Atomphysik in Versuchen

1. Einleitung.- 1.1. Ist eine Behandlung der Atomphysik im Physikunterricht geboten?.- 1.2. Welche Voraussetzungen sind zur Behandlung der Atomphysik nötig?.- 1.3. Welches Ziel soll die Behandlung atomphysikalischer Probleme im Unterricht haben und wie kann dieses Ziel erreicht werden?.- 2. Allgemeines Instrumentarium.- 2.0. Vorbemerkungen.- 2.1. Hochspannungsgeräte und sonstige Netzgeräte.- 2.2. Das Elektroskop bzw. das Elektrometer.- 2.3. Das Spiegelgalvanometer und der Meßverstärker.- 2.4. Die Thermosäule.- 2.5. Die Braunsche Röhre.- 2.6. Lichtquellen, Entladungsröhren und Glimmröhren.- 2.7. Elektronische Zählgeräte.- 2.7.1. Vorbemerkung.- 2.7.2. Aufbau elektronischer Zählgeräte.- 2.8. Das Ausmessen magnetischer Felder und Kräfte.- 3. Das Rutherfordsche Atommodell.- 3.0. Vorbemerkungen.- 3.1. Existenz und Abmessung der Atome.- 3.1.1. Brownsche Molekularbewegung.- 3.1.2. Abschätzung des Atomdurchmessers mit dem Ölfleckversuch.- 3.1.3. Abschätzung der Loschmidtschen Zahl.- 3.1.4. Bestimmung der Atommasse und des Atom- bzw. Molekulargewichts.- 3.1.4.1. Messung des Dampfvolumens durch Luftverdrängung nach V. Meyer.- 3.1.4.2. Das Verfahren nach Dumas.- 3.1.4.3. Bestimmung des Molekulargewichts mit Hilfe der Siedepunktserhöhung (SE) und Gefrierpunktserniedrigung (GE).- 3.1.4.4. Bestimmung des Molekulargewichtes mit Hilfe der Elektrolyse.- 3.1.5. Schülerversuche zum Atom- und Molekelbegriff.- 3.1.5.1. Der Ölfleckversuch.- 3.1.5.2. Das Gesetz der gleichbleibenden Gewichtsverhältnisse.- 3.1.5.3. Molekulargewichtsbestimmungen.- 3.1.5.4. Der Zusammenhang zwischen dem Molekulargewicht und der spezifischen Wärme.- 3.1.5.5. Abschätzung der thermischen Geschwindigkeit der Molekeln einer Flüssigkeit.- 3.1.5.6. Studien zur Brownschen Bewegung.- 3.2. Kern und Elektron als Hauptbestandteile des Atoms.- 3.2.1. Aufschlüsse über Vorhandensein und Beschaffenheit der elektrisch geladenen Bestandteile des Atoms aus der Analyse der Stromleitung in Metallen (Hall-Effekt).- 3.2.2. Versuche zur Ionenwanderung in Flüssigkeiten.- 3.2.2.1. Ionenwanderung in einer flachen Kammer.- 3.2.2.2. Bestimmung der Loschmidtschen Zahl mit Hilfe der Ionenbeweglichkeit.- 3.2.3. Die Ionisation der Gase.- 3.2.3.1. Thermische Ionisation.- 3.2.3.2. Stoßionisation.- 3.2.3.3. Katodenstrahlen.- 3.2.3.4. Kanalstrahlen.- 3.2.4. Zusammenfassung der aus dem Studium der Stromleitung gewonnenen Erkenntnisse.- 3.2.5. Schülerversuche zum Ionenbegriff.- 3.2.5.1. Versuche zur Ionenwanderung.- 3.2.5.2. Bestimmung der Loschmidtschen Zahl aus der Ionenwanderung.- 3.2.5.3. Messung des elektrischen Widerstandes eines Elektrolyten.- 3.2.5.4. Beobachtung des elektrischen Widerstandes eines Glasstabes.- 3.2.5.5. Die Kennlinie einer Glühlampe.- 3.2.5.6. Ermittlung des Potentialverlaufs in einem Holzstab.- 3.2.5.7. Ermittlung des Potentialverlaufs in einem Elektrolyten.- 3.2.5.8. Versuche zur thermischen Ionisation.- 3.2.5.9. Die Aufnahme der Kennlinie einer Glimmröhre.- 3.2.5.10. Messung der Zeitdauer einer Glimmentladung.- 3.2.5.11. Die Abhängigkeit der Zündspannung einer Glimmröhre von der Temperatur.- 3.2.5.12. Abschätzung des Ionisationsgrades in einer Glimmröhre.- 3.2.6. Messung des elektrischen Elementarquantums nach Millikan.- 3.2.6.1. Das Millikangerät und die Meßmethode von Millikan.- 3.2.6.2. Messung des elektrischen Elementarquantums mit dem Millikangerät im konstanten elektrischen Feld.- 3.2.6.3. Messung des elektrischen Elementarquantums mit dem Millikangerät im elektrischen Wechselfeld.- 3.2.6.4. Die photographische Meßmethode.- 3.2.7. Schülerversuche zum elektrischen Elementarquantum.- 3.2.7.1. Der Millikanversuch selbst.- 3.2.7.2. Genaue Bestimmung der Loschmidtschen Zahl.- 3.2.7.3. Bestimmung von Ionenladungen.- 3.2.7.4. Untersuchung der auf Rauchteilchen vorkommenden Ladungen mit einem Elektrometer.- 3.2.8. Messung der Elektronenmasse.- 3.2.8.1. Vorbetrachtungen.- 3.2.8.2. Messung von e/m mit dem Fadenstrahlrohr.- 3.2.8.3. Messung von e/m nach Busch.- 3.2.8.4. Messung von e/m mit Hilfe des erdmagnetischen Feldes.- 3.2.9. Schülerversuche zur Messung der Elektronenmasse.- 3.2.9.1. Der e/m-Versuch nach Busch.- 3.2.9.2. Die Messung der Intensität des magnetischen Erdfeldes mit der Braunschen Röhre.- 3.2.9.3. Abschätzung von e/m mit einer Elektronenröhre.- 3.2.9.4. Ausmessen des ringförmigen Magnetfeldes eines langen stromdurchflossenen Drahtes.- 3.2.9.5. Der Einfluß eines Magnetfeldes auf die Zündspannung einer Glimmröhre.- 3.2.9.6. Versuche mit Glühelektronen im elektrischen Feld.- 3.2.10. Betrachtungen über die Größe der Atomkerne.- 3.2.10.1. Lenards Versuche und Betrachtungen zur Ermittlung der Kerngröße.- 3.2.10.2. Ermittlung der Kerngröße aus der Ablenkung von ?-Teilchen.- 3.3. Hinweise auf das kreisende Elektron.- 3.3.1. Molekularmagnet und Barkhausen-Effekt.- 3.3.2. Magneto- und elektrooptische Effekte.- 3.3.2.1. Vorbetrachtungen.- 3.3.2.2. Versuche zum Faraday-Effekt.- 3.3.2.3. Versuche zum Zeeman-Effekt.- 3.3.2.4. Der Kerr-Effekt.- 3.3.3. Atomare Resonanzerscheinungen.- 3.3.4. Der Einstein-de-Haas-Effekt.- 3.3.4.1. Vorbetrachtungen.- 3.3.4.2. Qualitativer Demonstrationsversuch.- 3.4. Hinweise auf die Gitterstruktur der festen Stoffe.- 3.4.1. Vorbetrachtungen.- 3.4.2. Der piezoelektrische Effekt.- 3.4.2.1. Allgemeines.- 3.4.2.2. Der Nachweis des Piezoeffektes.- 3.4.3. Laue-Diagramme.- 3.5. Schülerversuche zum Rutherfordschen Atommodell.- 3.5.1. Modellversuch zur Ermittlung der Kerngröße.- 3.5.2. Der Wechselstromwiderstand einer Spule mit Eisenkern.- 3.5.3. Demonstration des Curiepunktes.- 3.5.4. Die Abhängigkeit der Eisenmagnetisierung von der Frequenz des magnetisierenden Feldes.- 3.5.5. Darstellung der Hysteresisschleife.- 3.5.6. Der Faraday-Effekt.- 3.5.7. Der Zeemann-Effekt.- 3.5.8. Der piezoelektrische Effekt.- 3.6. Abschließende Bemerkungen zu den bisherigen Ausführungen.- 4. Die Radioaktivität.- 4.1. Einführung.- 4.2. Über den Umgang mit Röntgenstrahlung und radioaktiver Strahlung.- 4.2.1. Vorbetrachtungen.- 4.2.2. Grundlagen für die Messung der Strahlengefährdung.- 4.2.3. Erläuterungen und Hinweise zu den Bedingungen einer Strahlengefährdung.- 4.3. Versuche zur natürlichen Radioaktivität auf der Grundlage der Ionisationsstromm es sung.- 4.3.1. Einfihrende Versuche.- 4.3.2. Weiterführende Versuche mit dem Meßverstärker.- 4.3.2.1. Vorbetrachtungen.- 4.3.2.2. Aufnahme einer Sättigungsstromkurve.- 4.3.2.3. Messung der Reichweite der Alpha-Strahlen.- 4.3.3. Absorptionsmessungen an der Alpha-Strahlung.- 4.3.4. Die Demonstration des Zerfallsgesetzes der Radioaktivität (Messung der Halbwertszeit von Thoron).- 4.3.5. Die Abhängigkeit des Ionisationsstromes vom Druck des Füllgases einer Ionisationskammer.- 4.3.6. Bestimmung der Wanderungsgeschwindigkeit der Ionen in Zimmerluft.- 4.3.7. Strahlungsmessungen.- 4.3.8. Beispiel für eine Anwendung radioaktiver Strahlung in der Technik.- 4.3.9. Demonstration der Stoßionisation mit dem Zählrohr.- 4.4. Versuche zur Radioaktivität auf der Grundlage der Impulszählung.- 4.4.1. Einleitende Bemerkungen.- 4.4.2. Wirkungsweise des Geiger-Müller-Zählrohres.- 4.4.3. Versuche mit Geiger-Müller-Zählrohren.- 4.4.3.1. Der Nulleffekt und der statistische Charakter der radioaktiven Strahlung.- 4.4.3.2. Reichweitemessung an Alpha-Strahlen.- 4.4.3.3. Absorptionsuntersuchungen.- 4.4.3.4. Die radioaktive Strahlung in elektrischen und magnetischen Feldern.- 4.4.3.5. Das Messen von Halbwertszeiten.- 4.4.3.6. Das Messen von Strahlungsintensitäten.- 4.4.3.7. Streuung der Beta-Strahlen an der Materie.- 4.4.3.8. Weitere Versuche mit dem Zählrohr.- 4.4.4. Der Szintillationszähler.- 4.5. Nebelkammerversuche.- 4.5.1. Allgemeines.- 4.5.2. Die Wilsonkammer.- 4.5.3. Die kontinuierliche Nebelkammer.- 4.5.4. Die Projektionsnebelkammer nach Hilsch.- 4.6. Die künstliche Kernspaltung.- 4.6.1. Einführung.- 4.6.2. Modellversuche.- 4.6.3. Aktivierungsversuche.- 4.7. Schülerversuche zur Radioaktivität.- 4.7.1. Die Leuchtziffern der Armbanduhr als Spinthariskop.- 4.7.2. Versuche mit dem Funkenzähler nach Greinacher.- 4.7.3. Nachweis einer durch radioaktive Strahlung verursachten Ionisation.- 4.7.4. Aufnahme einer Sättigungsstromkurve bei radioaktiver Ionisation.- 4.7.5. Reichweitemessungen.- 4.7.6. Abhängigkeit des durch radioaktive Strahlung verursachten Ionisationsstromes von der Temperatur.- 4.7.7. Messung der Halbwertszeit von Thoron.- 4.7.8. Absorptionsmessungen an einem radioaktiven Präparat.- 4.7.9. Der Spitzenzählerversuch.- 4.7.10. Messung des Einflusses radioaktiver Strahlung auf die Dauer einer Glimmentladung.- 5. Das Bohrsche Atommode ll.- 5.1. Vorbetrachtungen.- 5.2. Der lichtelektrische Effekt.- 5.2.1. Einführung.- 5.2.2. Darstellung des lichtelektrischen Effektes.- 5.2.2.1. Verwendung des Wulf-Elektroskopes.- 5.2.2.2. Verwendung des Elektrometers.- 5.2.2.3. Verwendung lichtempfindlicher Glimmröhren.- 5.2.2.4. Verwendung des Meßverstärkers.- 5.2.2.5. Verwendung von Hochvakuum-Photozellen.- 5.3. Der Elektronenstoßversuch von Franck und Hertz.- 5.3.1. Das Grundsätzliche.- 5.3.2. Allgemeines zur Versuchspraxis.- 5.3.3. Einzelheiten zur Versuchspraxis.- 5.3.4. Methodische Empfehlung.- 5.4. Die experimentelle und theoretische Behandlung des Wasserstoffspektrums.- 5.5. Klassische Physik und Temperaturstrahlung (Das Wiensche Verschiebungsgesetz).- 5.6. Das elementare Wirkungsquantum.- 5.6.1. Einführung.- 5.6.2. Bestimmung des elementaren Wirkungsquantums durch Auswertung der Vorgänge bei Gasentladungen.- 5.6.2.1. Die Messung von h mit Hilfe von Glimmröhren.- 5.6.2.2. Die Abschätzung von h durch Auswertung von geschichteten Entladungen.- 5.6.3. Die genaue Messung des Wirkungsquantums.- 5.6.3.1. Durchführung der Messung mit dem Meßverstärker.- 5.6.3.2. Durchführung der Messung mit einem Wechselspannungsverstärker.- 5.6.4. Ermittlung des Wirkungsquantums durch Auswertung des Wasserstof spektrums.- 5.6.5. Die Abschätzung des elementaren Wirkungsquantums durch Betrachtungen zur Temperaturstrahlung.- 5.6.6. Die h-Bestimmung mit Hilfe der photochemischen Chlorknallgasreaktion.- 5.7. Der Compton-Effekt.- 5.8. Schülerversuche zum Bohrschen Atommodell.- 5.8.1. Aufnahme einer Sättigungsstromkurve beim lichtelektrischen Effekt.- 5.8.2. Abhängigkeit des lichtelektrischen Effektes von der Lichtintensität.- 5.8.3. Abhängigkeit des lichtelektrischen Effektes von der Farbe des Lichtes.- 5.8.4. Abhängigkeit des lichtelektrischen Effektes vom Elektrodenmateria.- 5.8.5. Abhängigkeit der Lichtstrahlungsenergie einer Glühlampe von der aufgenommenen elektrischen Leistung.- 5.8.6. Demonstration des Wienschen Verschiebungseffektes.- 5.8.7. Eine Hinführung zum Stefan-Boltzmannschen Strahlungsgesetz.- 5.8.8. Potentialverlauf in einer Entladungsröhre bei geschichteter Entladung.- 5.8.9. Subjektive Ausmessung des H2-Spektrums.- 5.8.10. Die Kennlinie einer belichteten Glimmröhre vor der Zündung.- 5.8.11. Die Abschätzung des elementaren Wirkungsquantums.- 5.8.12. Messung der Bremsspannung der Photoelektronen (zur genaueren h-Bestimmung).- 5.8.13. Messung des Einflusses des Lichtes auf die Dauer einer Glimmentladung.- 5.9. Leitungsvorgänge in Isolatoren, Halbleitern und Leitern.- 5.9.1. Einführung.- 5.9.2. Definitionen.- 5.9.3. Grundversuche zum Verhalten von Isolatoren, Halbleitern und Metallen.- 5.9.3.1. Leitende Isolatoren bei hohen Temperaturen und hohen elektrischen Feldstärken.- 5.9.3.2. Schlechtleitende Halbleiter bei tiefen Temperaturen.- 5.9.3.3. Gegenversuch mit einem Leiter.- 5.9.3.4. Abgekühlte Halbleiter bei Bestrahlung mit Licht bestimmter Frequenz.- 5.9.4. Erklärung der Grundversuche mit Hilfe des Bändermodells.- 5.9.4.1. Der Weg vom Termschema eines Atoms zum Bändermodell eines Kristalls.- 5.9.4.2. Vom Bändermodell zur Elektronen- und Löcherleitung.- 5.9.4.3. Das Bändermodell für Isolatoren, Halbleiter und Leiter.- 5.9.4.4. Zusammenfassung der Begriffe und Ausführungen zu den Leitungsvorgängen in Störstellenhalbleitern.- 5.9.5. Möglichkeiten für die Herstellung von Störstellenhalbleitem. Transistorsysteme.- 5.9.5.1. Der Legierungstransistor OC 71 als pnp-Typ für Ge und npn-Typ für Si.- 5.9.5.2. Der Diffusionstransistor BC 107.- 5.9.6. Dioden-Physik.- 5.9.6.1. Die np-Flächendiode. Der np-Übergang.- 5.9.6.2. Vergleich der Potentiale von p- und n-Material.- 5.9.6.3. Nachweis der Diffusionsspannung zwischen n- und p-Material.- 5.9.6.4. Nachweis der Diffusionslängen in der Sperrschicht.- 5.9.6.5. Die np-Diode mit negativer Vorspannung.- 5.9.6.6. Der Zenereffekt.- 5.9.6.7. Die np-Diode mit positiver Vorspannung.- 5.9.6.8. Dioden in logischen Schaltkombinationen.- 5.9.7. Dioden aus Halbleitern mit verschieden hohen Leitungsbändern.- 5.9.7.1. Einführung.- 5.9.7.2. Die Peltierkühlaggregate.- 5.9.7.3. Thermoelemente — Seebeck-Effekt.- 5.9.8. Der Dioden-Laser.- 5.9.8.1. Einführung.- 5.9.8.2. Versuchsanordnung mit einer Laser-Diode.- 5.9.8.3. Die Arbeitsweise der Laser-Diode.- 5.9.9. Transistorphysik.- 5.9.9.1. Einführung.- 5.9.9.2. Grenzfälle der Transistorkennlinien.- 5.9.9.3. Allgemeiner Fall: Bistabiler Transistor.- 5.9.9.4. Der monostabile Transistor als Verstärker.- 5.9.9.5. Vergleich zwischen Elektronen-Röhre und Transistor bei Verstärkerschaltung.- 5.9.9.6. Die Grenzfrequenz des Transistors OC 71.- 5.9.9.7. Der RC-Generator aus Wienbrücke und zweistufigem Verstärker.- 5.9.10. Der Hallgenerator.- 5.9.11. Der Einfluß eines Magnetfeldes auf den elektrischen Widerstand spezieller Halbleiter.- 5.9.12. Schülerversuche zur Halbleiterphysik.- 6. Zusammenfassung der methodischen Gesichtspunkte.- 6.1. Zum Stoffumfang.- 6.2. Gründe für die Betonung einzelner Stoffgebiete der Atomphysik.- 6.3. Das Ineinandergreifen physikalischer Gebiete bei der Behandlung von Problemen der Atomphysik.- 6.4. Der methodische Wert abschätzender Betrachtungen.- 6.5. Zur Aufgabe und den Grenzen des Unterrichts in der Atomphysik.- Übersicht über die Maßeinheiten.- Tafel der Schaltzeichen.- Sachwortverzeichnis.