzt, weil der Stromkreis unterbrochen ist wird sich ein Magnet – vielleicht eine Kompassnadel – völlig unbeeindruckt vom Elektron zeigen. Die magnetische Nadel zeigt zum Nordpol, dorthin, wo das Erdmagnetfeld zeigt. Wird der Stromkreis aber geschlossen, beginnt sich das Elektron zu bewegen. Und ein bewegtes Elektron „benimmt“ sich wie ein kleiner Magnet. Man sagt, es erzeugt ein Magnetfeld, das eben die Kompassnadel spüren kann, sie beginnt sich in eine bestimmte Position zum Kabel hinzudrehen. Wird der Stromkreis wieder unterbrochen, ist das künstliche Magnetfeld wieder weg, und die Kompassnadel zeigt nach Norden.
Das war der Versuch von Oersted.
Es gibt dann in der Folge noch zwei weitere Experimente, die spannend sind: Bringt man nämlich einen Magneten mit, und lässt Elektronen in einem Kabel fließen, das in dessen Magnetfeld liegt, so entsteht eine Kraft. Das Kabel fliegt einem um die Ohren. Es ist die Lorenzkraft die entsteht. Strom plus Magnetfeld ergibt eine Kraft. Aus elektrischer Energie wird mechanische Energie. Das Motorprinzip.
Und das zweite: aus mechanischer Energie kann elektrische Energie werden. Eine Leiterschleife wird in einem Magnetfeld gedreht. Durch die Drehung werden die Elektronen in eine bestimmte Richtung im Kabel gedrängt, man sagt, es werde eine „Spannung induziert“. Das Generatorprinzip. Aus Drehung in einem Magnetfeld entsteht Spannung.
Link: https://de.wikipedia.org/wiki/Hans_Christian_Ørsted
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