Aufgabenblock — AFB I
Diese Übung deckt alle fünf Unterkapitel 6.1.1 bis 6.2.3 des Themas „Quantenobjekte“ ab. Sie lösen 10 Aufgaben der Anforderungsstufe AFB I (Reproduzieren) — also: Fachbegriffe wiedergeben, Versuchsablauf beschreiben, Formeln kennen und Werte einsetzen. Genau diese Punkte sind in der Klausur sicher zu holen. Zu jeder Aufgabe gibt es eine gestufte Hilfe (erst eine Erinnerung, dann ein konkreter Tipp) und eine ausführliche Lösung. Zwischendurch stehen zwei Werkzeuge zum Ausprobieren — sie werden nicht bewertet, helfen aber beim Verstehen.
Kapitel 6.1.1. Geben Sie den Versuch der Elektronenbeugung wieder. Setzen Sie in jede Lücke das passende Wort aus der Wortbank ein. Zwei Wörter bleiben übrig.
In der Elektronenbeugungsröhre werden die Elektronen durch eine hohe Spannung und treffen anschließend auf eine sehr dünne . Auf dem Leuchtschirm erscheinen dann . Die regelmäßig angeordneten Kohlenstoffatome wirken dabei wie ein . Die hellen und dunklen Bereiche entstehen durch ; die Ringe sind damit ein reines .
So geht’s: Wähle ein Wort in der Wortbank (Klick oder Enter) und klicke dann auf die Lücke. Mit Tab und den Pfeiltasten springst du zwischen den Lücken, mit den Ziffern 1–8 setzt du ein Wort direkt ein, mit Backspace nimmst du es wieder heraus.
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Übrig bleiben „abgebremst“ und „Teilchenphänomen“ — beides passt nicht: Abprallende Kugeln ergäben einen gleichmäßig auslaufenden Fleck ohne dunkle Zwischenräume.
Kapitel 6.1.1. Für den inneren Beugungsring gilt r ~ λ ~ 1/√U, also r2 = r1 · √(U1/U2).
a) Bei U1 = 2,0 kV misst man r1 = 2,0 cm. Berechnen Sie den Radius r2 bei U2 = 8,0 kV.
b) In einer zweiten Röhre gilt U1 = 2,5 kV und r1 = 2,4 cm. Berechnen Sie r2 bei U2 = 10 kV.
Tipp zur Eingabe: Dezimalkomma benutzen, die Einheit steht schon daneben.
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b) r2 = 2,4 cm · √(2,5 kV / 10 kV) = 2,4 cm · 0,50 = 1,2 cm
Merksatz: Die vierfache Spannung halbiert den Radius. Verdoppelt man die Spannung nur, bleiben 1/√2 ≈ 71 % des Radius übrig.
Ringradius und Beschleunigungsspannung
Ziehe die Spannung durch und beobachte, wie die Ringe kleiner werden. Die Zahlen stammen aus der Messreihe des Kapitels: dort war das Produkt r · √U für alle Spannungen konstant 2,83 cm·√kV. Dieses Werkzeug wird nicht bewertet — es soll dir Aufgabe A2 anschaulich machen.
Bedienung: Schieberegler mit der Maus ziehen oder mit den Pfeiltasten in 0,5-kV-Schritten verändern (Pos1/Ende springen an die Enden).
Kapitel 6.1.2. Ein Elektron (me = 9,11·10−31 kg) bewegt sich mit v = 2,0·106 m/s. Es gilt λ = h/p = h/(m·v) mit h = 6,626·10−34 Js.
a) Berechnen Sie den Impuls p (Angabe in 10−24 kg·m/s).
b) Berechnen Sie die de-Broglie-Wellenlänge λ (Angabe in nm).
Tipp zur Eingabe: Nur die Zahl eintragen — die Zehnerpotenz und die Einheit stehen schon daneben (also z. B. 1,82 und 0,36).
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b) λ = h/p = 6,626·10−34 Js : 1,82·10−24 kg·m/s = 3,6·10−10 m = 0,36 nm
Größenordnung zum Merken: Elektronen liegen bei einigen Zehntel Nanometern — genau beim Atomabstand im Kristall (2,1·10−10 m in Graphit). Nur deshalb funktioniert die Elektronenbeugung. Bei halber Geschwindigkeit (1,0·106 m/s) wäre λ doppelt so groß: 0,73 nm.
Kapitel 6.1.2. Ordnen Sie jedem Objekt die de-Broglie-Wellenlänge zu, die im Kapitel dazu berechnet wurde.
Objekt
Wellenlänge λ
So geht’s: Links ein Objekt anklicken (oder mit Enter auswählen), dann rechts die passende Wellenlänge anklicken. Mit den Ziffern 1–5 wählst du die Wellenlänge direkt — sie sind von oben nach unten durchnummeriert. Ein zweiter Klick auf ein verbundenes Objekt löst die Verbindung wieder.
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Elektron nach 4,0 kV → 19 pm (1,9·10−11 m)
kaltes Neutron mit 630 m/s → 0,63 nm
Fulleren C60 mit 200 m/s → 2,8 pm
Fußball mit 25 m/s → 6,2·10−35 m
Die Gleichung λ = h/(m·v) gilt für jedes Objekt mit Impuls. Beim Fußball ist die Wellenlänge nur so winzig, dass sie sich nicht messen lässt — „nicht messbar“ heißt aber nicht „nicht vorhanden“.
Kapitel 6.2.1. Entscheiden Sie für jede Aussage, ob sie wahr oder falsch ist.
So geht’s: Mit Tab durch die Schalter wandern, mit Enter oder Leertaste auswählen. Du kannst deine Wahl jederzeit ändern.
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2 wahr — 10 Elektronen: scheinbar zufällige Punkte; 1000: Streifen erahnbar; 100 000: klares Muster.
3 falsch — Selbstinterferenz; das Muster entsteht auch bei Vereinzelung.
4 wahr — genau das ist die Kernaussage des Versuchs (gelungen 1989 durch Tonomura).
5 falsch — die Streifenlage ist festgelegt, die Punkte füllen sie nur dichter.
6 wahr — jeder Nachweis ist punktförmig, auch wenn die Verteilung eine Welleneigenschaft zeigt.
Kapitel 6.2.1. Ordnen Sie jede Aussage dem passenden Korb zu.
1Ein einzelnes Elektron
2Die Summe sehr vieler Elektronen
So geht’s: Jeder Klick (oder Enter) schiebt eine Aussage in den nächsten Korb. Mit den Ziffern 1 und 2 sortierst du direkt ein, mit der 0 legst du sie zurück in die Sammlung.
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Die Summe sehr vieler Elektronen: zeigt helle und dunkle Streifen · füllt mit steigender Zahl dasselbe Muster immer dichter · ist als Häufigkeitsverteilung sehr genau vorhersagbar.
Beides gehört zusammen: Das Quantenobjekt wird punktförmig nachgewiesen, verteilt sich aber nach einer Wellenvorschrift.
Punkte sammeln am Doppelspalt
Wähle die Zahl der nachgewiesenen Elektronen und schau zu, wie aus scheinbar zufälligen Punkten ein Muster wird. Mit dem Schalter „Welcher-Weg-Detektor“ machst du die Weginformation verfügbar — dann bleiben zwei breite Streifen übrig. Die Gesamtzahl der Treffer ändert sich dabei nicht. Auch dieses Werkzeug wird nicht bewertet.
Bedienung: Mit Tab zu den Schaltern, Enter oder Leertaste drücken. Es wird nichts animiert — jedes Bild erscheint sofort.
Kapitel 6.2.2. Für die erwartete Trefferzahl in einem Schirmstreifen gilt: erwartete Treffer = P · N.
a) In einem Streifen ist die Findewahrscheinlichkeit P = 0,15. Berechnen Sie die erwartete Trefferzahl für N = 2000 Elektronen.
b) In einem anderen Streifen werden 480 Treffer bei N = 8000 Elektronen gezählt. Bestimmen Sie P.
Tipp zur Eingabe: P als Anteil eintragen (0,06), nicht als Prozentzahl.
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b) P = 480 / 8000 = 0,06 = 6 %
Der Erwartungswert ist keine Garantie: Die typische Streuung liegt bei etwa √N. Bei 300 erwarteten Treffern sind rund 17 Treffer Abweichung völlig normal.
Kapitel 6.2.2. Für die Findewahrscheinlichkeit gilt P ~ |ψ|². Kreuzen Sie in jeder Zeile an, wie sich die Trefferdichte an dieser Stelle ändert.
| Änderung der Amplitude von ψ | ein Sechzehntel | ein Viertel | vierfach | keine Treffer |
|---|---|---|---|---|
| Die Amplitude wird halbiert. | ||||
| Die Amplitude wird verdoppelt. | ||||
| Die Amplitude sinkt auf ein Viertel. | ||||
| Die Amplitude ist null (dunkler Streifen). |
So geht’s: Mit Tab in eine Zeile springen, mit den Pfeiltasten die Spalte wählen. Jede Antwortmöglichkeit kommt genau einmal vor.
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Amplitude verdoppelt → vierfache Trefferdichte.
Amplitude auf ein Viertel → ein Sechzehntel.
Amplitude null → keine Treffer.
Übrigens darf ψ auch negativ sein: Gemessen wird das Quadrat, deshalb sind Wellenberg und Wellental gleichwertig. Eine Amplitude von drei Vierteln ergibt 9/16, also noch gut die Hälfte der Trefferdichte.
Kapitel 6.2.3. Ordnen Sie jedem Aufbau das Schirmbild zu, das man beobachtet.
1Interferenzmuster
2Zwei breite Streifen
3Einzelspaltbild
So geht’s: Klick oder Enter schiebt einen Aufbau in den nächsten Korb, die Ziffern 1–3 sortieren direkt ein, die 0 legt zurück.
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Zwei breite Streifen: Detektor eingeschaltet — der Weg ist bekannt, das Bild entspricht der Summe zweier Einzelspalte.
Einzelspaltbild: ein Spalt zugeklebt.
In allen Fällen bleibt die Gesamtzahl der Treffer gleich und jeder Einzeltreffer punktförmig. Interferenz vernichtet keine Elektronen, sie verteilt sie nur um.
Kapitel 6.2.3. Geben Sie die Kernaussagen der Komplementarität wieder. Setzen Sie in jede Lücke das passende Wort ein. Zwei Wörter bleiben übrig.
Welle und Teilchen sind zwei einander Seiten desselben Quantenobjekts. Welche Seite sichtbar wird, entscheidet ; beide zugleich zeigt kein Experiment. Schaltet man einen Welcher-Weg-Detektor ein, so das Interferenzmuster, die Gesamtzahl der Treffer bleibt aber . Misst der Detektor nur etwa jedes zweite Elektron, ist der Kontrast ungefähr ; der Übergang zwischen Wellen- und Teilchenbild verläuft also .
So geht’s: Wort auswählen, dann Lücke anklicken — oder mit den Ziffern 1–8 direkt einsetzen. Backspace leert eine Lücke wieder.
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Übrig bleiben „der Beobachter“ und „sprunghaft“. Das Quantenobjekt verwandelt sich nicht — nur die Frage des Experiments hat sich geändert.
Wie war es?
Wie sicher fühlen Sie sich nach diesen 10 AFB-I-Aufgaben zu den Quantenobjekten?
