Was ist denn nun Licht? Von Maxwells elektromagnetischen Wellen zu gequetschten Photonen

  Teil 8: Quanten im Gleichtakt - Laser aus Photonen und Atomen 24. Die Erfindung ohne Anwendung 1953 wurde der MASER von Charles H. Townes (Nobelpreis 1954) erfunden: Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation. Bei bestimmten Wellenlängen wird eine intensive Mikrowellenstrahlung erzeugt, die man durch keine thermischen Effekte erklären kann. In der Natur gibt es das schon seit Milliarden Jahren: Gaswolken aus OH-Molekülen zwischen den Sternen senden nach dem MASER-Prinzip intensive Mikrowellenstrahlung aus.    Das Bild zeigt Maserstrahlung von Wassermolekülen, in einer Galaxie (Quasar, durch Gravitationslinsenwirkung der Vordergrundgalaxie mehrfach zu sehen), so weit entfernt, dass das Licht 11,5 Milliarden Jahre zu uns unterwegs war. Schon damals gab es MASER.   Im Prinzip ist ein MASER also ein Strahlungsverstärker. Sie werden auch in der Radioastronomie zur Verstärkung schwächster Signale eingesetzt. 1960 wurde dann das optische Gegenstück erfund...

  23.5  Quantensprünge von Quarks Wir haben in den letzten Wochen viel eingesperrt: Elektronen in Potenzialtöpfen und Magnetfelder sowie in Atomen, Protonen und Neutronen in dem von ihnen selbst aufgebauten Gefängnis des Atomkerns. Aber wenn man Streuversuche macht, so wie Rutherford, um die innere Struktur der Protonen und Neutronen (Nukleonen) festzustellen, so kommt heraus: 30% der Masse eines Nukleons besteht aus drei Massenzentren, Quarks genannt. 70% sind Klebstoff, sog. Gluonen. Gluonen vermitteln die starke Kraft, das ist die Kraft, die die Nukleonen zusammenhält. Die starke Kraft ist nicht gut abgeschirmt, d.h. ein Nukleon verspürt auch die starke Kraft im Inneren eines anderen Nukleons, wenn es genügend dicht daneben ist. Das ist die Kernkraft, das hält die Atomkerne zusammen. Für Fachleute: Die Kernkraft ist eine van der Waals-Kraft der starken Kraft innerhalb der Nukleonen. Die Gluonen sind die Bosonen der starken Kraft. Sie sind unmittelbar beim Urknall entstanden...

 23.4.3 Entstehung der Alphastrahlung Wie kommen Heliumatomkerne aus Atomkernen heraus? Zuerst müssen sich zwei Protonen und zwei Neutronen kurzzeitig zu einer eigenen Struktur, eben einem Heliumkern, zusammentun. Dabei wird Bindeenergie frei (anschaulich: Die vier Teilchen fallen unter der Wirkung der Kernkraft aufeinander zu). Dabei wird der Heliumkern als Ganzes auf ein höheres Energieniveau gehoben, so dass er aus dem Kernpotenzial heraustunneln kann. Der neue Atomkern hat dann zwei Protonen weniger und eine um vier kleinere Massenzahl.   socratic org Die Energie des Alphateilchens im Kern reicht nicht aus, ihn zu verlassen, aber sie ist so groß, dass durch den Tunneleffekt das Alphateilchen "auf der anderen Seite des Coulombwalls" auftaucht und dort mit der erreichten Energie wegfliegt. wikipedia   Den Tunneleffekt haben wir bei Mikrowellen ausführlich in Q2 bessprochen.  Hier sei nur Folgendes wiederholt: Der Tunneleffekt ist (entgegen der üblichen Darstellung)...

  23.4.2 Entstehung der Betastrahlung Bei der Betastrahlung kommt ein Elektron aus dem Kern heraus. Dies kann aber vorher nicht im Kern gewesen sein, das verbietet die Unbestimmtheitsbeziehung. Eine schöne Übung fürs Abi : Wenn das Elektron im Kern lokalisiert war, dann ist seine Ortsgenauigkeit Δx = 10^(-15) m (Kerngröße, 1 Millionstel nm). Nach der Unbestimmtheitsbeziehung  Δ x *  Δp = h (wir machen es grob...), gibt es dann eine Impulsunbestimmtheit. Die Bewegungsenergie ist Wkin = 1/2*m*v² = p²/(2m), da p = m*v ist. Nun könnt ihr die zur Impulsunbestimmtheit gehörende kinetische Energie berechnen...macht das mal...in eV...  Ergebnis: 1,5 Billionen eV... das entspricht der Masse von 1500 Protonen...geht nicht...Atomkerne, die Elektronen enthalten, wären 100 mal schwerer als die schwersten Kerne... Es geht nur eins: Das Elektron ist das Ergebnis einer Umwandlung eines Neutrons in ein Proton. Das machen freie Neutronen immer (Lebensdauer nur 16 Minuten), im Atomkern...

  23.3.2 Schalenmodell Protonen und Neutronen befinden sich in einem Potenzialtopf. Nur gibt es keine zentrale Ladung, die das Potenzial erzeugt. Die Nukleonen selöbst erzeugen das Kernpotenzial, sie ahlten sich sozusagen gegenseitig gefangen. Wir werden den Klebstoff dazu noch kurz kennenlernen. Der genaue Verlauf des Kernpotenzials im Inneren ist nicht sehr gut bekannt, häufig  nimmt man es einfach als konstant an. Im Bild sehen wir dann die endliche hohe Potenzialwand und dann nach außen das mit 1/r abfallende Coulompotenzial des Kernes. leifiphysik  Da Protonen und Neutronen unterschiedliche Quanten sind, gibt es zwei  Niveauschemata, die unabhängig voneinander besetzt werden. In jedes Niveau der Protonen kommen nach dem Pauliprinzip zwei Protonen mit unterschiedlichem Spin, das gilt für die Neutronen entsprechend. Die Niveaus der Protonen liegen alle etwas höher, da ja die elektrische Abstoßung noch zusätzlich wirkt. Kugelsymmetrische Wahrscheinlichkeitsverteilu...

  23.3 Modelle vom Atomkern Wir wollen hier nur grundlegende Aspekte ansprechen. Weitergehende Informationen: Modelle des Atomkerns 23.3.1 Tröpfchenmodell Einen wesentlichen Beitrag zum Tröpfchenmodell hat der deutsche Physiker Carl friedrich v. Weizsäcker (1912 - 2007) geleistet (Sein Bruder Richard war unser Bundespräsident). Er wollte ursprünglich Philosoph werden, sein Philosophieprofessor legte ihm aber nahe, erst einmal Physik zu studieren, damit er nicht nur phantasievoll über alles redet. Das tat er, wurde Professor für Kernphysik, habilitierte dann in Philosophie und leitete ein großes philosophisches Institut. In seinem Lebenswerk  befasste er sich mit der Interpretation der relativistischen Quantentheoire ("Ure" als Ur-Alternativen). Er entwickelte eine Formel, die die Bindungsenergie eines Atomkerns in Analogie zu einem Wassertropfen beschreibt. Protonen und Neutronen werden durch die Kernkraft zusammengehalten, es gibt sogar eine Oberflächenspannung. Damit kann m...

 23.2.3 Herleitung des Zerfallsgesetzes Anmerkung: Wir rechnen mit den Differnzialen wie z.B. dt so als wären es reelle Zahlen. Mathematisch ist das korrekt, denn Differenziale sind Linearformen, die Vektoren auf reelle Zahlen abbilden. Das erleichtert Schreibweise und Argumentation und ist in der Physik üblich. Zum Beispiel ist im Integral für die Arbeit       F* dx die längs des Weges dx durch die dort konstante Kraft F verrichtete Arbeit dW = F*dx.  Genug der Anmerkungen. Mit dN(t) bezeichnen wir die Anzahl der zur Zeit t im Zeitraum dt "zerfallenden" Kerne. Sie ist natürlich proportional zur Anzahl der vorhandenen, noch nicht zerfallenen, Kerne N(t) und dem betrachteten Zeitabschnitt dt. Wir setzen noch ein Minuszeichen, da ja N(t) abfällt und führen die Proportionalitätskonstante λ ein. Mit dem Verfahren der "Trennung der Variablen" machen wir diese Differenzialgleichung lösbar. Die Lösung einer Differenzialgleichung ist immer eine Funktion. Hier ist es ...

  wikipedia common Bevor wir den Zusammenhang zwischen  HWZ und den anderen Größen begründen, kurz die Lösungshinweise:  Aufgabe 1:   Aufgabe 2 ist eine reine Einsetzaufgabe: Entweder N(t)/No = 0,75 einsetzen und durch ln-Bildung das t ausrechnen  (Achtung: Die Zeitangabe für die Zerfallskonstante legt auch die Zeiteinheit für t fest)  oder t einsetzen und N(t)/No ausrechnen... Übrigens: Das e hier ist nicht die Elementarladung.... Aufgabe 3 (typisch im Abitur, dort bei Kondensator und Ladungen): Zum Begriff der Aktivität : Unter der Aktivität A(t) eines radioaktiven Präparates  versteht man die Anzahl der Zerfälle zur Zeit t pro Sekunde. A(t) ist natürlich proportional zur Menge der vorhandenen Kerne N(t), Das hängt mit der e-Funktion zusammen: Die Steigung ist bei dieser Funktion gleich dem Funktionswert. Ao ist somit proportional zu No, und deshalb gilt genau die entsprechende Formel auch für die Aktivität (A(t) ist die Ableitung von N(t): A(t) = d...

  23. Kernphysik Wir untersuchen ja eingesperrte Quanten. Bisher haben wir nur Elektronen eingesperrt, in Potenzialtöpfen, Magnetfeldern und dem elektrischen Feld des Atomkerns. Der Atomkern selbst ist aber auch ein Gefängnis, eins für Nukleonen. Nukleonen sind Protonen und Neutronen. Aber auch Nukelonen selbst sind Gefängnisse, in ihnen sind die Quarks eingesperrt. Dann ist Schluss...mehr Freiheitsberaubung für Quanten gibt es nicht! Wir haben ja schon darauf hingewiesen, dass Rutherford mit Streuversuchen von Helium-Atomkernen (α - Teilchen) an einer dünnen Goldfolie den winzigen Atomkern entdeckt hat, der fast die gesamte Masse des Atoms trägt. tec - science  Aufgabe: Beschreibe das Bild und erkläre, weshalb Ruhterford schließen konnte, dass Atome fast leer sind und ihre gesamte Masse in einem winzigen Kern steckt. Lösung   Beschäftigen wir uns erst einmal mit dem, was manchmal aus dem Kern rauskommt...mit den Ausbruchsversuchen... 23.1 Radioaktive Strahlung Es gibt dr...