Energieniveaus und Quantisierung
Aus welcher Lichtquelle stammen die Photonen mit der größten Energie pro Photon?
Erklärung: Nach E = h·f zählt für die Energie eines einzelnen Photons nur die Frequenz, nicht die Helligkeit: Die UV-Photonen sind die energiereichsten. Helle Quellen senden nur mehr Photonen aus, nicht energiereichere.
Berechne die Energie eines Photons mit f = 5·10¹⁴ Hz in eV. (h = 6,63·10⁻³⁴ J·s; 1 eV = 1,6·10⁻¹⁹ J). Runde auf 2 Dezimalstellen.
Erklärung: E = h·f = 6,63·10⁻³⁴ · 5·10¹⁴ = 3,315·10⁻¹⁹ J. In eV: 3,315·10⁻¹⁹ / 1,6·10⁻¹⁹ ≈ 2,07 eV.
Im Wasserstoffatom kann das Elektron jede beliebige Energie zwischen Grundzustand und Ionisationsgrenze annehmen.
Erklärung: Die Energieniveaus im Atom sind quantisiert — das Elektron kann nur bestimmte, diskrete Energien haben, keine Zwischenwerte.
Wenn ein Elektron von einem höheren auf ein niedrigeres Energieniveau wechselt, wird ein ___ emittiert.
Erklärung: Beim Übergang auf ein niedrigeres Niveau gibt das Atom die Energiedifferenz als Photon ab: ΔE = h·f.
Das Licht einer leuchtenden Neon-Gasentladungsröhre wird durch ein Gitter betrachtet. Was sieht man?
Erklärung: Ein leuchtendes Gas sendet ein Linienspektrum aus: Die diskreten Energieniveaus erlauben nur bestimmte Übergänge, also nur bestimmte Frequenzen. Ein durchgehendes Regenbogenband liefern glühende feste Körper wie ein Glühdraht.
Ein Atom emittiert Licht mit λ = 500 nm. Welche Energiedifferenz ΔE hat der Übergang in eV? (hc = 1240 eV·nm)
Erklärung: ΔE = hc/λ = 1240/500 = 2,48 eV.
Ein idealisiertes, völlig reibungsfreies Pendel schwingt zwischen Höhen- und Bewegungsenergie hin und her. Bei diesem Vorgang geht keine Energie in nicht nutzbare Formen über.
Erklärung: Ohne Reibung ist der Vorgang reversibel — es findet keine Energieentwertung statt. Reale Vorgänge sind dagegen immer mehr oder weniger irreversibel.
Bei welchem Vorgang wird Energie vor allem entwertet?
Erklärung: Energieentwertung heißt: Energie wird in eine schlechter nutzbare Form umgewandelt — beim Bremsen verteilt sie sich als Wärme. Die Gesamtenergie bleibt erhalten (1. Hauptsatz), nur die Nutzbarkeit sinkt. Kraftwerk und Solarzelle erzeugen dagegen gut nutzbare elektrische Energie.
Der Wirkungsgrad η gibt das Verhältnis von ___ Energie zur zugeführten Energie an.
Erklärung: η = E_nutz / E_zu. Der Wirkungsgrad liegt immer zwischen 0 und 1 (0 % und 100 %).
Ein Kraftwerk erzeugt aus 1000 MJ Brennstoffenergie 380 MJ elektrische Energie. Wie groß ist der Wirkungsgrad in %?
Erklärung: η = 380/1000 = 0,38 = 38 %.
Photovoltaikanlagen wandeln Lichtenergie direkt in elektrische Energie um.
Erklärung: Richtig. In Solarzellen erzeugen Photonen durch den Photoeffekt freie Ladungsträger, die als elektrischer Strom nutzbar sind.
Ein Hersteller bewirbt einen Motor so: „Wirkungsgrad 100 % — die zugeführte elektrische Energie wird vollständig in Bewegungsenergie umgewandelt." Wie beurteilst du die Werbung?
Erklärung: Irreversible Prozesse (Reibung, Wärmeabgabe) entwerten immer einen Teil der Energie — das beschreibt der 2. Hauptsatz. Vernichtet wird dabei nichts, die Gesamtenergie bleibt erhalten.
Photon A hat λ = 400 nm, Photon B hat λ = 800 nm. Wie groß ist das Verhältnis E_A/E_B?
Erklärung: E = hc/λ. E_A/E_B = λ_B/λ_A = 800/400 = 2. Photon A hat die doppelte Energie.
Fossile Brennstoffe wie Kohle und Erdgas sind ___ Energiequellen, da sie sich nicht in menschlichen Zeiträumen erneuern.
Erklärung: Fossile Energieträger entstanden über Millionen Jahre und sind endlich. Im Gegensatz dazu gelten Sonne, Wind und Wasserkraft als erneuerbar.
Bei einer LED wird elektrische Energie direkt in Licht umgewandelt — die Photonen haben dabei eine bestimmte Farbe, die vom Halbleitermaterial abhängt.
Erklärung: Richtig. In der LED rekombinieren Elektronen und Löcher über die Bandlücke des Halbleiters. Die Bandlücke bestimmt die Wellenlänge (Farbe) des emittierten Lichts.