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Ph13 Lernbereich 3: Quanten- und Atomphysik (ca. 55 Std.) Abschnitt zur PDF-Sammlung hinzufügen

Fachoberschule: Physik 13 (T)

Kompetenzerwartungen

Die Schülerinnen und Schüler ...

  • beschreiben mithilfe von Computersimulationen oder Filmen die Gemeinsamkeiten bzw. Unterschiede des Verhaltens von klassischen Teilchen und klassischen Wellen mit bzw. zu freien, gleichartig präparierten Quantenobjekten bei Doppelspaltexperimenten. Anhand der dabei auftretenden Interferenzmuster treffen sie qualitative Wahrscheinlichkeitsvorhersagen über den Ausgang von Einzelmessungen und berechnen die den Quantenobjekten zuordenbaren Wellenlängen, indem sie ihr Wissen über Beugung und Interferenz am Doppelspalt anwenden.
  • entscheiden mithilfe der Komplementarität von „Welcher-Weg-Information“ und „Interferenzfähigkeit“, ob bei Experimenten mit Quantenobjekten Interferenzerscheinungen auftreten, und erläutern dabei den Einfluss des Messvorgangs auf das Messergebnis. Auf Grundlage ihres Wissens um die Eigenschaften von Quantenobjekten sowie die Unbestimmtheitsrelation von Heisenberg mit den komplementären Größenpaaren „Ort“ und „Impuls“ zeigen sie Grenzen klassischer Modelle bei der Deutung quantenphysikalischer Prozesse auf und beschreiben den Wandel des physikalischen Weltbildes im 20. Jahrhundert.
  • werten die experimentell an einer Elektronenbeugungsröhre gewonnenen Interferenzmuster unter Anwendung der Gesetzmäßigkeiten der Bragg-Reflexion aus. Unter Verwendung der von ihnen im Rahmen der Versuchsauswertung ermittelten de-Broglie-Gleichung diskutieren sie für verschiedene Quantenobjekte (z. B. Fullerene) die technischen Herausforderungen zur Bestimmung der den Quantenobjekten zuordenbaren de-Broglie-Wellenlängen.
  • ermitteln mithilfe experimentell gewonnener Daten zur quantitativen Bestimmung des Zusammenhangs zwischen der Frequenz des eingestrahlten Lichtes und der maximalen kinetischen Energie der beim äußeren Fotoeffekt ausgelösten Elektronen materialspezifische Austrittsarbeiten, Grenzfrequenzen und das Planck'sche Wirkungsquantum. Sie erläutern unter Berücksichtigung der quantisierten Energie‑ und Impulsübertragung die physikalischen Grundlagen bei Wechselwirkungen elektromagnetischer Strahlung mit Materie.
  • erläutern Versuche zur quantenhaften Energieemission und ‑absorption von Atomen und unterscheiden die Anregung der Atomhülle durch Wechselwirkung mit freien Elektronen von der Anregung durch Photonenabsorption. Anhand vorgegebener oder aus experimentellen bzw. theoretischen Werten entwickelter Energieniveauschemata gebundener Zustände im Atom stellen sie quantitativ Zusammenhänge zwischen Energiedifferenzen bei Zustandsänderungen und der Wellenlänge bzw. der Frequenz der dabei ggf. absorbierten bzw. emittierten Strahlung her. Dazu nutzen sie den Energieerhaltungssatz und im Fall des Wasserstoffatoms auch die empirisch gewonnene Serienformel.
  • beschreiben gebundene Zustände von Quantenobjekten durch reellwertige zeitunabhängige Zustandsfunktionen (Ψ-Funktionen) und modellieren ihre Bindung in einem quantenmechanischen System insbesondere durch abschnittweise konstante potenzielle Energiefunktionen V (Potenzialtopfmodelle). Sie nutzen Computerprogramme und im Fall eines eindimensionalen Potenzialtopfs mit unendlich hohen Wänden auch Methoden der Differenzial‑ und Integralrechnung, um die Ψ-Funktionen unter Berücksichtigung von Anfangs‑ und Randbedingungen als Lösungen der zeitunabhängigen Schrödingergleichung für diskrete Energiewerte und in Abhängigkeit von Quantenzahlen zu ermitteln. Sie veranschaulichen Ψ und |Ψ|2 durch Liniendiagramme und treffen Aussagen über die Aufenthaltswahrscheinlichkeit der Quantenobjekte innerhalb bestimmter Bereiche.
  • beurteilen die Gültigkeit und die Grenzen von Potenzialtopfmodellen zur Beschreibung gebundener Quantensysteme. Dazu vergleichen sie insbesondere theoretisch ermittelte Energiewerte mit experimentell aus Absorptions‑ oder Emissionsspektren gewonnenen Werten. Im Fall gebundener Mehrelektronensysteme wenden sie das Pauli-Prinzip an, um mögliche Elektronenkonfigurationen zu ermitteln.
  • erläutern die Erzeugung von Röntgenstrahlung in einer Röntgenröhre, erklären mithilfe geeigneter Modellvorstellungen den kontinuierlichen und den charakteristischen Anteil des Emissionsspektrums und beurteilen den Einfluss der Beschleunigungsspannung der Röntgenröhre und des Anodenmaterials auf das Gesamtspektrum. Sie ziehen Rückschlüsse auf das verwendete Material in der Röntgenröhre und bewerten den medizintechnischen Einsatz von Röntgenstrahlung unter gesundheitlichen Gesichtspunkten. Für Strukturanalysen sowie zur Berechnung von Wellenlängen wenden sie die Gesetzmäßigkeiten der Bragg-Reflexion an.

Inhalte zu den Kompetenzen:

  • Jönsson-Experiment, Doppelspaltexperiment mit reduzierter Lichtintensität
  • Versuch zum Quantenradierer
  • Eigenschaften von Quantenobjekten: Unteilbarkeit, Interferenzfähigkeit, stochastisches Verhalten, Unbestimmtheit
  • Unbestimmtheitsrelation von Heisenberg
  • Versuch mit der Elektronenbeugungsröhre, de-Broglie-Gleichung, Bragg-Bedingung
  • Wechselwirkungen elektromagnetischer Strahlung mit Materie: äußerer Fotoeffekt, Comptoneffekt, Paarbildung (nur Energiebilanz)
  • Resonanzfluoreszenz, Franck-Hertz-Versuch
  • Energiewerte und Serienformel für das Wasserstoffatom:
    E index n ist gleich minus R index H mal h mal c mal eins geteilt durch n quadrat Strickpunkt eins geteilt durch lambda ist gleich R index H mal Klammer auf eins geteilt durch n quadrat minus eins geteilt durch m quadrat Klammer zu dabei sind n und m aus der Menge der natürlichen Zahlen wobei m größer als n ist
  • Potenzialtopfmodelle: eindimensionaler Potenzialtopf mit unendlich hohen Wänden (quantitativ), mit endlich hohen Wänden (nur qualitativ), zwei‑ und dreidimensionaler Potenzialtopf (nur qualitativ)
  • eindimensionale stationäre Schrödingergleichung für ein Quantenobjekt der Masse m: Psi zweistrich von x plus acht pi quadrat mal m geteilt durch h quadrat mal Klammer auf E minus V von x Klammer zu mal psi von x ist gleich null
  • Zustandsfunktionen und Energiewerte beim eindimensionalen Potenzialtopf der Breite a mit unendlich hohen Wänden:
    Psi index n von x ist gleich der Quadratwurzel aus zwei geteilt durch a mal dem sinus von Klammer auf n mal pi durch a mal x Klammer zu Strichpunkt E index n ist gleich h quadrat geteilt durch Klammer auf acht m mal a quadrat Klammer zu mal n quadrat mit x von null bis a und n aus der Menge der natürlichen Zahlen
  • |Ψ|2 als Wahrscheinlichkeitsdichte
  • Röntgenstrahlung: Erzeugung, charakteristische Strahlung, Bremsstrahlung, Grenzwellenlänge, Gesetz von Moseley, Strukturanalyse mit der Einkristallmethode