Aufgabe 2 · Abitur NRW Physik GK · Fullerene GN 2025

Material 1: Experiment von 1999

Informationen zum Versuchsaufbau von 1999 mit $\text{C}_{60}$-Molekülen:

Der Ausgangsstoff Graphit zur Erzeugung der Fullerene liegt bei Raumtemperatur als Feststoff vor. Vereinfacht betrachtet wird diesem Feststoff im Ofen Energie zugeführt, wodurch Atome aus dem Atomgitter herausgelöst werden, die sich in Folgeprozessen zu $\text{C}_{60}$-Molekülen verbinden. Die $\text{C}_{60}$-Moleküle besitzen eine breite Geschwindigkeitsverteilung. Die mittlere Geschwindigkeit der $\text{C}_{60}$-Moleküle steigt mit zunehmender Ofentemperatur. Durch die Öffnung an der Stirnseite des Ofens treten $\text{C}_{60}$-Moleküle aus. Mithilfe der Blende entsteht ein Strahl, dessen Intensität ebenfalls mit zunehmender Ofentemperatur steigt. Ein Gitter besteht aus vielen nebeneinander angeordneten Einzelspalten. Das Gitter kann hier wie ein Doppelspalt behandelt werden. Die Maxima und Minima liegen an denselben Stellen. Durch die Verschiebung des Detektors ist eine ortsaufgelöste Messung der $\text{C}_{60}$-Moleküle hinter dem Gitter möglich.

Versuchsdaten von 1999:

♦ Masse eines $\text{C}_{60}$-Moleküls: $m = 1{,}20 \cdot 10^{-24}\text{ kg}$

♦ Durchmesser eines $\text{C}_{60}$-Moleküls: $D = 0{,}7\text{ nm}$

♦ Ofentemperatur: $\vartheta = 627\text{ }^\circ\text{C}$

♦ mittlere Geschwindigkeit der $\text{C}_{60}$-Moleküle: $v = 220\text{ }\frac{\text{m}}{\text{s}}$

♦ mittlerer Zeitabstand zweier hintereinander aus dem Ofen austretender $\text{C}_{60}$-Moleküle: $\Delta t = 45\text{ ms}$

♦ Spaltmittenabstand benachbarter Spalte des Doppelspalts (vereinfacht statt eines Gitters): $g = 100\text{ nm}$

♦ Abstand Gitter–Detektor: $a = 1{,}25\text{ m}$

Material 2: Interferenzbilder der Experimente von 1999 und 2003

Beide Diagramme geben jeweils die Anzahl der Zählerereignisse des Detektors an einer bestimmten Position während einer festgelegten Zeit an. Die Position des Detektors variiert parallel zur Gitterebene wie in M 1, Abb. 1 dargestellt.

Aufgabe 2

Es befindet sich jeweils nur ein einzelnes Molekül zu jedem Zeitpunkt in der Messapparatur.

a)

Begründen Sie rechnerisch, dass der mittlere Abstand zweier aufeinanderfolgender Moleküle theoretisch ca. 10 Meter beträgt (M 1).

b)

In der Apparatur trifft jeweils nur ein Molekül zur gleichen Zeit auf das Gitter. Erläutern Sie einen grundlegenden Aspekt der Quantentheorie, der hiermit experimentell bestätigt wurde.