Skript

Fragen zur
Vorlesung Licht und Materie
WiSe 2015/16
Mögliche Prüfungsfragen, mit denen man das
Verständnis des Vorlesungsstoffes abfragen
könnte
Vorlesung 2: Röntgenbeugung, Regenbogen
Themenkomplex „Röntgenbeugung“:
- Wie lautet die Herleitung zur Bragg-Bedingung?
- Leiten Sie die Bragg-Bedingung her.
- Erklären Sie die Bragg-Bedingung anhand einer Skizze.
- Wie lautet die Bragg-Bedingung bzw. wozu wird sie genutzt?
- Was besagt die Bragg-Bedingung?
- Welche Bedingung, bei fester Wellenlänge  und Atomlagenabstand d, muss erfüllt sein, dass
bei einem Röntgenbild ein Bragg-Reflex entsteht?
- Skizzieren Sie eine Skizze für den „Bragg-Reflex“ für die Röntgenbeugung an einem Kristall.
Die Formel lautet 2d sin = m, m  N. Zeichnen Sie die Variablen in die Skizze und
beantworten Sie die Frage, ob der Reflex konstruktiv oder destruktiv interferiert anhand der
Skizze.
- Welche Informationen erhält man aus der Bragg-Bedingung bzgl. eines Festkörpers?
- Wie kann die Gitterkonstante in einem Kristall bestimmt werden?
- Wie kann der Atomabstand in Kristallen bestimmt werden?
- Welche Information über das Atomgitter einer einkristallinen Probe lässt sich nur mit
monochromatischer Röntgenstrahlung gewinnen und warum?
- Welche Erkenntnisse erbrachte das erste Experiment der Röntgenbeugung über die verwendete
Materie und das verwendete Licht?
- [Worin liegt] Die Bedeutung von Laues Nobelpreis?
- Wieso wurde das Röntgenexperiment von Laue als so wichtig angesehen, so dass er mit dem
Nobelpreis ausgezeichnet wurde?
- Warum war das erste Röntgenbild des Kristalls so entscheidend für die Vorlesung „Licht und
Materie“?
- Weshalb erhält man prinzipiell unterschiedliche Bilder, wenn man einen Kristall und
beispielsweise eine menschliche Hand mit Röntgenstrahlung durchleuchtet?
Themenkomplex „Regenbogen“:
- Erklären Sie das Zustandekommen eines Regenbogens.
- Welche Bedingungen sind nötig, damit ein Regenbogen (wie wir ihn kennen) entsteht?
- Wie entsteht ein Regenbogen?
- Warum ist beim Regenbogen beim austretenden Licht rot unten, jedoch beim Regenbogen rot
oben?
- Warum ist der Regenbogen ein Bogen?
- Warum ist der Regenbogen gebogen?
- Warum ist der Regenbogen gekrümmt?
- Warum ist der Ort des Regenbogens fest? Es gibt ja viele Regentropfen, durch die der Effekt
des Regenbogens erzeugt wird. Auch wenn sich der Betrachter bewegt, bleibt der Regenbogen an
seinem festen Ort.
- Leiten Sie den Austrittswinkel A in Abhängigkeit von 1 her.
- Wieso existieren manchmal zwei Regenbögen?
- Wie viele Regenbögen kann man sehen?
- Wie kommt man auf die Form eines Wassertropfens in Wolken?
- Warum hat der Tropfen eine Kugelform und beeinflusst es die Form vom Regenbogen?
Themenkomplex „Licht allgemein“:
- Welche Merkmale besitzt eine elektromagnetische Welle (Lichtwelle)?
Themenkomplex „Licht und Materie allgemein“:
- Nennen und erläutern Sie ein Alltagsbeispiel, anhand dessen Sie Rückschlüsse und
Informationen über Licht und Materie ziehen/erfahren können.
- Wie lässt sich durch Lichtphänomene ein Rückschluss auf den Aufbau/die Struktur eines
Materials schließen?
- Welche Wechselwirkungen von Licht und Materie gibt es und wie unterscheiden sich diese?
Fortgeschritten:
- Welche Form hat ein Regentropfen und welche Kräfte wirken?
- Wie lässt sich monochromatische Röntgenstrahlung erzeugen?
Legendär:
- Gibt es Einhörner auf dem Regenbogen?
Vorlesung 3: Regenbogen, Farbensehen, elektromagnetisches Spektrum
Themenkomplex „Licht-Materie-Wechselwirkungen“:
- Welche 4 Licht-Materie-Prozesse gibt es?
- Was ist der Unterschied zwischen Streuung und Reflexion?
- Warum ist der Himmel blau und das Gras grün? Handelt es sich bei beiden Fällen um dieselben
Licht-Materie-Prozesse?
Themenkomplex „Regenbogen“:
- Zeichnen Sie den Zusammenhang zwischen A und 1 auf und erklären Sie, welche Eigenschaft
entscheidend ist für die Sichtbarkeit eines Regenbogens.
- Welche Bedeutung hat das Minimum bei A(1) für die Entstehung eines Regenbogens?
- Wieso kann man die Farben im Regenbogen sehr gut unterscheiden?
- Nenne den Unterschied von Hauptregenbogen zu Nebenregenbogen.
- Wieso ist beim ersten Regenbogen rot „außen“ und beim zweiten „innen“?
- Wo und warum dort sieht man den 1. (2., 3.) Regenbogen?
- Welche Farbe liegt beim 3. Regenbogen innen?
- Gibt es einen dritten Regenbogen? Was ist daran anders als beim ersten und zweiten?
- Wo muss man stehen, um einen dritten Regenbogen zu sehen?
- Was ist „Alexanders dunkles Band“ und wie kann es erklärt werden?
Themenkomplex „Farben(sehen)“:
- Beschreiben Sie das spektrale Sehen des menschlichen Sehsinns.
- Welchen Spektralbereich hat für den Menschen sichtbares Licht?
- Warum erscheint weißes Licht weiß?
- Strahlt man von einem RGB-Strahler weißes Licht auf ein Prisma – entsteht ein komplettes
Spektrum an monochromatischem Licht?
- Haben wir, wenn wir Rot-Grün-Blau mischen dasselbe Licht wie wir hätten, wenn man das
monochromatische Licht (z.B. des Prismas) mischt? Oder sieht nur gleich aus, da wir nur für die
drei Farben sensibel sind?
- Wie können künstliche Lichtquellen mit nur 3 Farben den Eindruck einen kontinuierliches
Spektrums erzeugen?
- Wie kann ein Beamer „schwarze Farbe“ erstellen?
Themenkomplex „Elektromagnetisches Spektrum“:
- Welche Anwendung gibt es für die verschiedenen Spektralbereiche? (Geben Sie Beispiele.)
- Benenne drei Spektren-Abschnitte und mögliche Anwendungen dieser.
- Was ist die Verbesserung bei Blu-Rays? Noch kleinere Wellenlänge als DVD? Welche
Wellenlängen?
- Was ist der Unterschied zwischen sichtbarem Licht und Radiowellen?
- In welchem Spektralbereich wird der Funkverkehr betrieben und würde er in einem anderen
Frequenzbereich auf die gleiche Art und Weise funktionieren?
Fortgeschritten:
- Wieso flimmert der Regenbogen nicht, obwohl die Regentropfen ständig durch Wind etc.
deformiert werden?
- Wie kann man mit einem Mikrowellenherd und einem Schokoriegel die Lichtgeschwindigkeit
messen?
- Was ist der Unterschied zwischen Rayleigh- und Mie-Streuung?
- Warum liegt unser sichtbares Spektrum zwischen 400nm-800nm?
- Erklären Sie, wie es zu einem grünen Blitz bei Sonnenuntergang kommt.
- Wie kann man erforschen, welche Wellenlängen die unterschiedlichen Zapfen detektieren
können?
- Die Zuordnung einer Farbe wird ursprünglich über das Sehen getroffen. In der Physik haben wir
die Möglichkeit, verschiedene Farben über eine unterschiedliche Wellenlänge von Licht zu
treffen. Ist es sinnvoll, einzelnen Photonen eine Farbe zuzuordnen? Gibt es also beispielsweise
ein blaues Photon? Lässt sich die Farbe selbst beobachten oder sind dazu mehrere Photonen
notwendig? Beziehungsweise muss das Licht selbst als Wellen betrachtet werden?
- Können Augen auch bei einer Lichtwelle von 580nm (Gelb-Grün Farbe) rot empfangen?
Vorlesung 4: Elektromagnetisches Spektrum, optische Eigenschaften von Wasser,
Mikrowellenherd
Themenkomplex „Elektromagnetisches Spektrum“:
- Durch welche Faktoren ist der Bereich des sichtbaren Lichts bedingt?
- Geben Sie die Umrechnung von Licht in verschiedenen Größen an.
- Warum ist es sinnvoll, die Energien einzelner Prozesse in einem System zu vergleichen?
- In welchem Frequenzbereich senden Mikrowellen?
- Wie hängt die Länge einer Antenne mit der Frequenz der Signale zusammen, die diese
empfangen kann?
Themenkomplex „Optische Eigenschaften von Wasser“:
- Was bedeutet es, wenn eine Welle eine Eindringtiefe von z.B. 1 cm hat?
- Warum ändert sich der Brechungsindex und der Absorptionskoeffizient von Wasser in
Abhängigkeit von der Frequenz des Lichts?
- Woher kommen die Peaks zwischen 1013 und 1016 Hz?
- Was ist am Absorptionsspektrum von Wasser besonders; wie kann dies der Mensch (Auge)
nutzen?
- Warum hat Wasser im Absorptions-Frequenz-Graph genau bei sichtbarem Licht ein Minimum?
- Mit welcher Wellenlänge (spektraler Bereich) kann man Wasser am schnellsten erwärmen?
Warum ist dies so?
- Wieso kann man unter Wasser schlecht Infrarotaufnahmen machen?
- Wieso gestaltet sich die Kommunikationstechnik mit Radar unter Wasser als schwierig?
- Warum kann man unter Wasser nicht funken?
Themenkomplex „Mikrowellenherd“:
- Was ist das Prinzip des Mikrowellenherds?
- Nenne Gründe für die Verwendung der charakteristischen Frequenz eines Mikrowellenherdes.
- Nennen Sie mindestens drei Kriterien für die Wahl der optimalen Frequenz bei einem
Mikrowellenherd.
- Warum liegt die Frequenz in Mikrowellen bei 2,45 GHz?
- Warum muss die Wellenlänge einer Mikrowelle kleiner als die Innenabmessung des Herdes
sein?
- Warum ist der Mikrowellenherd in einem Metallgehäuse?
- Warum wird beim Mikrowellenherd die Pizza und nicht der Teller warm?
- Warum wird der Teller in einer Mikrowelle warm/heiß?
- Wenn ich aus meinem WLAN Router einen Mikrowellenherd bauen möchte, welche
Auswirkungen hat das auf mein aufzuwärmendes Essen und warum?
Fortgeschritten:
- Warum ist Licht mit hoher Frequenz in Wasser schneller als Licht mit kleiner Frequenz?
Kreativ bzw. etwas weiter weg vom Vorlesungsstoff:
- Wie können sich Meerjungfrauen im Dunkeln unter Wasser schick machen? Erklären sie dies
anhand des Lambertschen Gesetzes!
- Warum geht eine CD in einem Mikrowellenherd kaputt?
- Warum darf man keinen nassen Hamster in der Mikrowellen trocknen?
- Warum sind Mikrowellen nicht für Menschen gefährlich? Erhitzung des Wassers im Körper?
Vorlesung 5: Mikrowellenherd, schwarzer Strahler, Treibhauseffekt
Themenkomplex „Mikrowellenherd“:
Themenkomplex „Schwarzer Strahler“:
- Nennen Sie einen schwarzen Strahler, was zeichnet diesen aus?
- Nennen Sie die drei Gesetze, die essentiell sind für die Betrachtung schwarzer Strahler, und
erklären Sie grob deren Inhalt.
Themenkomplex „Treibhauseffekt“:
- Wie funktioniert der Treibhauseffekt?
- Beschreiben Sie ein einfaches Modell für den Treibhauseffekt.
- Erklären Sie mit Hilfe des Modells des schwarzen Strahlers den Treibhauseffekt.
- Was ist Albedo?
- Was ist hauptverantwortlich für die Wärme auf der Erde?
Fortgeschritten:
- Welche Gesamtstrahlungsdichte besitzt die Sonne?
- Wieso sind manche Sonnen blau?
- Könnte eine LED als schwarzer Strahler aufgefasst werden?
- Könnte man zusätzlich zu Treibhausgasen andere Gase in die Atmosphäre steigen lassen, die
einen Teil der Sonnenstrahlung zusätzlich blockieren, um den Treibhauseffekt auszugleichen?
- Wieso sind die Temperaturschwankungen zwischen Tag und Nacht auf dem Mars stärker als
auf der Erde?
Kreativ bzw. etwas weiter weg vom Vorlesungsstoff:
- Warum ist die Temperaturerhöhung an den Polen größer als am Äquator?
Vorlesung 6: Treibhauseffekt, Ozonschicht, Sonne
Themenkomplex „Treibhauseffekt“:
- Beschreiben Sie den anthropogenen Einfluss auf den Treibhauseffekt.
- Nennen Sie die fünf wichtigsten Treibhausgase.
- Welches ist das Gas, welches am meisten Einfluss auf den Treibhauseffekt hat?
- Was gibt es für Treibhausgase? Warum ist Wasser am stärksten/wichtigsten?
- Nennen Sie drei Treibhausgase. Welches hat den größten Anteil am Treibhauseffekt? Welches
hat den größten Anteil am anthropogenen Treibhauseffekt? Begründen Sie, falls Ihnen danach ist.
- Wie beeinflussen Treibhausgase die Größe des Wasserfensters und warum?
- In welchem Wellenlängenbereich liegt das Maximum der abstrahlten Leistung der Erde, wenn
diese als schwarzer Strahler angenommen wird?
Themenkomplex „Ozonschicht“:
- Warum gibt es eine Ozonschicht?
- Was für Prozesse verursacht FCKW in der Ozonschicht und warum ist es so gefährlich?
- Warum wirkt sich FCKW darauf aus, wie viel UV-Strahlung auf der Erde ankommt?
- Welche Rolle spielen FCKW im Zusammenhang mit dem Ozonloch?
- Warum bildet sich nur eine sehr dünne Ozonschicht aus?
- Wie hat man es in den letzten Jahren geschafft, das Ozonloch zu verringern?
Themenkomplex „Sonne“:
- Nennen Sie die verschiedenen Sphären der Sonne.
- Wo wird das Licht der Sonne abgestrahlt, das auf der Erde ankommt?
- Welcher Prozess läuft im Zentrum der Sonne ab?
- Woher kommt die Energie der Sonne? Ließe sich eine „Minisonne“ auf der Erde nachbauen, um
Energie zu gewinnen?
- Warum ist eine Sonnenfinsternis so interessant, wenn man die Sonne beobachten möchte?
- Wie kann man die atomare Zusammensetzung der Sonne bestimmen?
- Wie entstehen Absorptionskanten?
- Was ist thermische Strahlung? Ist sichtbares Licht auch thermische Strahlung?
Fortgeschritten:
- Warum ist Wasser in der Atmosphäre gasförmig, obwohl die Temperatur so niedrig ist?
- Warum findet im Inneren der Sonne Kernfusion statt, obwohl die Temperaturen dort eigentlich
zu gering sind? (Tunneleffekt)
- Warum bleibt das Ozon in der Schicht und steigt nicht weiter nach oben?
Weiter weg vom Vorlesungsstoff:
- Warum enthält die Luft in Bodennähe einen geringen Anteil Ozon?
- Was sind die wichtigsten Faktoren, um Kernfusion technisch realisieren zu können?
- Warum benötigt der Prozess der Kernfusion so hohe Temperaturen?
- Warum hat die Korona eine um 3 Größenordnungen höhere Temperatur als die Oberfläche der
Sonne?
- Warum ist die Temperaturerhöhung an den Polen größer als am Äquator?
Vorlesung 7: Sonne, Fraunhoferlinien, Quantenphysik
Themenkomplex „Spektrum der Sonne etc., Fraunhoferlinien“:
- Warum sieht man im Spektrum Fraunhoferlinien?
- Woher kommen die Fraunhoferlinien?
- Wie lassen sich die einzelnen Spektren der jeweiligen Sphären der Sonne beobachten? Woher
kommen die Unterschiede?
- Was bewirken die freien Elektronen der Korona in Bezug auf das Spektrum?
- Wieso sieht man bei Sonnenfinsternis Emissionslinien?
- Was versteht man unter rot- oder blauverstimmtem Licht?
- Was bedeutet die Stärke der Schärfe der Spektrallinien?
- Nennen Sie zwei Anwendungen für die Spektrallinien.
- Nennen Sie Beispiele für die Anwendung der Spektroskopie.
- Wie konnte aus experimentellen Messungen auf den Urknall zurückgeschlossen werden?
Themenkomplex „Wasserstoffatom, Balmerserie/-Sprung“:
- Worin unterscheiden sich die Lyman/Balmer/Paschen/…-Serien hinsichtlich der Übergänge im
Wasserstoff?
- Nennen Sie NICHT die Namen der einzelnen Serien der Energieniveaus von
Wasserstoffatomen, sondern den Grund für unterschiedliche Serien. (Antwort: unterschiedliche
Temperatur bedingt unterschiedliche Start—Anregungsniveaus bei den Atomen)
- Grundlagen zur Balmerserie: Warum kann ein Elektron im Atom nur diskrete Energieniveaus
besetzen?
- Warum ist die Balmer-Serie besonders wichtig?
- Warum ist die Balmer-Serie die „wichtigste“ Spektrallinienfolge?
- Erklären Sie den Balmer-Sprung.
- Erklären Sie weshalb es zum Balmer-Sprung kommt und welche wichtige Information man
daraus gewinnen kann.
- Da beim Balmer-Sprung ein kontinuierliches Spektrum entsteht, kann es dann auch für die
anderen Serien im sichtbaren Bereich diesen Sprung (Fall) geben? Wenn Ja warum? Wenn Nein
warum?
- Warum ist die Balmer-Serie zur Beobachtung der Sonne sinnvoller als die Lyman-Serie?
- Welche Energie besitzt das Wasserstoffatom im Grundzustand n=1?
Themenkomplex „Quantenphysik“:
- Was ist das Korrespondenzprinzip?
Fortgeschritten:
- Wie werden die Spektrallinien praktisch gemessen?
- Ist es lohnenswert, einen Satellit ins All zu schicken, der die Sonne „zudeckt“, um so für
Weltraumteleskope eine „künstliche“ Sonnenfinsternis zu erzeugen?
- Gibt es in der Sonne eine Licht-Proton-Wechselwirkung der ionisierten Wasserstoffatome?
Vorlesung 8: Licht quantenphysikalisch, Photoeffekt, Compton-Effekt
Themenkomplex „Photoeffekt“:
- Erklären Sie den Photoeffekt.
- Wie erkennt man im Schaubild des Photoeffekts, dass das Licht quantisiert ist?
- Warum kann man mit dem Photoeffekt auf die Quantisierung des Lichts schließen?
- Warum hängt der Photoeffekt nicht von der Intensität des Lichtes ab?
- Wieso war der Photoeffekt so wichtig für die Physik?
- Anwendung des Photoeffekts?
- Nennen Sie Anwendungen für den Photoeffekt?
- Nennen Sie eine Anwendung (praktischer Natur) des Photo-Effekts.
- Wie funktioniert ein Photomultiplier?
Themenkomplex „Quantenphysik“:
- Woher weiß man, dass Licht quantisiert ist?
- Woran lässt sich erkennen, dass Licht quantisiert sein muss?
Themenkomplex „Photoemissionsspektroskopie“:
- Wie lässt sich die Bandlücke anhand der Photoemissionsspektroskopie nachweisen?
- Wie kann die Bandstruktur eines Metalls experimentell bestimmt werden? (Verschiedene
Photoelektronenspektroskopien/“ARPES“)
- Für was steht ARPES? Wie funktioniert das?
Fortgeschritten:
- Nennen Sie eine Methode, um einzelne Photonen zu erzeugen und eine Methode, um diese
nachzuweisen.
- Kann der äußere Photoeffekt genutzt werden, um eine Solarzelle zu bauen, indem die
freigesetzten Elektronen dafür genutzt werden?
- Wie hat man damals ohne monochromatische Lichtquelle A. Einsteins Aussage (Licht ist
quantisiert mit Photonenenergie ħ) kontrolliert. Bzw. wie hat man die Abhängigkeit von der
Wellenlänge  ob e- aus dem Metall ausgelöst werden oder nicht überprüft? Laser gab es ja erst
Jahrzehnte später.
- Warum musste Max Planck die Konstante ħ einführen?
- Fotoeffekt: Was passiert, wenn man anstatt einer Gegenspannung eine Saugspannung anlegt?
Vorlesung 9: Zwei-Niveau-Systeme, Laser
Themenkomplex „Zwei-Niveau-Systeme“:
- Was passiert mit einem Photon, das ein System anregt, aber mehr Energie hat, als die Anregung
benötigt?
- Erklären Sie die Ratengleichungen des 2-Niveau-Systems für Absorption, spontane und
stimulierte Emission.
- Erklären Sie die Prozesse Absorption, spontane/stimulierte Emission.
Themenkomplex „Laser“:
- Für was steht LASER und wie funktioniert er?
- Für was steht die Abkürzung LASER? Welcher Teil davon beschreibt die wichtigste
Eigenschaft eines Lasers?
- Findet in einem Laser auch spontane Emission statt? (außer am Anfang)
- Warum ist die spontane Emission so wichtig für die Erzeugung eines Laser-Strahls?
- Was muss für die Anzahl der Systeme im Grundzustand N1) und die Anzahl der angeregten
Zustände (N2) gelten, damit der Laser verstärkt wird?
- Was fällt Ihnen zu Besetzungsinversion und Laser ein?
- Wie kann eine für den Laser notwendige Besetzungsinversion hergestellt werden?
- Ist ein Laser mit einem 2-Niveau-System möglich?
- Ist ein Laser mit einem 2-Niveau-System überhaupt möglich?
- Warum funktioniert ein Zwei-Niveau-Laser nicht?
- Warum funktioniert ein Zwei-Niveau-Lasersystem nicht?
- Wieso kann es keinen Zwei-Niveau-Laser geben?
- Warum gibt es keine 2-Niveau-Laser?
- Warum benötigt man in der Realität mehr als 2 Niveaus bei dauerhafter Betreibung eines Laser?
- Was ist eine Resonatormode?
- Welche Komponenten besitzen alle Laser?
- Wieso nutzt man Laser, obwohl man eine kürzere Wellenlänge reinsteckt als man
rausbekommt?
- Wie erzeugt man das Licht, das zum Pumpen im Lasermedium benötigt wird, um Laser-Licht
zu erzeugen?
- Warum ist Laserlicht in eine Richtung gebündelt?
- Kann man aus einer thermischen Lichtquelle Laserlicht gewinnen, indem man bestimmte
Lichtwellen herausfiltert?
Fortgeschritten:
- Was unterscheidet das ausgesendete Licht einer Laserdiode von dem einer LED?
- Was unterscheidet einen Laser von einer LED?

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