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1. Erläutern Sie das Rastertunnelmikroskop. Wie ist eine

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1. Erläutern Sie das Rastertunnelmikroskop. Wie ist eine dreidimensionale „Abbildung“ der Atome
möglich?
Das Rastertunnelmikroskop nutzt aus, dass das elektrische Feld der Atom-Elektronen durch die
Oberfläche einer Materie hindurchgreift. Eine feine Nadelelektrode (atomgroße Spitze) wird so
über die Oberfläche geführt, dass die gemessene Elektronendichte (und damit der Abstand) immer
konstant bleibt. Auf diese Weise folgt die Nadelspitze mit hoher Genauigkeit der elektrischen
Oberflächendichte und zeichnet sie dreidimensional auf.
Trennschärfe: ca. 10-11  einzelne Atome werden erkannt
2. Erläutern Sie den Strahlengang beim Michelson Interferometer (Zeichnung!). Wobei werden
Michelson Interferometer praktisch eingesetzt?
monochromatischer Lichtstrahl fällt auf einen
Strahlteiler  ein Strahl bewegt sich gerade
aus, der zweite wird um 90° abgelenkt  beide
Strahlen werden von Planspiegeln reflektiert,
sodass sie den Strahlenteiler wieder erreichen
 dort vereinigen sie sich, interferieren und
laufen zum Beobachter
praktische Verwendung:
Wellenlängenbestimmung des Lichts;
Längenmessung;
Fouriertransformationsinfraspektrometer
3. Erläutern Sie die physikalischen Prozesse bei der Absorption von Gamma-Quanten durch Materie.
Beim Durchgang von Strahlung durch Materie ist die in jeder Schicht absorbierte Strahlung der in
dieser Schicht vorhandenen Strahlung proportional.
Absorption von γ-Strahlung in Abhängigkeit der absorbierenden Schichtdicke:
I … Zählrate der Absorber
I0 … Zählrate ohne Absorber
μ … Absorptionskoeffizient
d … materialspezifische Dicke
Gamma-Strahlung: mutagen; mehrere 100 km Reichweite in der Luft; Eindringtiefe extrem tief
4. Erläutern Sie das Verhalten des Druckes als Funktion des Volumens bei einer Isotherme des realen
Gases unterhalb des kritischen Punktes (Zeichnung!).
(
) (
)
F1 … überhitzte Flüssigkeit
F2 … übersättigter Dampf
isotherm: Temp ist konstant, daher muss die zugeführte Wärme gleich
der Arbeit sein. dQ = -dA
5. Erläutern Sie die Intensitätsverteilung am Schirm bei der Beugung von monochromatischem Licht
an einem Einfachspalt. (Zeichnung!)
6. Erläutern Sie die spektrale Verteilung der Strahlung des schwarzen Körpers bei drei verschiedenen
Temperaturen (Zeichnung!).
schwarzer Körper absorbiert elektromagnetische Strahlung
vollständig, auch Licht;
es geht keine Strahlung hindurch oder spiegelt bzw. streut;
sendet aufgrund seiner thermischen Energie
Wärmestrahlung aus
7. Erläutern Sie Dia-, Para- und Ferromagnetismus.
Diamagnete:
 Χm < 0 und | Χm|<< 1
 Festkörper, Flüssigkeiten und Gase
 abgeschlossene Elektronenschalen
 magnetische Quantenzahl = 0 (kein Spin)
 keine permanenten atomaren Dipolmomente
 aus inhomogenen Magnetfeld heraus gedrängt
Paramagnete:
 Χm > 0 und | Χm|<< 1
 mindestens 1 Außeneltektron ungepaart, daher atomar magnetische Dipole, statistisch
orientiert
 magnetische Suszeptibilität indirekt proportional zur absoluten Temperatur
 in inhomogenes Feld hineingezogen
Ferromagnete:
 Χm > 0 und | Χm|>> 1
 Eisen, Kobalt, Nickel und spezielle Legierungen
 ungepaarte äußere Elektronen und Festkörperstruktur
 permanente atomare magnetische Momente sind spontan kollektiv organisiert
 weisen Weisssche Bezirke auf, Bereiche, in denen atomare Dipole gleich orientiert sind
 in inhomogenes Feld sehr stark hineingezogen
8. Erläutern Sie mit Hilfe des Diagramms „Mittlere Energie/Nukleon als Funktion der Kernladungszahl“
die Energiegewinnung bei der Kernspaltung und bei der Kernfusion.
???
9. Erläutern Sie a) Drehkristallverfahren, b) Debye-Scherrer Methode und c) Laueaufnahme und
stellen Sie einen Zusammenhang mit der Braggbedingung her.
a) Drehkristallverfahren:
 wenn Röntgenstrahlung auf Materie trifft, geht zwar der größte Teil der Strahlung
ungehindert hindurch, gewisse Anteile werden aber gestreut
 bei einem Kristall, der nur aus Gitterebenen mit gleichem Abstand besteht, ist unter den
Winkeln α konstruktive Interferenz beobachtbar
b) Debye-Scherrer Methode:
 auch monochromatischer Röntgenstrahl verwendet
 kristalline Probe ist fein gemahlen und durchmischt und bildet Polykristall
 in Polykristall liegen kleine Kristallsplitter zufallsverteilt und in allen Richtungen
  Beugung erfolgt an sämtlichen Gitterebenen unter einem Winkel
c) Laueverfahren:
 benutzt Einkristall der von einem polychromatischen (weißen) Röntgenstrahl beleuchtet
wird
 kontinuierlich verteilten Wellenlängen führen zu vielen Beugungserscheinungen
Bragg-Bedingung:
 Atome im Kristall sind regelmäßig angeordnet  bilden Gitterebenen
 Gitterbenen haben Abstand d
 Röntgenstrahlung trifft unter α auf eine Ebene
 der untere Strahl muss Weg zurücklegen, der um 2d sinα länger ist als oberer

ist dieser Weg ein m-faches von λ der Röntgenstrahlung trifft Wellenberg auf Wellenberg 
konstruktive Interferenz  Signal am Detektor
2d sinα = mλ
(m=1,2,3,…)
10. Erläutern Sie mindestens vier verschiedene Arten von Kernstrahlungsdetektoren und erklären Sie
deren Funktionsweise.
Ionisationskammer:
Zylinderkondensator, wo überprüft wird, wie schnell sich dessen Ladung durch ionisierende
Teilchen abbaut
Geiger-Müller-Zähler:
Metallzylinder als Kathode, Stab als Anode, kleines Glimmerfenster und Argon mit etwas Alkohol
darin. Ein eindringendes Teilchen erzeugt im Argon Ladungsträger und einen Puls, der über eine
Elektronik verstärkt und hörbar gemacht wird.
Halbleiterdetektor:
Germanium oder Silizium
p-dotierter und n-dotierter Halbleiter, an den Spannung angelegt wird
Elektronenlöcher wandern zum negativen Pol, Elektronen zum positiven Pol  in der Mitte keine
Ladungsträger mehr  kein Strom fließt
klein baubar und hohe Zeitauflösung
Szintillationszähler:
Ein Gammaquant trifft den Szintillator und erzeugt einen Szintillationslichtblitz. Dieses Photon trifft
auf die Photokathode und schlägt ein Photoelektron heraus, welches in einem PhotoelektronenVervielfacher durch eine Reihe von Metallplättchen um bis zu 10 6 verstärkt wird; ein einziger
Gammaquant kann detektiert werden.
11. Erläutern Sie das Lennard-Jones-Potential und seine Bedeutung für die drei Aggregatszustände.
beschreibt die Energie in Abhängigkeit vom Abstand zweier Teilchen
beim Gas ist ein Teilchen weit entfernt, kommt näher und wird angezogen, bis es wieder
abgestoßen wird  Gasteilchen verschwindet nach dem Stoß
in der Flüssigkeit sitzt das Teilchen in der Senke, kann sich aber bewegen
fest: Teilchen kann sich nur mehr wenig bewegen (hin- und herschwingen)
12. Konstruieren Sie den Strahlengang im Fabry-Perot-Interferometer, erläutern Sie die Funktionsweise
und geben Sie zumindest ein Beispiel für einen praktischen Einsatz an.
Jeder Punkt einer Lichtquelle wird über eine Linse
in 2 Spiegelplatten mit Abstand d gelenkt. Diese
Spiegel haben eine Reflektivität von ca. 95% und
sind bis auf
geschliffen. Das Licht wird bis zu
1000x zwischen den Spiegeln hin- und
herreflektiert, dabei wird jedesmal ein Teil der
Intensität nach außen abgegeben. Dieser Bruchteil
wird über eine 2. Linse auf einen Schirm projiziert,
wo konzentrische Kreise mit hohem Kontrast
sichtbar werden. Der Gangunterschied beträgt
immer die doppelte Länge von d.
Praktischer Einsatz: Laser-Resonatoren,
Astronomie, Spektroskopie
13. Erläutern Sie die Intensitätsverteilung am Schirm bei der Beugung von violettem und rotem Licht an
einem Einfachspalt (Zeichnung!).
Spaltlänge wird in einzelne Punkte zerlegt (Wellenzentren)
2 Punkte, deren Abstand , werden gewählt
Winkel: 2 parallele Strahlen Gangunterschied 180°
Wellenberg und –tal fallen zusammen  löschen sich aus
am Schirm: Schattenstreifen
rot: v=4*10-14 Hz
violett: v=7*10-14 Hz
14. Erläutern Sie das elektrische und magnetische Feld einer Stabantenne (Zeichnung!).
elektrisches Feld:
Feldlinien gehen radial von Q aus
ist wirbelfrei  gibt keine in sich geschlossenen Feldlinien
daher gibt es ein elektrisches Potential
magnetisches Feld:
stationärer Gleichstrom erzeugt Magnetfeld, das um die Achse herum gleichförmig ist 
Wirbelfelder
Feldrichtung wechselt mit Stromrichtung und ist rechtsdrehend
gibt in sich geschlossene Feldlinien
Stabantenne erzeugt primär ein elektrisches Feld, in dessen Folge dann erst
ein magnetisches Feld entsteht
15. Erläutern Sie Funktion und Wirkungsweise eines Szintillationsdetektors (Zeichnung!).
Ein Gammaquant trifft den Szintillator und erzeugt einen Szintillationslichtblitz. Dieses Photon trifft
auf die Photokathode und schlägt ein Photoelektron heraus, welches in einem PhotoelektronenVervielfacher durch eine Reihe von Metallplättchen um bis zu 10 6 verstärkt wird; ein einziger
Gammaquant kann detektiert werden.
16. Erläutern Sie Alpha- und Beta-Zerfall (Zeichnung!).
α-Zerfall:
aus Atomkern wird 1 α-Teilchen (Helium) emittiert
Massenzahl nimmt um 4 ab
Ordnungszahl nimmt um 2 ab
findet erst oberhalb einer Massenzahl von A > 150 statt
großer, instabiler Kern  kleiner, stabiler Kern + α-Teilchen
β-Zerfall:
ein energiereiches β-Teilchen verlässt den Kern
es entsteht ein Antineutrino
bei abgestrahltem Elektron: β-Minus-Zerfall
bei abgestrahltem Positron: β-Plus-Zerfall
14C (6 Protonen, 8 Neutronen)  7 Protonen, 7 Neutronen + Antineutrino + Elektron
17. Erläutern und konstruieren Sie den Strahlengang im Durchlichtmikroskop.
 Licht geht durch das Messobjekt
 Gegenstand ist zwischen einfacher und doppelter
Brennweite des Objektivs und entwirft auf der anderen
Seite ein reelles, verkehrtes und vergrößertes Zwischenbild
 Dieses Zwischenbild ist innerhalb der einfachen Brennweite
des Okulars, welches das Bild (wie eine Lupe) vergrößert.
 Das Auge sieht ein vergrößertes, verkehrtes und imaginäres
Bild des Zwischenbilds, welches von der Linse des Auges
zu einem reellen Bild gemacht wird.
18. Erläutern Sie den Strahlengang in einem Spektralphotometer mit a) Einkanaldetektor und b)
Vielkanaldetektor.
Einkanaldetektor:
Lichtquelle, Monochromator, Probe, Detektor
vor Messung der Probe muss Spektrum der Referenzprobe aufgezeichnet werden
Aufzeichnung eines Spaktralbereichs dauert lange  es kann immer nur die Intensität bei einer
Wellenlänge gemessen werden
senden Licht einer bestimmten Wellenlänge durch die
Probe
Vielkanaldetektor:
= Diodenarray
sendet Licht verschiedener Wellenlängen gleichzeitig durch die
Probe
Monochromator befindet sich hinter der Probe (
Polychromator)
gesamtes Spektrum der durchgelassenen Strahlung fällt auf
Detektor (meist Diodenarray)
19. Erläutern Sie Funktion und Wirkungsweise eines Geigerzählers (Zeichnung!).
zeigt vor allem den Impulscharakter der Strahlung
wesentliche Elemente: Metallzylinder als Kathode; Stab als
Anode; kleines Glimmerfenster; Argon mit etwas Alkohol
Ein eindringendes Teilchen erzeugt im Argon Ladungsträger und
einen Puls, der über eine Elektronik verstärkt und hörbar
gemacht wird.
20. Erläutern Sie die Entstehung von Röntgenstrahlung (Zeichnung!) und erläutern Sie ein
Röntgenspektrum (Zeichnung!).
Entstehung von Röntgenstrahlung:
Hochbeschleunigte Elektronen treffen auf ein Metall und schlagen
aus diesem andere Elektronen. Die übrig bleibenden
Elektronenlöcher werden durch Elektronen aus den äußeren Schalen
geschlossen, die somit aus ihrem energetisch höheren in einen
energetisch niedrigeren Zustand fallen und die Energiedifferenz als
Photon abgeben.
Röntgenspektrum:
K- und L-Linien eines Metalls sind sichtbar.
21. Erläutern Sie die Isothermen des realen Gases in der Nähe des kritischen Punktes (Zeichnung!).
Die kritische Temperatur TC ist jene Temperatur, über der sich ein
Gas auch bei noch so großem Druck nicht mehr verflüssigen lässt.
T > TC: Isotherme sieht wie Hyperbel aus (rot).
Am kritischen Punkt (schwarz) verschwindet die sichtbare
Trennfläche zwischen flüssiger und gasförmiger Phase, da hier ihre
Dichten gleich sind.
T < TC (blau)
22. Erläutern Sie Funktion und Wirkungsweise eines Fouriertransformationsinfraspektrometers.
 Grundlage = Michelson-Interferometer
 Das infrarote Licht wird über 2 Hohlspiegel durch das Michelson-Interferometer, über einen
Hohlspiegel durch die Probe und über einen weiteren Hohlspiegel auf einen Detektor geschickt.
 Die Fourier-Transformation dient dazu, eine beliebige harmonische Schwingung als Summe von
Sinus- und Cosinusschwingungen darzustellen und sie somit in ihre Teilschwingungen zu
zerlegen.
 Peaks sind sichtbar (= Frequenz der Schwingung) und fertiges IR-Spektrum
23. Beschreiben Sie vier verschiedene Methoden zur Messung der Temperatur (Zeichnung!).
thermische Ausdehnung  Längen-, Volumsänderung
 Gasthermometer: Gefäß, das Gas (meist Helium) als
Thermometersubstanz enthält, das Messvolumen wird durch
Quecksilbersäule verschlossen.
 Bimetallthermometer: Ein Metallstab, der aus 2 Metallen mit
verschiedenen Wärmeausdehnungskoeffizienten besteht,
verbiegt sich bei Temperaturveränderungen.
eine
elektrische Eigenschaften
 Widerstandsthermometer: basiert auf dem sich mit der
Temperatur verändernden elektrischen Widerstand
Farbumschlag  gewisse Materialien verändern bei einer gewissen Temperatur ihre Farbe
Wärmestrahlung
 Pyrometer: misst die von einem Stoff emittierte infrarote Strahlung, die proportional zu dessen
Temperatur ist.
24. Erläutern Sie die Vorgänge beim Einschalten und Ausschalten eines Stromkreises mit
Gleichspannungsquelle, Widerstand und Induktivität.
Jeder geschlossene Stromkreis besitzt eine Induktivität
 also enthält er quasi eine Spule mit Windung
 wird auch als Selbstinduktivität L bezeichnet
daher treten beim Schließen und Öffnen eines Stromkreises stets induzierte Spannungen auf
Einschalten/Laden:
schließt man den Stromkreis, so steigt die Spannung (auch der Strom) nicht sofort auf 100% an
der Anstieg erfolgt exponentiell anhand der Formel
(
)
Ausschalten/Entladen:
unterbricht man den Stromkreis, fallen I und U nicht sofort auf null
beim Öffnen erzeugt Selbstinduktion eine Induktions-Gegenspannung, die den Abfall des Stromes
hemmt
für die Spannung gilt:
25. Erläutern Sie die Polarisierbarkeit von Materie und ihre Wechselwirkung mit elektromagnetischer
Strahlung, Zeichnung!
Polarisierbarkeit = das Ausmaß, in dem sich die Ladungsverteilung einer Materie durch
elektromagnetische Strahlung ändert
von der Frequenz abhängig
elektromagnetische Strahlung mit bestimmter Frequenz zeigt bestimmte Wechselwirkungen (z.B.
Mikrowellen  Molekülrotationen)
 infrarot-Bereich: Molekülschwingungen
 UV-vis: Übergänge von Valenzelektronen
26. Erläutern Sie die Abhängigkeit der spezifischen Wärmekapazität bei konstantem Volumen als
Funktion der absoluten Temperatur.
27. Erläutern Sie die Infrarotspektroskopie (Prinzip, Apparatur und Spektren), Zeichnung!
Elektromagnetische Strahlung im IR-Bereich regt 2 Arten von Molekülschwingungen an,
Streckschwingungen und Biegeschwingungen. Nur Schwingungen, die mit einer Änderung des
Dipolmoments verbunden sind, sind IR-aktiv.
Die Abszisse wird als Wellenzahl v angegeben. Diese sagt aus, wie viele Wellenberge/-täler einer
Strahlung in einem Zentimeter Platz haben und trägt daher die Einheit cm-1.
Wellenzahl v ist Kehrwert der Wellenlänge λ und proportional zur Energie der Photonen.
auf der Ordinate ist nicht Extinktion, sondern Transmission aufgetragen
IR Spektrum besteht aus:
 Region bei hohen Wellenzahlen, innerhalb der jeder Peak einer besonderen Schwingungen
zugeordnet werden kann
 fingerprint-Region bei niedrigen Wellenzahlen, in der jedes Molekül ein charakteristisches
Spektrum besitzt
fingerprint-Region
28. Vergleichen Sie die Interferometer von Michelson und Fabry-Perot hinsichtlich Aufbau,
Strahlengang und Interferogramm, mit Zeichnungen!
Michelson-Interferometer:
monochromatischer Lichtstrahl fällt auf Strahlenteiler  50% auf fixen Spiegel reflektiert
Die beiden Spiegel reflektieren das Licht auf den Strahlteiler zurück, von dem es auf einen Detektor
geleitet wird.
Je nach Stellung der Spiegel:
 wenn Abstand zwischen Strahlteiler und fixem Spiegel gleich ist dem Abstand zwischen
Strahlteiler und verschiebbaren Spiegel  konstruktive Interferenz
 wenn Gangunterschied auf  destruktive Interferenz
 weiter weg  auf Schirm immer mehr konzentrische Kreise
Interferogramm:
Fabry-Perot-Interferometer:
Konstruktive Interferenz bei
Jeder Punkt einer Lichtquelle wird über eine Linse in 2
Spiegelplatten mit Abstand d gelenkt. Diese Spiegel haben eine
Reflektivität von ca. 95% und sind bis auf
geschliffen. Das Licht
wird bis zu 1000x zwischen den Spiegeln hin- und herreflektiert,
dabei wird jedes Mal ein Teil der Intensität nach außen
abgegeben. Dieser Bruchteil wird über eine 2. Linse auf einen
Schirm projiziert, wo konzentrische Kreise sichtbar werden, die
jedoch im Gegensatz zum Michelson-Interferometer hohen
Kontrast haben.
. (N: ganze Zahl > 0)
29. Erläutern Sie die Heisenbergsche Unschärferelation!
Quantenmechanisch kann man die exakte Position eines Teilchens nur bestimmen, indem man es
mit Licht bestrahlt. Das Licht übt aber einen Impuls auf das Teilchen aus, das heißt seine
Geschwindigkeit wird unscharf. Je genauer man den Ort eines Teilchens wissen will, dest mehr muss
man seine Geschwindigkeit verändern.
Δx = Unsicherheit im Bezug auf den Ort
Δp = Unsicherheit im Bezug auf den Impuls
30. Erläutern Sie die 14C Methode zur Altersbestimmung.
Wenn kosmische Strahlung mit Luft zusammentrifft, kann ein Neutron mit einem Stickstoffkern
reagieren und ein Proton und einen 14C-Kern produzieren. Dieser 14C-Kern ist nicht stabil und
zerfällt.
14
C ist auch in CO2 vorhanden, sein Anteil bleibt in Pflanzen und Tieren durch den natürlichen
Stoffwechsel während der Lebensdauer konstant. Nach dem Tod wird kein 14C mehr eingebaut und
zerfällt, der Gehalt ist daher nicht mehr konstant.
Wenn man annimmt, dass der 14C-Gehalt in der oberen Atmosphäre immer konstant ist, so kann
man aus dem Anteil von 14C im Vergleich zu 12C schließen, wie lange ein Lebewesen schon tot ist
(
).
31. Erläutern Sie den physikalischen Gehalt der dritten und vierten Maxwellgleichung.
3. Maxwellgleichung:
Ein sich mit der Zeit t änderndes magnetisches Feld erzeugt um sich herum ein elektrisches Feld.
⃗⃗
⃗⃗
⃗⃗ … magnetische Flussdichte ⃗ … elektrische Feldstärke
⃗
oder
⃗
4. Maxwellgleichung:
Ein sich mit der Zeit t änderndes elektrisches Feld erzeugt um sich herum ein magnetisches Feld. Ein
stromdurchflossener elektrischer Leiter ist also von einem Magnetfeld umgeben.
⃗⃗
⃗⃗
⃗⃗ ⃗
⃗⃗ ⃗
oder
32. Beschreiben Sie mindestens vier verschiedene Methoden zur Erzeugung von linear polarisiertem
Licht.
 Dichroismus: ist eine Eigenschaft mancher Materialien, die in verschiedene
Polarisationsrichtungen verschiedene Absorptionskoeffizienten haben.
 Kristalle
 Polarisationsfolien: sind Kunststofffolien mit ausgerichteten, länglichen Molekülen.
 Reflexion: Bei bestimmten Einfallswinkeln ist das reflektierte Licht vollkommen polarisiert, und
zwar wenn gilt:
(Brewster-Winkel).
 Streuung: bei erzwungenen Schwingungen können die Atome nur senkrecht zur Achse strahlen.
 Doppelbrechung: führt ebenfalls zur Polarisation von Licht.
33. Erläutern und beschreiben Sie mindestens drei verschiedene physikalische Experimente, bei denen
dem Planckschen Wirkungsquantum eine fundamentale Rolle zukommt, drei Zeichnungen!
 Photoelektrischer Effekt:
Die Energie der Lichtquanten ist so hoch, dass Elektronen aus ihrer Position im Metall
herausgeschlagen werden.
 Compton-Effekt:
Ein Gammaquant stößt mit Lichtgeschwindigkeit auf ein ruhendes Elektron. Das Elektron wird
abgelenkt, das Gammaquant verliert an Energie, seine Wellenlänge wird also größer. Die
Änderung der Wellenlänge des Photons nach der Streuung hängt nicht von der anfänglichen
Wellenlänge ab, sondern nur vom Streuwinkel .
(
)
 De-Broglie-Materiewellen:
jedem Teilchen kann eine Wellenlänge λ zugeordnet werden.
(p: Impuls, k: Wellenzahl)
mit
34. Erläutern Sie den physikalischen Inhalt der Van-der-Waalsgleichung.
beschreibt das Verhalten realer Gase in Abhängigkeit von Druck, Volumen und Temperatur.
(
)(
)
Vm … molares Volumen
… Binnendruck
b … Eigenvolumen der Moleküle
35. Erläutern Sie den ersten Hauptsatz der Thermodynamik.
Wird einem thermisch isolierten System von außen eine Wärmemenge ΔQ zugeführt, so erhöht
diese die innere Energie ΔU des Systems. Das System kann nach außen Arbeit ΔW=p*ΔV abgeben.
Es gilt der Satz von der Erhaltung der Energie:
Wärme ist also eine Form von Energie.
36. Erläutern Sie den physikalischen Gehalt der ersten und zweiten Maxwellgleichung.
1. Maxwellgleichung:
Quellen und Senken des elektrischen Feldes werden von Ladungen hervorgerufen:
⃗⃗
⃗⃗
oder
( ⃗⃗ … elektrische Flussdichte, ρ … Landungsdichte)
2. Maxwellgleichung:
Das magnetische Feld besitzt keine Quellen und Senken und ist somit immer in sich geschlossen:
⃗⃗
⃗⃗
oder
( ⃗⃗ … magnetische Flussdichte)
37. Erläutern Sie die Ramanspektroskopie (Prinzip, Apparatur und Spektren), Zeichnung!
ist eine Streumethode und bedient sich eines Lasers, dessen
Wellenlänge im Bereich zwischen IR- und UV-Strahlung liegt.
Der Strahl des Lasers trifft auf ein -Plättchen, wodurch seine
Polarisationsebene um 90° gedreht wird. Der Bandpassfilter
sorgt dafür, dass nur die monochromatischen Anteile des
Lichts weitergelangen. Der dichroische Strahlteiler besitzt
90% Effizienz, die Linse fokussiert das Licht auf die Probe.
Nachdem das Streulicht den Strahlteiler und einen
Hochpassfilter durchquert hat, wird es von einer weiteren
Linse auf einen Spalt fokussiert. Das Licht wird von einem
Spiegel auf ein Gitter reflektiert und an diesem gebrochen.
Spektrum: drei typische Peaks
 größte Peak: Rayleigh-Linie  Ein Elektron im Molekül wird in einen
angeregten Zustand versetzt und fällt wieder in den Grundzustand
zurück.
 kleinerer Peak bei geringerer Wellenzahl: Stokes-Linie  Ein
Elektron wird in einen energiereicheren Zustand gehoben, fällt aber
nicht in den Grundzustand E0 zurück, sonder das Molekül bleibt in
einem Zustand E1 höherer Schwingungsenergie.
 noch kleinerer Peak bei höherer Wellenzahl: Anti-Stokes-Linie  Ein
Photon wird von einem Molekül absorbiert, welches sich bereits
durch die Wirkung eines vorangegangenen Photons in einem Zustand höherer
Schwingungsenergie befindet, und wenn dieses Molekül anschließend in den Grundzustand
zurückfällt.
38. Erläutern Sie Aufbau und Wirkungsweise eines Massenspektrometers (Zeichnung!).
 Substanz wird ionisiert, in elektrischem Feld
beschleunigt und in Magnetfeld gebracht
 dort die zu untersuchenden Elektronen von
Lorentz-Kraft abgelenkt
 Quotient Ladung durch Masse bestimmt die
Stärke der Ablenkung
 sehr empfindliche Massenauftrennung wird
erreicht
39. Erläutern Sie eine Messmethode zur Bestimmung der Lichtgeschwindigkeit.
Licht wird durch eine Pockelszelle geschickt, die nur für kurze Zeit für das Licht durchlässig ist.
Dahinter befindet sich ein halbdurchlässiger Spiegel, der einen Teil des Lichts reflektiert, welches
dann auf einen Lichtteilchenvervielfacher (=Photomultiplier) trifft. Der andere Teil durchdringt den
halbdurchlässigen Spiegel und trifft auf einen weiteren Spiegel, der den Strahl auch auf den
Photomultiplier lenkt. Bei bekanntem Abstand ist die Lichtgeschwindigkeit daraus zu berechnen
(Weg und Zeit sind bekannt): s=v*t.
40. Erläutern Sie drei grundlegende Verfahren zur Kristallstrukturbestimmung.
Drehkristallverfahren; Debye-Scherrer-Methode; Laue-Verfahren: Siehe 9.
41. Erläutern Sie den piezoelektrischen Effekt.
Die Energie der Lichtquanten ist so hoch, dass Elektronen aus ihrer Position im Metall
herausgeschlagen werden.
42. Erläutern Sie das Verhalten eines Gases am kritischen Punkt an Hand eines Experiments
(Zeichnung!).
Kritischer Punkt von CO2:
ein Glasrohr enthält Kohlendioxid in flüssiger Form
CO2 besitzt einen kritischen Punkt bei 73,7 bar und eine kritische Temperatur bei 31°C.
Das Gas im Rohr wird langsam erwärmt und der Meniskus beobachtet.
 T<TC: klare Grenze zwischen flüssiger und gasförmiger Phase
 T=TC: Meniskus verschwindet und mit ihm eine definierbare Phasengrenze  es zeigt sich die
kritische Opaleszenz  Gas und Flüssigkeit befinden sich im Gleichgewicht
 T>TC: Kohlendioxid geht vollständig in die Gasphase über.
Kühlt man das Glasrohr ab, kann man die Schritte in umgekehrter Reihenfolge beobachten.
43. Erläutern Sie den Magnuseffekt (mit Zeichnung!).
Kugel mit Eigenrotation (Spin) erzeugt eine
Zirkulationsströmung
kombiniert mit einer laminaren Strömung führt dies zu
unterschiedlichen Strömungsgeschwindigkeiten auf
Ober- und Unterseite der Kugel
je nach Drehsinn ist eine mehr gerade oder
bogenförmige Flugbahn der Kugel die Folge
z.B. beim Tennis/Volleyball
44. Erläutern Sie das Phänomen der Influenz.
Ein Leiter in einem elektrischen Feld (z.B. eine Kugel) bewirkt eine Verkrümmung der Feldlinien, die
ja senkrecht auf dessen Oberfläche treffen. Im Inneren des Leiters findet eine Ladungstrennung
statt: Bei einem Metall bewegen sich die Elektronen zur Seite des positiven Pols, die Fehlstellen der
Elektronen (also die positive Ladung) zum negativen Pol. Die Kugel verhält sich wie ein Faradayscher
Käfig: Das Kugelinnere ist vom elektrischen Feld vollkommen abgeschirmt, nicht jedoch vom
magnetischen. Man kann also das elektrische Feld zum Erzeugen von Ladungen verwenden.
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