Aufgabenblock — AFB II
Diese Übung deckt alle fünf Unterkapitel 6.1.1 bis 6.2.3 ab. Sie lösen 10 Aufgaben der Anforderungsstufe AFB II (Zusammenhänge herstellen): Messreihen auswerten, Formeln aus Bausteinen zusammensetzen, Verhältnisse bilden und Rechenketten über mehrere Schritte führen. In den Ketten wird der nächste Schritt erst frei, wenn der vorige stimmt — so merken Sie sofort, wo ein Zwischenergebnis kippt. Zu jeder Aufgabe gibt es gestufte Hilfen und eine ausführliche Lösung. Zwischendurch stehen zwei Werkzeuge zum Ausprobieren; sie werden nicht bewertet.
Kapitel 6.1.1. An einer Elektronenbeugungsröhre wird der Radius r des inneren Rings für fünf Beschleunigungsspannungen gemessen (Ablesegenauigkeit ±0,03 cm).
| U in kV | 2,0 | 3,0 | 4,0 | 5,0 | 6,0 |
|---|---|---|---|---|---|
| r in cm | 2,00 | 1,64 | 1,42 | 1,26 | 1,15 |
Prüfen Sie die Vermutung r ~ 1/√U, indem Sie das Produkt r·√U bilden. Arbeiten Sie die Kette Schritt für Schritt ab.
So geht’s: Dezimalkomma benutzen, nur die Zahl eintragen. Mit Enter im Feld prüfst du direkt. Der nächste Schritt öffnet sich erst, wenn der vorige stimmt.
Lösung anzeigen
Vorhersage: r(8,0 kV) = 2,83 / √8,0 = 1,00 cm. Kontrolle über das Verhältnis: von 2,0 kV auf 8,0 kV ist die vierfache Spannung, also der halbe Radius — 2,00 cm : 2 = 1,00 cm. Beide Wege führen zum selben Ergebnis.
Wichtig für die Deutung: Eine Konstante über fünf Messpunkte ist ein Argument, kein Beweis. Sie zeigt, dass die Daten zum Wellenmodell passen — abprallende Kugeln hätten gar keinen scharfen Ring geliefert.
Kapitel 6.1.1. Bei U1 = 400 V misst man am inneren Ring r1 = 3,6 cm. Der Ring soll auf ein Drittel schrumpfen, also auf r2 = 1,2 cm.
a) Stellen Sie am Regler die Spannung ein, bei der der Ring den Zielradius erreicht. Der angezeigte Radius folgt r = r1·√(U1/U). Eine Abweichung von etwa ±150 V wird noch als Treffer gewertet.
b) Beurteilen Sie außerdem: Auf wie viel Prozent des ursprünglichen Radius sinkt der Ring, wenn man die Spannung lediglich verdoppelt?
Bedienung: Regler mit der Maus ziehen oder mit den Pfeiltasten in 50-V-Schritten verschieben (Pos1 und Ende springen an die Enden). Der Ring rechts folgt deiner Einstellung, der gestrichelte Kreis zeigt das Ziel.
Lösung anzeigen
b) Bei doppelter Spannung ist r2/r1 = 1/√2 = 0,707 ≈ 71 %.
Genau hier sitzt einer der häufigsten Fehler: „Doppelte Spannung halbiert den Ring“ ist falsch — es bleiben 71 % übrig. Erst die vierfache Spannung halbiert den Radius, die neunfache drittelt ihn. Weil r ~ λ gilt, sinkt mit dem Radius immer auch die de-Broglie-Wellenlänge im selben Verhältnis.
Kapitel 6.1.2. Für beschleunigte Elektronen lässt sich die de-Broglie-Wellenlänge direkt aus der Spannung berechnen. Setzen Sie die Herleitung aus den Bausteinen zusammen — zwei Bausteine bleiben übrig.
1. Die Beschleunigungsarbeit steckt vollständig in der kinetischen Energie: e·U =
2. Nach der Geschwindigkeit aufgelöst: v =
3. Eingesetzt in λ = h/(me·v) ergibt sich λ =
Wenden Sie die fertige Formel an: U = 4,0 kV, h = 6,626·10−34 Js, me = 9,11·10−31 kg, e = 1,602·10−19 C.
So geht’s: Einen Baustein anklicken, dann die Lücke — oder mit Tab auf eine Lücke gehen und die Ziffer des Bausteins tippen. Backspace leert eine Lücke wieder.
Lösung anzeigen
Zahlenwerte bei U = 4,0 kV: v = 3,75·107 m/s (rund 12,5 % der Lichtgeschwindigkeit), λ = 1,9·10−11 m = 19 pm.
Verglichen mit dem Netzebenenabstand von Graphit: λ/d = 1,9·10−11 / 2,1·10−10 = 0,092. Über die Gitterbedingung sin α = λ/d gehört dazu ein Beugungswinkel von etwa 5,3°.
Diese Formel erklärt auch das Elektronenmikroskop: hohe Spannung → kurze Wellenlänge → feine Auflösung. Zum Vergleich: sichtbares Licht mit 550 nm hätte λ/d = 2,6·103 — mit sin α > 1 ist Beugung am Graphitgitter damit unmöglich.
Kapitel 6.1.2. Ein Elektron (me = 9,11·10−31 kg) fliegt mit v = 3,0·106 m/s. Es gilt λ = h/p = h/(m·v) mit h = 6,626·10−34 Js.
Berechnen Sie zunächst Impuls und Wellenlänge. Ermitteln Sie danach, wie schnell dasselbe Elektron sein müsste, damit seine Wellenlänge auf λ = 0,10 nm sinkt.
So geht’s: Nur die Vorzahl eintragen — die Zehnerpotenz und die Einheit stehen schon daneben. Prüfen mit Enter oder über den Button.
Lösung anzeigen
2. λ = 6,626·10−34 Js : 2,73·10−24 kg·m/s = 2,4·10−10 m = 0,24 nm
3. v = h/(me·λ) = 6,626·10−34 : (9,11·10−31 · 1,0·10−10) = 7,3·106 m/s
Zum Einordnen: Elektronen-Wellenlängen liegen bei einigen Zehntel Nanometern — also genau in der Größenordnung des Atomabstands im Kristall (Graphit: 2,1·10−10 m). Nur deshalb funktioniert Elektronenbeugung überhaupt. Und die Merkregel bleibt: λ ist antiproportional zu v; doppelte Geschwindigkeit bedeutet halbe Wellenlänge, nicht doppelte.
Kapitel 6.2.1. Ein Doppelspalt mit Spaltabstand d = 50 nm steht im Abstand L = 0,40 m vor dem Schirm. Die Elektronen werden mit U = 10 kV beschleunigt; dazu gehört λ = 1,23·10−11 m. In Kleinwinkelnäherung gilt Δy = L·λ/d.
So geht’s: Rechne konsequent in Metern und rechne erst das Ergebnis in die verlangte Einheit um. Der nächste Schritt öffnet sich, sobald der vorige stimmt.
Lösung anzeigen
2. Bei U = 40 kV ist die Spannung vervierfacht, λ und damit Δy halbieren sich: 0,049 mm.
3. Mit der Unterrichtsblende d = 0,50 mm: Δy = 0,40 · 1,23·10−11 / 5,0·10−4 = 9,8·10−9 m ≈ 10 nm.
Beurteilung: 10 nm sind rund 1000-mal kleiner als die Auflösung eines üblichen Detektors (etwa 0,01 mm). Man sähe also nur einen einzigen hellen Fleck — deshalb braucht der Elektronen-Doppelspalt Spaltabstände im Nanometerbereich. Der Streifenabstand wächst mit L und λ und sinkt mit d.
Die Kette U → λ → Δy im Griff
Ziehen Sie die Beschleunigungsspannung durch und beobachten Sie, wie sich Geschwindigkeit, Wellenlänge und Streifenabstand gemeinsam ändern. Gerechnet wird mit λ = h/√(2·me·e·U) und Δy = L·λ/d für den Aufbau aus A5 (d = 50 nm, L = 0,40 m). Das Streifenbild rechts ist maßstäblich: Verdoppelt sich Δy, verdoppelt sich der Abstand der hellen Streifen. Dieses Werkzeug wird nicht bewertet.
Bedienung: Regler mit der Maus ziehen oder mit den Pfeiltasten in 0,5-kV-Schritten verändern (Pos1/Ende springen an die Enden). Es wird nichts animiert — jedes Bild erscheint sofort.
Kapitel 6.2.1. In einem Doppelspaltversuch legen die Elektronen von der Quelle bis zum Schirm die Strecke s = 0,45 m mit v = 3,0·107 m/s zurück. Die Quelle liefert im Mittel 1,0·103 Elektronen pro Sekunde.
Weisen Sie rechnerisch nach, dass sich praktisch nie zwei Elektronen gleichzeitig in der Apparatur befinden.
So geht’s: 1 ns = 10−9 s und 1 ms = 10−3 s. Im dritten Schritt musst du beide Zeiten in derselben Einheit haben, bevor du teilst.
Lösung anzeigen
2. Δt = 1/Rate = 1 : 1,0·103 s−1 = 1,0·10−3 s = 1,0 ms
3. t/Δt = 1,5·10−8 : 1,0·10−3 = 1,5·10−5, also etwa 0,0015 % der Zeit.
Schlussfolgerung: Zwischen zwei Elektronen liegt im Mittel rund 67 000-mal so viel Zeit, wie ein Flug dauert. Damit ist praktisch nie ein zweites Elektron gleichzeitig unterwegs — und trotzdem entsteht nach vielen Durchgängen das Streifenmuster. Die Erklärung „die Elektronen stoßen sich gegenseitig ab“ ist damit widerlegt: Bei Vereinzelung ist kein Partner da. Jedes Elektron interferiert mit sich selbst.
Kapitel 6.2.2. Der Schirm ist in fünf gleich breite Streifen S1 bis S5 geteilt. Aus |ψ|² ergeben sich die Findewahrscheinlichkeiten P. Zweimal wurde gemessen: einmal mit N = 200, einmal mit N = 20 000 Elektronen.
| Streifen | S1 | S2 | S3 | S4 | S5 |
|---|---|---|---|---|---|
| P | 0,05 | 0,20 | 0,50 | 0,20 | 0,05 |
| Treffer bei N = 200 | 6 | 47 | 96 | 38 | 13 |
| Treffer bei N = 20 000 | 1017 | 3962 | 10 043 | 3971 | 1007 |
Untersuchen Sie den Streifen S2: Wie gut passt die Messung zur Vorhersage — und warum sieht das bei kleinem N so viel schlechter aus?
So geht’s: P ist ein Anteil zwischen 0 und 1, keine Prozentzahl. Die relative Abweichung ist Abweichung geteilt durch Erwartungswert, mal 100.
Lösung anzeigen
Bei N = 200: erwartet 40, gemessen 47, Differenz 7 — relativ 17,5 %.
Deutung: Beide Messungen widersprechen der Theorie nicht. Der Einzelfall bleibt offen, aber die Häufigkeitsverteilung ist sehr genau vorhersagbar — je größer N, desto besser. Die typische Streuung wächst nur mit √N, die relative Abweichung sinkt deshalb mit 1/√N. Aus einer einzelnen Abweichung (etwa 480 statt 500) darf man also nie auf einen Fehler der Theorie schließen.
Kapitel 6.2.2. An der Stelle A ist die Amplitude von ψ dreimal so groß wie an der Stelle B. Insgesamt werden N = 20 000 Elektronen nachgewiesen; an der Stelle B zählt man 100 Treffer.
So geht’s: Im dritten Schritt ist der Anteil gefragt, also eine Zahl zwischen 0 und 1 — nicht die Prozentzahl.
Lösung anzeigen
Zur Einordnung: Halbe Amplitude bedeutet ein Viertel der Trefferdichte, ein Viertel Amplitude ein Sechzehntel, drei Viertel Amplitude noch 9/16 — also gut die Hälfte. Dass ψ auch negativ sein darf, spielt dabei keine Rolle: Gemessen wird das Quadrat, Wellenberg und Wellental sind gleichwertig. Und wo die Amplitude null ist, kommt wirklich kein Elektron an — nicht bloß selten eines.
Erwartungswert und Streuung
Dieselben fünf Streifen wie in A7, dieselben Wahrscheinlichkeiten 0,05 / 0,20 / 0,50 / 0,20 / 0,05. Der helle Umriss zeigt den Erwartungswert P·N, die gefüllte Säule eine gewürfelte Messung. Wählen Sie N und würfeln Sie mehrfach: Die absolute Abweichung wächst mit √N, die relative sinkt mit 1/√N. Genau das ist gemeint, wenn es heißt, der Einzelfall bleibe offen, die Verteilung sei aber sehr genau vorhersagbar. Dieses Werkzeug wird nicht bewertet.
Bedienung: Mit Tab zu den Schaltern, dann Enter oder Leertaste. Jedes Bild erscheint sofort, es wird nichts animiert.
Kapitel 6.2.3. An einem Elektronen-Doppelspalt werden drei Messungen mit je N = 20 000 Elektronen durchgeführt. Gezählt werden die Treffer an zwei Stellen des Schirms: P liegt im späteren dunklen, Q im späteren hellen Streifen.
| Anordnung | Treffer an P | Treffer an Q |
|---|---|---|
| nur Spalt 1 offen | 850 | 900 |
| nur Spalt 2 offen | 870 | 880 |
| beide Spalte offen | 35 | 3520 |
Vergleichen Sie die klassische Erwartung („jedes Elektron nimmt einen der beiden Wege“) mit der Messung und mit der Addition der Amplituden.
So geht’s: In Schritt 3 zuerst beide Wurzeln ziehen, dann addieren, erst zum Schluss quadrieren. (√900 + √880)² ist nicht dasselbe wie 900 + 880.
Lösung anzeigen
An Q: klassisch erwartet 1780, gemessen 3520 — fast das Doppelte. Die Amplitudenaddition (√900 + √880)² ≈ 3560 trifft die Messung dagegen sehr gut.
Schlussfolgerung: Die Annahme fester Bahnen durch je einen Spalt ist unhaltbar — sonst müsste das Bild bei zwei offenen Spalten die Summe der Einzelspaltbilder sein, und Minima wären unmöglich. Die Elektronen werden auch nicht vernichtet: Sie werden aus den Minima in die Maxima umverteilt, die Gesamtzahl der Treffer bleibt gleich. Interferenz ist Umverteilung von Intensität, nie Vernichtung.
Kapitel 6.2.3. Im Fulleren-Interferometer fliegen C60-Moleküle (m = 1,20·10−24 kg, v = 200 m/s, also λ = 2,8·10−12 m) durch ein Gitter mit d = 100 nm; der Detektor steht L = 1,25 m dahinter.
a) Berechnen Sie den Streifenabstand Δy = L·λ/d.
b) Je heißer der Ofen, desto kurzwelliger die abgestrahlte Wärmestrahlung — und desto mehr Welcher-Weg-Information wird verfügbar. Gemessen wurde die Sichtbarkeit V des Streifenmusters: 900 K → 0,47 · 2100 K → 0,25 · 2400 K → 0,12 · 3000 K → 0,01. Ordnen Sie zu.
| Aussage über die Ofentemperatur | V bleibt nahezu unverändert | V ist etwa halb so groß wie bei 900 K | V sinkt auf etwa die Hälfte des vorherigen Wertes | V ist praktisch null |
|---|---|---|---|---|
| Die Temperatur steigt von 900 K auf 1500 K. | ||||
| Die Temperatur liegt bei etwa 2150 K. | ||||
| Die Temperatur steigt von 2100 K auf 2400 K. | ||||
| Die Temperatur erreicht 3000 K. |
So geht’s: Mit Tab in eine Zeile springen, mit den Pfeiltasten die Spalte wählen. Jede Spalte kommt genau einmal vor. Die Aufgabe zählt erst als gelöst, wenn auch Teil a) stimmt.
Lösung anzeigen
Zum Vergleich: Die Wellenlänge der Fullerene ist etwa 7-mal kleiner als die 1,9·10−11 m der Elektronen bei 4,0 kV und rund 400-mal kleiner als das Molekül selbst — und trotzdem interferiert es.
b) 900 K → 1500 K: V bleibt nahezu unverändert (flacher Teil der Kurve). Etwa 2150 K: Halbwert gegenüber 900 K (V ≈ 0,24). 2100 K → 2400 K: V sinkt auf etwa die Hälfte (0,25 → 0,12). 3000 K: V ist praktisch null (0,01).
Deutung: Je heißer der Ofen, desto kurzwelliger die Wärmestrahlung und desto besser sind die beiden Wege unterscheidbar — die Wellenseite verschwindet allmählich. Der Übergang ist stetig, nicht sprunghaft; genau das ist Komplementarität. Ein reiner Rückstoß-Effekt könnte den flachen Anfangsbereich nicht erklären.
Reflexion — bevor Sie weitergehen
Drei Fragen zum Nachdenken — beantworten Sie sie für sich selbst.
- 1. Wurzel und Quadrat:In A1, A2 und A5 stand eine Wurzel im Spiel (r ~ λ ~ 1/√U), in A8 und A9 ein Quadrat (P ~ |ψ|²). Bei welcher der beiden Regeln greifen Sie noch zum falschen Faktor — und woran erkennen Sie in der Aufgabenstellung, welche gemeint ist?
- 2. Rechenketten:Die Ketten in A4, A6 und A7 haben je drei bis vier Schritte. An welcher Stelle ist Ihnen ein Zwischenergebnis gekippt — bei der Zehnerpotenz, bei der Einheit oder beim Umstellen der Formel?
- 3. Von der Zahl zur Aussage:A6 endet mit 1,5·10−5, A9 mit 2,0 %. Beide Zahlen sind erst dann eine Antwort, wenn Sie sie in einen Satz übersetzen. Formulieren Sie beide Sätze — und prüfen Sie, ob darin wirklich eine physikalische Aussage steckt.
