Experimente aus dem Bereich der Atomphysik und Quantenphysik

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Re: Experimente aus dem Bereich der Atomphysik und Quantenphysik

#91 Beitrag von stoppi »

Hier das Video zum Quantenradierer:


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stoppi
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Re: Experimente aus dem Bereich der Atomphysik und Quantenphysik

#92 Beitrag von stoppi »

9.) Millikan-Experiment zur Bestimmung der Elementarladung e

Über einen sehr netten Verkäufer aus den USA bin ich nun an eine Latexkugelmischung (Durchmesser 1.305 µm, Dichte wohl um die 1.05 g/cm³) gelangt. Diese hätte mich ja über eine Firma in Wien laufend ein Vermögen (150 Euro für 10 ml) gekostet. So war es deutlich günstiger (rund 40 Euro inkl. Versand). Laut einem alten Artikel (The physics teacher, Mai 1971, Seite 282-283) erzielt man gute/bessere Resultate, wenn man in die Injektionsdüse eine kleine Kerbe schneidet und dann auf diese einen Tropfen der Latexkugelflüssigkeit gibt. Wenn man nun die Ballpumpe ohne eine Flüssigkeit im Reservoire betätigt, müssten die Latexkugeln mitgerissen werden. Bisher war ja die Latexkugellösung ganz normal im Reservoire der Pumpe und sorgte für einen ziemlichen Beschlag der Millikankammer mit Flüssigkeit...
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Re: Experimente aus dem Bereich der Atomphysik und Quantenphysik

#93 Beitrag von stoppi »

13.) Bestimmung des Planck'schen Wirkungsquantums mittels LED und Bauteiletester

Der äußerst günstige Bauteiletester (https://www.ebay.com/itm/All-in-1-LCR-C ... 68buZCZFOw) ist ja sehr beliebt. Da er auch u.a. die Flussspannung U_f von Dioden anzeigt, habe ich ihn zur Bestimmung des Planck'schen Wirkungsquantums "missbraucht".

Gemessen wird einfach die jeweilige Flussspannung U_f in Abhängigkeit von der Wellenlänge lambda bzw. Frequenz f der LED.

Man erhält eigentlich eine recht schöne Gerade U_f = k * f mit dem Anstieg k = h/e (h ... Planck'sches Wirkungsquantum, e ... Elementarladung)

Das Resultat ist brauchbar (Sollwert von h = 6.63 * 10^-34 Js) aber etwas zu hoch. Grund dafür mag die immer zu hoch gemessene Durchflussspannung U_f bei einem etwas höheren Strom ungleich 0 mA sein. Aber ich finde ein geniales Bauteil, mit dem man sogar Quantenphysik betreiben kann. :awesome:

Bei diesem Versuch habe ich auf LEDs mit bereits bekannter Wellenlänge zurück gegriffen. Um aber völlig unabhängig von Vormessungen zu sein, habe ich mir das ebenfalls sehr günstige Spektroskop von Astromedia (https://www.amazon.de/Astromedia-Handsp ... B008I1SPWS) besorgt. Damit lässt sich die Wellenlänge der LEDs auf rund 5nm genau bestimmen.
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Re: Experimente aus dem Bereich der Atomphysik und Quantenphysik

#94 Beitrag von stoppi »

Habe mir ja für den Versuch zur Bestimmung des Planck'schen Wirkungsquantums mittels Komponententester das Spektroskop von Astromedia (https://de.manufactum.com/astromedia-ba ... op-a40635/) gekauft. Es wird ja mit einer Genauigkeit von 5nm beworben und das bei einem Preis von nur rund 13 Euro inklusive Versand.

Der Aufbau ist nicht der einfachste, aber auch nicht sonderlich kompliziert. Bei mir kam der Eintrittsspalt jedoch gefährlich nahe an eine umgebogene und zu verklebende Lasche. Da muss man aufpassen, dass man den Eintrittsspalt nicht mit Kleber überdeckt. Die Skala ist nicht zur Gänze zu 100% scharf zu sehen. Abhilfe würde hier eine leichte Schrägstellung der Linse schaffen, was ich aber nicht gemacht habe.

Nun zu den Ergebnissen: Habe mit dem Astromedia-Spektroskop eine Energiesparlampe untersucht. Die Abweichungen der Spektrallinien liegen im Bereich zwischen 6 bis 8nm. Ich finde das angesichts des Preises trotzdem beachtenswert. Es kann sein, dass durch einen sorgsameren/anderen Einbau der Skala bzw. Linse dieser systematische Fehler noch reduziert werden kann.

Fazit: Ich finde das Spektroskop von Astromedia sehr gelungen und es ist mMn sein Geld mehr als wert. ;)
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Re: Experimente aus dem Bereich der Atomphysik und Quantenphysik

#95 Beitrag von stoppi »

14.) Veranschaulichung der beiden Heisenbergschen Unschärferelationen mittels Beugung am Spalt bzw. Lichtemission aus metastabilen Zustand

Die beiden Heisenbergschen Unschärferelationen lauten: delta_x * delta_px > h / 4*Pi und delta_E * delta_t > h / 4*Pi

Sie sagen also aus, dass das Produkt der Orts- und Impulsunschärfe bzw. das Produkt der Energie- und Zeitunschärfe nicht beliebig klein werden kann. Im Alltag tangiert uns das in der Regel wenig, da hier die erreichbaren, kleinsten Messungenauigkeiten noch um viele Größenordnungen darüber liegen. Im Mikrokosmos (z.B. in Atomen) spielt die Heisenbergsche Unschärferelation aber sehr wohl eine entscheidende Rolle. So wird etwa durch die zunehmende Impulsunschärfe bei abnehmender Ortsunschärfe (indem ich mich zum Beispiel immer mehr dem Atomkern nähere) ein Absturz des Elektrons in den Kern verhindert (Stichwort Lokalisationsenergie).

Wie kann man nun aber die beiden (!) Heisenbergschen Unschärferelationen anschaulich darlegen?

Für die erste Beziehung zwischen Ort x und Impuls p wird zumeist der Beugungsversuch am Spalt herangezogen. Die Spaltbreite entspricht dann genau der Ortsunschärfe delta_x. Wird diese kleiner indem ich den Spalt enger mache, so verstärkt sich die Beugung und die Photonen bzw. Teilchen besitzen eine größere Impulsunschärfe delta_px in selbiger Richtung.

Mittels einfacher Überlegungen (Ablenkwinkel für Minimum 1.Ordnung usw.) kann man sogar eine der Heisenbergschen Unschärferelation sehr nahe kommende Gleichung aufstellen (siehe Abbildung).

Doch wie sieht es mit der zweiten Gleichung von Werner Heisenberg mit der Energie- und Zeitunschärfe aus? Diese ist weit weniger geläufig und auch schwieriger zu fassen. Es gibt aber doch eine sehr eindrucksvolle Anschauung.

Interpretiert man delta_t als mittlere Lebensdauer der Elektronen im angeregten Zustand und delta_E dann als zugehörige Energieunschärfe des angeregten Zustands, so ergiben sich folgende Zusammenhänge: Verweilt ein Elektron (typischerweise) nur für sehr kurze Zeit im angeregten Energiezustand, so ist delta_t klein. Dadurch muss aber laut Unschärferelation die Energieunschärfe delta_E wachsen und der Übergang des Elektrons in den Grundzustand bedingt dadurch die Emission von stärker in der Frequenz unterschiedlichen Photonen. Auf gut deutsch besitzt dieser Übergang im Spektrum eine breitere Frequenzverteilung.

In sog. metastabilen Niveaus verweilen die Elektronen aber für ihre Verhältnisse enorm lange (im ms Bereich). Dadurch nimmt die Zeitunschärfe delta_t entsprechend zu. Infolgedessen muss aber die Energieunschärfe abnehmen. Das bedeutet, dass nun der Energiezustand des angeregten Elektrons schärfer definiert ist und dadurch beim Übergang in den Grundzustand nahezu nur Photonen gleicher Frequenz emittiert werden. Das zu metastabilen Zuständen zugehörige Lichtspektrum ist viel schärfer, sprich besteht aus nahezu nur einer Frequenz bzw. Wellenlänge.

Metastabile Niveaus spielen beim LASER eine zentrale Rolle. Und aus eben geschilderten Zusammenhängen besitzt Laserlicht ein sehr schmales/scharfes Frequenzspektrum (Linienbreite).

Für meinen Versuch habe ich einen Rubin-Laserstab (https://www.ebay.com/itm/NEW-Ruby-rod-f ... 2749.l2649) ausgewählt. Dieser kommt aus Rußland und kostet mit Versand nur 45 Dollar.
Angeregt wird dieser mittels 405nm-Laserlicht (Bluray). Mit einer schnellen Photodiode SFH203 beobachte ich dann die verhältnismäßig langsame Abnahme der Laserstrahlung nach Beendigung der Anregung. Untersucht man dieses Laserlicht im Spektroskop, so müsste laut Heisenberg die Spektrallinie sehr schmal sein. Und in der Tat, beträgt die relative Frequenzunschärfe delta_f/f nur etwa 10^-12. Dazu später aber mehr...

Nachdem mein jüngster Sohn immer häufiger mit mir Experimente durchführen möchte, werde ich auf seine Anwesenheit warten und hier dann die Ergebnisse veröffentlichen. :)
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VDX
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Re: Experimente aus dem Bereich der Atomphysik und Quantenphysik

#96 Beitrag von VDX »

... genau diesen Rubin-Stab habe ich auch 2x und eine Rubin-Kugel ;)

Was ist mit Fluorescein-Lösung oder fluoreszierendem Glas? (hab' da auch was von da) - das läßt sich auch hervorragend anregen und dürfte doch auch was in der Richtung zeigen - oder?

Viktor
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Re: Experimente aus dem Bereich der Atomphysik und Quantenphysik

#97 Beitrag von stoppi »

Habe gestern den Versuch "Beugung am Spalt" mit meinem Sohn gemacht. Normalerweise dient er ja dazu, etwa die Wellenlänge des Lasers zu bestimmen. Hier habe ich nun einmal die Orts- und Impulsunschärfen delta_x und delta_px berechnet und überprüft, ob die Heisenbergsche Unschärferelation noch erfüllt ist. Und zum Glück ist sie es, obwohl man bei diesem Versuch schon sehr nahe an die Grenzen kommt. Die Auswahl des Beugungswinkels bis zum Minimum 1.Ordnung zur Berechnung von delta_px scheint etwas willkürlich (man müsste da wohl über die Intensitäten in Abhängigkeit vom Beugungswinkel integrieren um eine mittlere Abweichung = Unschärfe zu erhalten), aber es geht ja hier mehr ums Prinzip.

Wenn der Rubinlaserstab eingetroffen ist, kann ich ja den zweiten Versuch zur Heisenbergschen Unschärferelation machen... ;)
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Re: Experimente aus dem Bereich der Atomphysik und Quantenphysik

#98 Beitrag von Death »

Sehr schön :hehe:

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Re: Experimente aus dem Bereich der Atomphysik und Quantenphysik

#99 Beitrag von stoppi »

So, der Lichtdetektor mit der SFH203 Photodiode ist einmal fertig gelötet. Kommt dann die Tage in ein Gehäuse. Mittels 6-fach Drehschalter kann ich wie beim Photometer-Projekt die Strom-Spannung-Verstärkung einstellen (10^2 bis 10^7). Anbei auch noch der einfache Schaltplan...
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