Schulfach Physik Oberstufe
Atom- und Kernphysik lernen mit Karteikarten
Atom- und Kernphysik revolutionierten das Weltbild des 20. Jahrhunderts. Das Bohrsche Atommodell erklärte erstmals diskrete Spektrallinien durch quantisierte Energieniveaus. Radioaktivität entsteht durch instabile Atomkerne; Kernspaltung und Kernfusion setzen enorme Energien frei. Die Quantenphysik beschreibt Welle-Teilchen-Dualismus und Heisenbergsche Unschärfe.
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Atomphysik: Quantensprünge und Kernreaktionen
Atomphysik erfordert eine neue Denkweise: Energie ist gequantelt, Elektronen haben keine feste Bahn, Teilchen zeigen Welleneigenschaften.
- Bohr-Postulate: Elektronen bewegen sich auf stabilen Kreisbahnen (Quantenbedingung: n · h = 2πrp). Energieemission nur beim Übergang zwischen Zuständen: E = h · f.
- Photoeffekt: E_kin = h·f - W_A; h: Planck-Konstante (6,626·10⁻³⁴ J·s), f: Frequenz, W_A: Austrittsarbeit. Zeigt Teilchencharakter des Lichts.
- Radioaktivität: Alpha: ²He-Kern (Reichweite cm), Beta: Elektron/Positron (Reichweite m), Gamma: hochenergetische EM-Strahlung (braucht Blei zum Abschirmen).
- Zerfallsgesetz: N(t) = N₀ · e^(-λt); Halbwertszeit T½ = ln2/λ ≈ 0,693/λ.
- Einstein-Äquivalenz: E = mc²; c = 3·10⁸ m/s. Massendefekt bei Kernreaktionen wird als Energie freigesetzt.
Alle Karten in diesem Set
| Vorderseite | Rückseite |
|---|---|
| Was sind die drei Bohrschen Postulate? | 1. Elektronen laufen auf stabilen Kreisbahnen ohne Energieverlust. 2. Energie wird nur beim Übergang zwischen Bahnen abgegeben/aufgenommen (E = hf). 3. Erlaubte Bahnen: Bahndrehimpuls ist ein ganzzahliges Vielfaches von h/(2π). |
| Wie berechnet man die Energie eines Photons? | E = h · f = h · c / λ; h = 6,626 · 10⁻³⁴ J·s (Planck-Konstante), f: Frequenz, c: Lichtgeschwindigkeit, λ: Wellenlänge. |
| Was besagt der Photoeffekt? | Licht der Frequenz f schlägt ein Elektron aus der Metalloberfläche; kinetische Energie des Elektrons: E_kin = h·f - W_A; W_A: Austrittsarbeit des Metalls. Nur Frequenz (nicht Intensität) entscheidet, ob der Effekt auftritt. |
| Was ist der Welle-Teilchen-Dualismus? | Licht und Materie zeigen je nach Experiment Welleneigenschaften (Interferenz, Beugung) oder Teilcheneigenschaften (Photoeffekt, Comptoneffekt). Beide Beschreibungen sind komplementär. |
| Was ist die de-Broglie-Wellenlänge? | λ = h / p = h / (mv); jedes Teilchen mit Impuls p hat eine Materiewellenlänge. Für makroskopische Körper ist λ vernachlässigbar klein; für Elektronen messbar. |
| Was besagt die Heisenbergsche Unschärferelation? | Δx · Δp ≥ h/(4π); Ort und Impuls eines Teilchens können nicht gleichzeitig beliebig genau bestimmt werden. Gilt auch für Energie und Zeit: ΔE · Δt ≥ h/(4π). |
| Was sind die drei Arten radioaktiver Strahlung? | Alpha (α): ⁴₂He-Kern, schwere ionisierende Strahlung, geringe Reichweite (cm in Luft). Beta (β⁻): Elektronen, mittlere Reichweite (m in Luft). Gamma (γ): hochenergetische EM-Strahlung, hohe Durchdringungskraft. |
| Wie lautet das radioaktive Zerfallsgesetz? | N(t) = N₀ · e^(-λt); N₀: Anfangsanzahl der Kerne, λ: Zerfallskonstante, t: Zeit. Aktivität: A(t) = λ · N(t). |
| Was ist die Halbwertszeit T½? | T½ = ln2 / λ ≈ 0,693 / λ; die Zeit, nach der die Hälfte der radioaktiven Kerne zerfallen ist. |
| Was ist der Massendefekt und die Bindungsenergie? | Massendefekt Δm: Masse eines Kerns ist kleiner als die Summe der freien Nukleonenmassen. Bindungsenergie: E_B = Δm · c²; sie hält den Kern zusammen. |
| Was ist Kernspaltung? Nenne ein Beispiel. | Schwere Kerne (z.B. ²³⁵U) werden durch thermische Neutronen gespalten: ²³⁵U + n → ¹⁴¹Ba + ⁹²Kr + 3n + Energie (~200 MeV). Die freigesetzten Neutronen können weitere Spaltungen auslösen (Kettenreaktion). |
| Was ist Kernfusion und warum liefert sie mehr Energie als Spaltung pro Nukleon? | Leichte Kerne verschmelzen zu schwereren: ²H + ³H → ⁴He + n + 17,6 MeV. Bindungsenergie pro Nukleon ist bei mittleren Elementen (Fe) maximal; Fusion leichter und Spaltung schwerer Kerne setzen Energie frei. |
| Was ist Einsteinsche Masse-Energie-Äquivalenz? | E = mc²; c = 2,998 · 10⁸ m/s. Masse und Energie sind äquivalent; bei Kernreaktionen wird Massendefekt in Energie umgewandelt. |
| Was ist die Bindungsenergie pro Nukleon? | E_B geteilt durch die Nukleonenzahl A. Maximum bei A ≈ 56 (Eisen). Leichtere und schwerere Kerne haben geringere Bindungsenergie pro Nukleon, weshalb Fusion (leicht) und Spaltung (schwer) jeweils Energie freisetzen. |
| Was ist Compton-Effekt? | Streuung von Röntgenphotonen an Elektronen mit Wellenlängenänderung: Δλ = (h/m_e·c) · (1 - cos θ). Belegt den Teilchencharakter von Photonen (Impulsübertrag). |
| Was sind Nukleonen? | Sammelbegriff für Protonen und Neutronen (Teilchen des Atomkerns). Masse Proton: m_p = 1,673 · 10⁻²⁷ kg; Neutron: m_n = 1,675 · 10⁻²⁷ kg. |
| Was ist ein Isotop? Was unterscheidet ¹²C von ¹⁴C? | Isotope haben gleiche Protonenzahl, verschiedene Neutronenzahl. ¹²C: 6 Protonen + 6 Neutronen, stabil. ¹⁴C: 6 Protonen + 8 Neutronen, radioaktiv (β⁻-Strahler, T½ = 5730 Jahre, Grundlage der Radiokarbondatierung). |
| Was ist die Schrödingergleichung (qualitativ)? | Die Fundamentalgleichung der Quantenmechanik: beschreibt die Zeitentwicklung der Wellenfunktion ψ(r,t) eines Teilchens. |ψ|² gibt die Aufenthaltswahrscheinlichkeit des Teilchens an einem Ort an. |
| Was ist ionisierende Strahlung und warum ist sie biologisch gefährlich? | Strahlung mit ausreichend Energie, um Atome zu ionisieren (Elektronen herausschlagen). Alpha, Beta, Gamma und Neutronen. Schädigt DNA direkt (Strangbrüche) oder indirekt über Radikalbildung in Wasser. |
| Was ist Kernresonanzfluoreszenz / was ist spontane Emission? | Spontane Emission: Atome in angeregtem Zustand kehren ohne äußeren Anstoß nach einer mittleren Lebensdauer τ in den Grundzustand zurück und emittieren ein Photon (E = hf = ΔE_Niveau). |
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Häufige Fragen
Warum zerfallen radioaktive Kerne nach einem Exponentialgesetz?
Jeder Kern zerfällt mit konstanter, von der Vorgeschichte unabhängiger Wahrscheinlichkeit pro Zeiteinheit (λ). Für viele Kerne ergibt das statistisch den exponentiellen Abfall dN/dt = -λN.
Was unterscheidet den Bohrschen Atommodell vom Quantenmechanischen Modell?
Bohr: Elektronen auf festen Kreisbahnen (falsch, aber für H-Spektrum korrekt). Quantenmechanik: Elektronen in Orbitalen (Aufenthaltswahrscheinlichkeiten), keine definierten Bahnen, Heisenbergsche Unschärfe.
Was ist der Unterschied zwischen Kernspaltung in einem Reaktor und in einer Bombe?
Im Reaktor wird die Kettenreaktion kontrolliert (Steuerstäbe absorbieren überschüssige Neutronen, ein Neutron pro Spaltung löst genau eine weitere Spaltung aus). In der Bombe unkontrollierte Kettenreaktion (jedes freigesetzte Neutron löst weitere Spaltungen aus, exponentielle Energiefreisetzung).