Franck-Hertz Versuch

Die deutschen Physiker James Franck und Gustav Hertz führten in den Jahren 1911-1914 den nach Ihnen benannten Franck-Hertz-Versuch durch. Hierbei bestätigten Sie die Existenz von diskreten Energieniveaus. Beide erhielten dafür 1925 den Nobelpreis der Physik.

 

 

 

 

Gustav Hertz                                                                                             James Franck

 

Aufbau des Franck-Hertz Versuches

Um den Franck-Hertz-Versuch durchzuführen, brauch man folgendes. Zuerst eine evakuierte Röhre, in der sich Quecksilberatome befinden. Des weiteren eine Kathode(K) die die Elektronen in der Röhre abstößt und eine Anode(A) die diese anzieht. Außerdem brauch man noch eine regulierbare Spannungsquelle(Ub).  Des weiteren wird ein Gegenfeld (Ug) erzeugt. Dieses liegt zwischen Gitter(G) und Anode. Das Gegenfeld wird benötigt um die Elektronen ab zu bremsen. Ohne das Gegenfeld würde man keinen Unterschied der Stromstärke messen können. Zum Schluss brauch man noch ein Amperemeter um die Stromstärke zu messen.

Durchführung

Als erstes wird die Vakuumröhre mit dem darin befindenden Quecksilber erhitzt. Solange bis das Quecksilber gasförmig ist. Dann wir die Beschleunigungsspanunng langsam erhöht und die Stormstärke gemessen. Die Stormstärke I wächst zunächst bis sie bei einer bestimmten Spannung wieder sinkt. Erhöht man dann Ua wieder so steigt I erneut bis es dann wieder bei einer gewissen Beschleunigungsspannung sinkt. Diese Maxima (Höhepunkte) stellen sich immer ein wenn man U um 4,9V erhöht.

Deutung

Auf dem Weg zur Anode stoßen Elektronen mit Quecksilberatomen zusammen. Wenn die Beschleunigungsspannung niedrig ist dann sind die Zusammenstöße elastisch. Das heißt die Elektronen geben keine kinetische Energie ab. Sie erreichen deswegen die Anode. Wenn die kinetische Energie der Elektronen hoch genug ist (damit auch die Beschleunigungsspannung) so kann es zu unelastischen Stößen kommen. Die Quecksilberatome nehmen kinetische Energie der Elektronen auf. Die kinetische Energie der Elektronen reicht nun nicht mehr aus um die Anode zu erreichen. Dadurch sinkt dann die Stromstärke I. Wird danach die Beschleunigungsspannung wieder erhöht, so Vergrößert sich Ekin wieder und die Stromstärke steigt. Es treten mehrere Minima (niedrige Stromstärke) und Maxima (hohe Stromstärke) auf.

Schlussfolgerung

Nur wenn die kinetische Energie eines Elektrons mindestens der Differenz zweier atomarer Energieniveuas entspricht, kann sie durch die Quecksilberatome aufgenommen werden.

Millikan-Versuch Bestimmung der Elementarladung

 

Robert Andrews Millikan

Robert_Andrews_Millikan

Der amerikanische Physiker Robert A. Millikan lebte von 1868-1953. Er wurde bekannt durch seine relativ genaue Bestimmung der Elementarladung e. Dies gelang ihm in den Jahren 1909-1913, durch seine „Tröpfchenmethode“. 1924 gewann er dafür den Nobelpreis der Physik.

 

 

Tröpfchenmethode

Diese Methode sieht kompliziert aus, ist aber leicht zu verstehen. Dadurch wurde die Elementarladung erstmals präzise bestimmt und ermittelt. Die wichtigsten Bestandteile sind die Ölpumpe, aus welcher die Öltröpfchen entstehen. Außerdem noch ein Plattenkondensator der ein elektrisches Feld erzeugt. Des weiteren brauch man immer ein Mikroskop um die Öltröpfchen zu sehen und eine Stoppuhr.

Es wird als erstes ein elektrisches Feld mit den Plattenkondensator erzeugt. Dieses muss natürlich umschlossen sein von Glas oder ähnlichem, damit die Öltröpfchen nicht entweichen. Man notiert dann die Spannung U. Jetzt werden feine Öltröpfchen in das Feld gesprüht, welche beim  sprühen ein wenig elektrisch geladen werden.

Nun guckt man durchs Mikroskop und sieht die feinen Öltröpfchen. Manche steigen auf, manche fallen und manche sind sozusagen schwerelos und bewegen sich gar nicht. Wenn keine schwerelosen Tröpfchen dabei sind muss man die Spannung U ändern.

Die Spannung wird ausgestellt wenn man ein geeignetes Tröpfchen gefunden hat. Gleichzeitig misst man die Zeit die das Öltröpfchen braucht um auf den Boden zu sinken. Dann muss man mithilfe einer Skala am Mikroskop oder am Plattenkondensator den Weg messen.Durch dieses Experiment gelang es Millikan die winzige Ladungen Q der Tröpfchen zu ermitteln.

Bestimmung der Elementarladung

Bei wiederholten Messungen stellte er fest das es immer ganzzahlige Vielfache von e sind. e ist damit die kleinste Ladung die frei in der Natur vorkommt. Positiv und Negativ geladene Körper besitzen immer eine ganzzahlige Ladung von e. Diese beträgt

e=1{,}602\,176\,6208(98)\cdot 10^{-19}\ \mathrm {C} \ .

 

Heisenbergsche Unschärferelation

Was sind Quantenobjekte?

Photonen, Elektronen, Ionen und alle andere Quantenobjekte folgen nicht den Gesetzen der klassischen Physik sondern der der Quantenphysik. Dabei müssen diese Quantenobjekte manchmal als Teilchen oder auch als Welle angesehen, da sie Eigenschaften beider Zustände aufweisen. Teilchen haben dabei immer einen festen Ort, man kann also immer genau sagen, wo sich das Teilchen gerade befindet. Bei Wellen ist dies anders, da eine Welle keinen festen Ort hat (ist überall), sondern nur eine Richtung und eine Geschwindigkeit aufweist. Damit hat sie einen Impuls aus p=m*v. Dadurch, dass Quanten aber Welle und Teilchen sind, lässt sich der Ort und der Impuls gleichzeitig nie genau bestimmen. Es entsteht eine Unbestimmtheit. Welche der Grundgedanke für die Heisenbergsche Unschärferelation war.

Heisenbergsche Unschärferelation

Aus dieser Unbestimmtheit hat der deutsche Physiker Werner Heisenberg (1901-1976) eine Theorie entwickelt, die sogenannte Heisenbergsche Unschärferelation für welche er 1932 den Nobelpreis der Physik erhielt.

Diese Heisenbergsche Unschärferelation besagt, dass je genauer man den Ort eines Quant bestimmen kann, desto unbestimmter ist sein Impuls und umgekehrt. Er entwickelte daraus eine Formel:

Dabei steht x für den Ort und für das Planksche Wirkungsquantum, das steht für die Änderung des Ortes beziehungsweise für die Änderung des Impulses

Daraus folgt das je genauer der Ort bestimmbar ist desto größer muss die Unbestimmtheit des Impulses sein. Je kleiner der Wert für ist desto größer muss der Wert für sein.

3D-Druck

Anfänge der 3D-Drucktechnik

Durch den Ingenieur Charles W. Hull wurde 1981 die Stereolithographie erfunden, welche den Grundstein für die heutigen 3D-Drucker lieferte. Ein paar Jahre später wurde dann dieses Verfahren erstmals in der Praxis umgesetzt. Im Jahre 1987 wurde dann das Verfahren des sogenannten „Lasersintern“ von Charles Deckard veröffentlicht. Hierbei wird ein Material, oft pulverförmig, mit Hilfe eines Lasers erhitzt. Die Temperatur bleibt unterhalb der Schmelztemperatur, damit die Struktur des Stoffes erhalten bleibt. Durch dieses erwärmen lässt sich ein Material verformen, und damit konnten erstmals Gegenstände per 3D-Druck hergestellt werden.

Der erste 3D-Drucker kam 1988 auf den Markt. Die Technologie entwickelte sich immer weiter und wurde verbessert, und daraus entstanden unsere heutigen 3D-Drucker.

Anwendung von 3D-Drucker

Es gibt unzählige Bereiche und Möglichkeiten in denen der 3D-Drucker Einsatz finden kann. In der Kunst werden mit ihm Kunstwerke oder Modelle hergestellt, auch in der Industrie wird er hergestellt um Prototypen zu erstellen. Des weiteren findet er logischerweise Einsatz im Modellbau, da man mit 

einem 3D-Drucker sehr kleine Teile erschaffen kann. Oder auch in der Wissenschaft, Raumfahrt, Medizin oder Autoindustrie findet er Einsatz. Insgesamt kann man sagen, dass er wirklich in vielen Bereichen Anwendung findet und diese Bereiche sich mit der Zeit auch erweitern werden.

Für alle die sich einen 3D-Drucker zulegen wollen, empfehle ich diese beiden, den 1. habe ich selber, weil mir persönlich der 2. etwas zu teuer war. Natürlich ist der 2. der bessere, aber wer nicht so viel Geld ausgeben möchte, dem empfehle ich den linken, der tut auch was er soll.

Vielen dank fürs Lesen, bei Fragen oder Problemen kannst du mich gerne kontaktieren. Über Feedback freue ich mich auch immer. Also dann schönen Tag noch:)

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Laser

Alle wissen was ein Laserstrahl ist, aber wie ein Laser genau funktioniert und wie er aufgebaut wissen die wenigstens. Schon 1916 wurde durch Albert Einstein die theoretische Grundlage gelegt. Er entdeckte eine sogenannte stimulierte Emission, die im Gegensatz zur spontanen Emission, nicht freiwillig abläuft. Diese Theorie wurde 1958 von Charles Hard Townes bewiesen. Dieser erhielt dafür 1964 den Physik Nobelpreis. Es ist also nicht noch lange her, dass es Laser gibt.

Funktionsprinzip eines Laser

Atome wird Energie (meistens in Form von Licht) zugegeben. Diese geben dann die erhaltene Energie wieder in Form von Photonen ab. Der Raum in den der Laserstrahl erzeugt wird besteht also aus einer Kammer mit Atomen(einem Material), einer Lichtquelle(Energiequelle) und 2 Spiegeln, einer davon ist zum Teil durchlässig. Dieses ist sehr wichtig, weil das Licht welches die Atome aussenden durch die Spiegel reflektiert wird und somit gebündelt und verstärkt wird. Nach einer gewissen Zeit erreichen dann die Photonen (Energieportionen) welche alle die gleiche Energie besitzen den zum Teil durchlässigen Spiegel. Manche Photonen werden reflektiert, andere gehen durch und erzeugen einen sehr schmalen und energiereichen Lichtstrahl, den Laserstrahl.

Eigenschaften der Laserstrahlung

Die einzelnen Lichtstrahlen im Laser sind alle nahezu parallel zu einander. Des weiteren besitzt ein Laser eine sehr hohe Leistungsdichte. Dies bedeutet, das der Laserfleck zum Beispiel auf einer Wand sehr energiereich ist. Deswegen soll man auch nie direkt in das Laserlicht gucken.

Anwendung der Laser

Laser sind für viele Sachen zu gebrauchen, man nutzt sie in der Medizin um beispielsweise Augen zu operieren, oder auch im Baugewerbe um Distanzen möglichst genau auszumessen. Außerdem dienen sie auch als Messgeräte und haben zum Beispiel in der Physik dafür gesorgt, dass die Theorie der Gravitationswellen bestätigt wurde. Natürlich darf auch nicht die Anwendung im Bereich der Lasershows vergessen werden, denn durch viele Laser zusammen lassen sich erstaunliche Effekte erzeugen.

Vielen Dank für das Lesen und bei Fragen oder Problemen kontaktiere mich doch gerne:)

Wer sich etwas tiefer mit der Thematik beschäftigen will dem empfehle ich dieses Buch:

Wer sich nicht so für die Theorie interessiert, aber trotzdem mit einem Laser rumspielen will, der kann sich folgendes gönnen:

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Mechanik


Isaac Newton war wie du vielleicht schon weißt, Begründer der klassischen Mechanik, er war seiner Zeit voraus und seine Gesetze finden in der Physik immer noch Anwendung, diese wurde später durch die spezielle und allgemeine Relativitätstheorie von Albert Einstein ergänzt. Kommen wir nun zu den Grundregeln der klassischen Mechanik, in der „Kraft“ eine große Rolle spielt.

1. Newtonsches Axiom: Trägheitsgesetz

Ein Körper verharrt im Zustand der Ruhe oder der gleichförmig geradlinigen Bewegung, sofern er nicht durch einwirkende Kräfte zur Änderung seines Zustands gezwungen wird.“

Dies heißt vereinfacht, das ein Körper zum Beispiel ein geworfener Ball solange sich mit konstanter Geschwindigkeit v und in eine Richtung bewegt, bis eine andere Kraft wie die Gravitationskraft auf ihn wirkt. Das gilt auch für Körper, welche sich nicht bewegen. Diese werden erst durch einwirkende Kräfte aus dem Zustand der Ruhe gebracht, wie wenn ich zum Beispiel gegen einen Fußball trete.

2. Newtonsches Axiom: Aktionsprinzip

Die Änderung der Bewegung ist der Einwirkung der bewegenden Kraft proportional und geschieht nach der Richtung derjenigen geraden Linie, nach welcher jene Kraft wirkt.“

Die Grundgleichung der Mechanik ist F=m*a, dabei ist F die Kraft, welche wirkt wenn die Masse m mal der Beschleunigung a nimmt, wenn also die Masse beschleunigt wird. Bei konstanter Masse ist F ~ a, bei konstanter Beschleunigung gilt F~m.

F: Einheit 1N

m : Einheit 1kg

a: Einheit 1m/s²

Beispiel: Ein Stein der Masse m=0,5kg wird mit einer Beschleunigung von 4 m/s² geworfen. Berechnen Sie F.

F=m*a F=0,5kg*4m/s² F=2N (1N=1kg*m/s²)

3. Newtonsches Axiom: Wechselwirkungsprinzip

Kräfte treten immer paarweise auf. Übt ein Körper A auf einen anderen Körper B eine Kraft aus (actio), so wirkt eine gleich große, aber entgegen gerichtete Kraft von Körper B auf Körper A (reactio).“

Das kann man sich so vorstellen: wenn ein Amphibienfahrzeug den Propeller nach hinten richtet und der Wind nach hinten weht so ist das F1. Gleichzeitig wirkt die entgegengesetzte Kraft F2 und das Amphibienfahrzeug fährt nach vorne. F1=-F2, die beiden Kräfte sind prinzipiell gleich große, aber durch Luft- oder Wasserreibung stimmt dies in der Realität nicht immer.

Physiklabor

Physik, DIE Naturwissenschaft für mich. Meine Begeisterung begann schon mit 15 Jahren, damals hat mein Lehrer (ich ging aufs Gymnasium) seinen Enthusiasmus auf mich übertragen. Ich kaufte mir die ersten Bücher zum Thema und habe eifrig recherchiert was die Physik alles beschreibt, und wie unser Leben wirklich funktioniert. Ich war einfach begeistert. Mit der Physik kann man unseren Alltag, die Welt und das ganze Universum beschreiben. Außerdem gibt es auch zahlreiche Experimente die einfach cool und interessant sind, diese werde ich auch später alle vorstellen. Des weiteren will ich mit „Physik-Labor“ dir die Physik näher bringen, aus meinen Erfahrungen und Erlebnissen mit ihr berichten und lehrreich soll es auch noch sein! Also wenn du dich für die Physik interessierst, etwas für die Schule, zum Studium oder auch fürs Leben lernen willst bist du hier genau richtig. Ich freue mich auf dich und bin immer froh über Kommentare, Feedback oder auch Diskussionen. In diesem Sinne viel Spaß auf „Physik-Labor“.