Atomphysik für den Schulunterricht

Präsentation zum Thema: "Atomphysik für den Schulunterricht"—  Präsentation transkript:

1 Atomphysik für den Schulunterricht
Teil I, Stefan Heusler

2 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.

3 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)

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

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

6 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

7 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)

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

9 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.

10 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.

11 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

12 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

13 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 km/s Licht wird von Atomen absorbiert und emittiert.