Atomphysik für den Schulunterricht Teil I, 4.4.2007 Stefan Heusler

Fragestellungen Wie lässt sich das Verhalten und Eigenschaften von festen, flüssigen und gasförmigen Stoffen beschreiben und erklären? z.B. wieviele Wasserstoff und Sauerstoff- Atome befinden sich in einem Glas Wasser? z.B. wie ist das Gitter von Na und Cl Atomen in Kochsalz aufgebaut? z.B. wieso sind manche Stoffe durchsichtig, andere nicht? Antworten darauf liefert die moderne Atomtheorie.

Atomarer Aufbau der Materie Wie können wir Informationen über Atome erhalten? a. Beobachtung von Strahlungsspektren b. Streuexperimente c. „Abtasten“ mit geeigneten Methoden (z.B. Rasterkraftmikroskop)

1. Thema: Das Spektrum Teil 1: Spektralanalyse in der Akustik Teil 2: Spektralanalyse in der Optik: Atomspektren

Teil 1: Spektralanalyse in Akustik Was ist ein Spektrum? Welche Beispiele für „Spektren“ kennen Sie? Klangspektrum Farbspektrum

Das drehende Rad: Methapher für eine „Welle“ Wieviele Umdrehungen pro Sekunde macht ein Autoreifen, wenn das Auto sich mit v=100 km/h bewegt? Die Antwort hängt vom Radius des Rades ab! Autogeschwindigkeit v = Radumfang * Drehfrequenz f des Rads

Akustische Wellen: Kammerton A Kammerton A bei Normaldruck: Frequenz 440 Hz, Wellenlänge ca. 78 cm Frequenz (Hz) Wellenlänge (m) Hohe Frequenz – Niedrige Wellenlänge! (umgekehrt proportional)

Kammerton A Kammerton A: 440 Druck- Schwingungen pro Sekunde Kammerton A: Ca. 1.3 Druck- Schwingungen pro Meter

Obertonspektrum offenes Rohr Kammerton A, offenes Rohr: Grundton: 440 Schwingungen pro Sekunde 1. Oberton: 2*440 Schwingungen pro Sekunde („Oktave“) 2. Oberton: 3*440 Schwingungen pro Sekunde („Oktav+Quint“) 3. Oberton: 4*440 Schwingungen pro Sekunde („Doppel-Oktav“) Die Amplitude der Obertöne wird immer kleiner, da hohe Frequenz hohe Energie der Druckwelle bedeutet Zentrale Beobachtung: Ein einzelnes Rohr fester Länge kann nur ganz bestimmte Töne erzeugen.

Der Grundton des offenen Rohrs Y-Achse: Druckunterschied X-Achse: Rohr, Länge 39cm Bei offenem Rohr ist Druckunterschied an Rohrenden Null! Beim Grundton entsteht in der Rohrmitte ein Druckbauch, bei dem der Druck nach jeder Periode (1/440 s) maximal wird. Der Druck in der Mitte ist also 440 Mal pro Sekunde maximal und immer 1/880 Sekunde später wieder minimal, und 2/880s=1/440s später wieder maximal.

Obertöne offenes und halboffenes Rohr Grundton offenes Rohr, f=440Hz Grundton halboffenes Rohr, f=220Hz 1. Oberton offenes Rohr, f=880Hz 1. Oberton halboffenes Rohr, f=660Hz 2. Oberton offenes Rohr, f=1320Hz 2. Oberton halboffenes Rohr, f=1100Hz k-ter Oberton offenes Rohr, f=k*440 Hz k-ter Oberton halboffenes Rohr, f=(2k+1)*220 Hz

Obertöne ergeben das Klangspektrum Kammerton A, offenes Rohr: Nur Grundton (440 Hz), Amplitude 1 Superposition (Überlagerung) von Grundton (440 Hz), Amplitude 1 1. Oberton (880 Hz), Amplitude 0.3 2. Oberton (1320 Hz), Amplitude 0.1

Teil 2: Spektralanalyse in der Optik: Atomspektren Sichtbares Licht hat verschiedene Farben. Jede Farbe entspricht einer Welle mit fester Frequenz und Wellenlänge. Das Produkt ist die Lichtgeschwindigkeit. Licht breitet sich auch durch das Vakuum aus! Dort ist die Ausbreitungsgeschwindigkeit immer gleich, ca. 300 000 km/s Licht wird von Atomen absorbiert und emittiert.