Moderne Physik: Lernleitfaden

Kernideen

Die moderne Physik beschreibt Licht und Materie in kleinen Maßstäben. Licht kommt in Quanten, den Photonen, Teilchen haben Wellenlängen, Atome haben diskrete Energieniveaus, und Kerne zerfallen zufällig mit festen Halbwertszeiten.

• Ein Photon hat die Energie E = hf = hc ÷ λ. Mit hc = 1240 eV·nm ergibt eine Wellenlänge in Nanometern die Energie direkt in Elektronenvolt.
• Beim Photoeffekt gilt K_max = hf − φ. Die Frequenz entscheidet, ob Elektronen austreten; die Intensität nur, wie viele.
• Ein Teilchen mit dem Impuls p hat die de-Broglie-Wellenlänge λ = h ÷ p. Die Wasserstoffniveaus sind E_n = −13,6 eV ÷ n², und Licht wird emittiert, wenn ein Elektron zwischen Niveaus fällt.
• Nach jeder Halbwertszeit zerfällt die Hälfte der verbliebenen Kerne: N = N₀(½)^(t ÷ T½). Masse und Energie hängen über E = mc² zusammen.

Wichtige Gleichungen

• E = hf = hc ÷ λ
• K_max = hf − φ
• λ = h ÷ p
• E_n = −13.6 eV ÷ n²
• N = N₀(½)^(t ÷ T½)
• E = mc²

Durchgerechnetes Beispiel

Ultraviolettes Licht der Wellenlänge 200 nm trifft auf ein Metall mit der Austrittsarbeit 4,0 eV. Die Photonenenergie ist 1240 ÷ 200 = 6,2 eV. Die maximale kinetische Energie der austretenden Elektronen ist 6,2 − 4,0 = 2,2 eV. Rotes Licht von 700 nm hat nur 1,8 eV und löst kein Elektron, wie intensiv es auch ist.

Häufige Fehler

• Glauben, helleres Licht liefere schnellere Elektronen. Helleres Licht liefert mehr Elektronen; schnellere erfordern höhere Frequenz.
• Joule und Elektronenvolt vermischen oder die Wellenlänge in Metern mit dem Wert von hc in eV·nm verwenden.
• Glauben, eine Probe sei nach zwei Halbwertszeiten verschwunden. Ein Viertel ist noch übrig.

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