Basics, Kern und Elementarteilchenphysik |
Streuversuche werden in der Physik durchgeführt, um Wechselwirkungen zu verstehen. Um den Aufbau von Atomen zu untersuchen. Berühmt geworden ist der Rutherfordsche Streuversuch, mit dem gezeigt werden kann. Rutherford ballert Alphateilchen auf eine dünne Goldfolie. Die meisten gehen durch, aber einige werden abgelenkt – werden gestreut. Es entsteht eine Verteilung, aus der man schließen kann, dass die größte Masse des Atoms im Kern sein muss. Und dieser Kern muss positiv geladen sein. Der Rest ist in der leichten Hülle – die negativ geladenen Elektronen.
Link: https://de.wikipedia.org/wiki/Rutherford-Streuung
Diese Texte sind Starthilfen zum Lernen. Sie geben Ihnen einen Einblick, worum es bei dem Thema geht. Die Idee. Achtung: Es ist möglicherweise nicht unbedingt genau das, was Ihr:e Prüfer:in darüber hören möchte. Es ist auch nicht der ganze Stoff. Machen Sie sich nach dem Lesen des Textes ein eigenes Bild mit Ihren Büchern und den anderen Quellen. Ein freies Online-Schulbuch aus Österreich: https://physikbuch.schule, aus Deutschland: https://www.leifiphysik.de/. Weitere empfehlenswerte Schulbuchreihen der Oberstufe aus Österreich: Big Bang, Sexl, Physik kompakt.
Basics, Relativistische Physik |
Um eine Länge zu messen, wird sie mit der Einheitslänge verglichen. Im SI-Einheitensystem ist das der Meter. Längen können sich in der klassischen Physik nicht ändern. In der relativistischen Physik schon. Wer sich schnell bewegt, wird in Flugrichtung die Distanzen verkürzt zurücklegen.
Links: https://de.wikipedia.org/wiki/Entfernungsmessung und https://de.wikipedia.org/wiki/Lorentzkontraktion
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Basics, Relativistische Physik |
Es gibt drei Raumdimensionen (vorne/hinten – links/rechts – oben/unten) und eine Zeitdimension (voran). In den Raumdimensionen können wir uns frei bewegen, aber in der Zeit werden wir vorangetrieben. Wir gehen im Alltag davon aus, dass Raum und Zeit fix sind, sich also nicht verändern. In der Relativitätstheorie allerdings meint Einstein, da ist es so, dass sich Raum und Zeit verändert, je nachdem wie schnell man sich bewegt. Das war verhältnismäßig neu und ist sehr spannend, aber: man kann es vor allem messen, es deutet also alles darauf hin, dass es stimmt. Einstein fasst Raum und Zeit daher auch in den Begriff “Raumzeit” zusammen.
Link: https://de.wikipedia.org/wiki/Raumzeit
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Basics, Relativistische Physik |
Einstein hat zuerst die spezielle Relativitätstheorie entwickelt. Sie beschreibt, dass bei Reisen mit hoher Geschwindigkeit sich Zeit und Raum verändern. Hohe Geschwindigkeit heißt, erst ab Geschwindigkeiten, die mit der Lichtgeschwindigkeit vergleichbar sind. (Ab der halben Lichtgeschwindigkeit ist so einmal eine erste Idee.)
Die allgemeine Relativitätstheorie stellt nun fest, dass sich Raum und Zeit auch in der Anwesenheit von großen Massen verändern können. Sie beschreibt die Gravitation auf einem grundsätzlichern Level als das Newton’sche Gravitationsgesetz.
Link: https://de.wikipedia.org/wiki/Allgemeine_Relativitätstheorie
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Basics, Relativistische Physik |
Der Energieerhaltungssatz besagt, dass in einem abgeschlossenen System weder erzeugt noch vernichtet werden kann. Energie wird stets ineinander umgewandelt. Wenn was fehlt, dann ist es im allgemeinen durch Wärme verschwunden. Es gibt jetzt – seit Einstein – noch eine Geschichte: man kann auch Masse als Form von Energie sehen. Wir sagen: es ist nicht gleich, sondern die beiden sind “äquivalent”.
Wenn eine Atombombe explodiert, würden alle Einzelteile zusammen nicht ganz die Masse der Atombombe gehen. Sagen wir mal: 1 Gramm – das fehlt. Wo ist es hin? Es wurde in Energie umgewandelt. Mit Einsteins Formel E=mc^2. Durch den großen Wert der Lichtgeschwindigkeit kommt auch bei nur 1g Masse sehr sehr viel Energie heraus.
Link: https://de.wikipedia.org/wiki/Äquivalenz_von_Masse_und_Energie
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Basics, Relativistische Physik |
Die spezielle Relativitätstheorie geht davon aus, dass kein absolutes Bezugssystem im Universum existiert, auf das man alle Geschwindigkeiten beziehen könnte. Es gibt keinen absolut ruhenden “Äther”. Wenn man diesen Umstand ernst nimmt, muss man (musste Einstein) daraus schließen, dass die Lichtgeschwindigkeit in allen Bezugssystemen (Intertialsystemen) gleich groß ist. Und wenn das so ist, so folgerte er, ist bei einer Reise mit Geschwindigkeiten, die der Lichtgeschwindigkeit vergleichbar sind (ab ca. 50% der Lichtgeschwindigkeit), folgende Effekte spürbar:
- Die Zeit verlängert sich (Zeitdilatation)
- Die Längen verkürzen sich (Lorentz-Kontraktion)
- Die Massen nehmen zu (relativistische Massenzunahme)
Darüber hinaus gilt: Masse und Energie sind äquivalent – sie können ineinander umgewandelt werden, es gilt dabei: E=mc^2
Link: https://de.wikipedia.org/wiki/Spezielle_Relativitätstheorie
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Basics, Elektromagnetische Strahlung |
Ionisierende Strahlung – “Radioaktivität” ist schädlich, wenn sie unkontrolliert frei wird. Es gibt grundsätzlich folgende Möglichkeiten, sich vor ihr zu schützen.
- Vermeiden
- Weggehen (Abstand)
- Abwarten (Einige Halbwertszeiten)
- Abschirmen
Besonders Unfälle in Kernkraftwerken tragen zu erhöhter Radioaktvität auch in weiter entfernten Orten bei. Zu nennen sind hier die Katastrophen von Tschernobyl und Fukoshima. Würden alle Kosten miteingerechnet, die solche Unfälle verursachen, wäre Elektrizität aus Kernkraft viel teurer.
Strahlenschutz wird aber überall betrieben, wo auch kleine Mengen von ionisierender Strahlung benötigt wird, zum Beispiel in Krankenhäusern.
Links: https://de.wikipedia.org/wiki/Liste_von_Unfällen_in_kerntechnischen_Anlagen und https://www.bmk.gv.at/themen/klima_umwelt/strahlenschutz.html
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Basics, Elektromagnetische Strahlung |
LASER, RÖNTGEN, NUKLEARMEDIZIN, WÄRMELAMPEN, UV, DESINFEKTION
Es gibt zwei Arten von “Strahlung”. Beide Arten transportieren Energie. Die eine Art ist eine Teilchenstrahlung (Elementarteilchen wie Elektronen oder Neutronen fliegen durch die Gegend), die zweite Art von Strahlung sind elektromagnetische Wellen, also so etwas wie Licht – und hier gibt es viele unterschiedliche Frequenzen: Radiowellen, Röntgenstrahlung, Gammastrahlung. Im weitesten Sinne könnte man auch Schall zu diesem Kapitel dazunehmen, auch durch Schallwellen kann Energie übertragen werden.
Man kann diese Strahlung in der Medizin benützen, um etwas zu zerstören (Tumorzellen, Gallensteine) oder um zu schauen, wie viel dringt denn durch den Körper durch, und wie viel wird aufgenommen (absorbiert) – daraus kann man ein Bild anfertigen: Röntgen, Ultraschall.
Mit Licht selbst kann man Gewebe erwärmen (Infrarotlicht), hier wird also nichts zerstört, oder mit energiereichem UV-Licht kann man Oberflächen desinfizieren (hier werden Mikroorganismen zerstört).
Link: https://www.gesundheit.gv.at/leben/umwelt/radiokativitaet/medizin
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Basics, Elektromagnetische Strahlung |
Das einzige Problem der Strahlung ist die Energieübertragung. Strahlung überträgt Energie. Das kann gut sein – eine Katze, die sich in die Sonne legt, wird warm – oder zu viel sein: wir bekommen Sonnenbrand. Es geht noch eine Problemstufe mehr: nicht nur Sonnenbrand durch Verbrennungen, es kann auch die DNA (Erbinformation) in organischen Zellen geschädigt werden. Krebs kann entstehen. Sichtbares Licht ist noch kein großes Problem, aber der UV-Anteil ist so energiereich, dass man durch Vermeidung oder Sonnencreme sich ihm nicht zu sehr aussetzen will. Radioaktive Strahlung (ionisierende Strahlung) kann Elektronen aus der Elektronenhülle “kicken” und auf diese Art Schaden anrichten. Es gibt Langzeitschäden durch Veränderungen am Erbgut, oder kurzzeitige Schäden bei hohen Dosen durch Hitze.
Wann immer Strahlung nun notwendig ist – beim Röntgen zum Beispiel – wird man sie trotzdem so weit wie möglich reduzieren oder vermeiden.
Link: https://www.bfs.de/DE/themen/ion/wirkung/wirkung_node.html
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Basics, Elektromagnetische Strahlung |
(LED, LASER, RÖNTGENRÖHRE, MIKROWELLE, UV-LAMPEN, RADIOAKTIVITÄT)
Elektromagnetische Strahlung entsteht in Strahlungsquellen. Je nachdem, welche Frequenz die Strahlung hat, kommen dafür unterschiedliche Prozesse in Frage.
LED: Halbleiter mit bestimmten Atomarten ganz bestimmten (diskreten) Energiestufen der beteiligten Elektronen. Ebenso beim Laser, dort spricht man von der “induzierten Emission”. In der Röntgenröhre werden Elektronen beschleunigt und plötzlich wieder abgebremst. Mikrowellen kann man in einem Magnetron erzeugen. UV-Lampen: spezielle Glühlampen oder Quecksilberdampflampen. Herkömmliche Glühlampen erzeugen viele verschiedenen Frequenzen im sichtbaren Licht, die meisten Frequenzen aber im Infrarotbereich (Wärme) – ein kontinuierliches Spektrum. Bei “Energiesparlampen” werden meist nur wenige bestimmte Frequenzen (diskretes Spektrum) erzeugt. Eine Form von Radioaktivität sind Gammastrahlen. Die verschiedenen Strahlungen bzw. Frequenzen im elektromagnetischen Spektrum werden auch im Weltraum erzeugt und erlauben Aufschluss über Prozesse, die in Sternen, Galaxien und Molekülwolken ablaufen.
Link: https://de.wikipedia.org/wiki/Elektromagnetisches_Spektrum
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Basics, Elektromagnetische Strahlung |
(ABSORPTION, EMISSION, TRANSMISSION, PHOTOEFFEKT, IONISIERUNG, FLUORESZENZ)
Elektromagnetische Strahlung kann mit Materie in Wechselwirkung treten. Es wird dabei Energie übertragen. Einerseits kann Materie die Energie der Strahlung aufnehmen (Absorption), andererseits kann Materie Energie durch elektromagnetische Strahlung abgeben (Emission). Wenn sie durch Materie durchtritt kann ein Teil von ihr aufgenommen werden (Transmission) – wir sehen das etwa bei Fenstern, die nie vollständig durchlässig sind, sondern für jede Frequenz (Farbe) des Lichtes eine bestimmte Transmissionsrate haben. Das Flugzeug am Bild hat deswegen etwas eigenartige Farben, weil das Flughafenfenster nicht alle Farben gleichermaßen durchlässt. Elektromagnetische kann ab einer bestimmten Frequenz auch Atome ionisieren (ihre Elektronen aus der Hülle schleudern). Zu guter Letzt sprechen wir von Fluoreszenz, wenn Materie Strahlung spontan wieder abgibt, nachdem es sie zuvor aufgenommen hat.
Link: https://de.wikipedia.org/wiki/Fluoreszenz
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Basics, Elektromagnetische Strahlung |
Licht wird in der Hülle von Atomen erzeugt. Je nach dem, welche Energiestufen das Elektron überspringt, wird ein Lichtstrahl mit einer bestimmten Frequenz (Farbe) ausgesendet (emittiert). Das kann man auch umgekehrt sehen: je nachdem welche Frequenz (Farbe) ein bestimmtes Atom in seiner Hülle aufnimmt (absorbiert), lässt Rückschlüsse auf die Energiestufe und damit auf die Atomart selbst zu.
Das hat zwei Konsequenzen: analysiert man die Zusammensetzung, das Lichtspektrum einer Energiequelle, kann man Rückschlüsse auf die Atomarten ziehen, die es hervorbringen. Und analysiert man von einem bekannten, vollständigen “Regenbogenspektrum”, was fehlt, wenn es durch Materie tritt, lässt das wiederum durch die Analyse von dem, was fehlt, auf die Atomart zu. Stichwort: “Die fehlenden Farben der Sonne” – Link: Fraunhofer-Linien.
Link: https://de.wikipedia.org/wiki/Spektroskopie
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Basics, Elektromagnetische Strahlung |
Woher kommt das Licht? Es kommt aus Atomen. Wo genau – oder durch welchen Mechanismus? Entsteht es im Atomkern? Oder entsteht es in der Hülle?
Licht entsteht durch Elektronen in der Hülle des Atoms. Normalerweise befinden sie sich im energetischen Grundzustand. Erhalten sie – aus welchen Gründen auch immer – Energie, springen sie in einen angeregten Zustand. Dort bleiben sie aber nicht, sondern sie fallen in den Grundzustand zurück und geben dabei die Energie in Form eines Lichtquants ab. Dieses Lichtquant hat eine bestimmte Farbe – jene, die genau zu dieser Energiedifferenz der beiden Zustände entspricht.
So verschwindet auch Licht – es kann durch Elektronen absorbiert werden, die in einen angeregten Zustand kommen.
Link: https://de.wikipedia.org/wiki/Photon
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Basics, Optische Phänomene |
Farben dünner Schichten sind schillernde Farben. Sie entstehen bei dünnen Schichten, etwa bei Seifenblasen, Ölfilmen und Beschichtungen von Brillen. Das Wesentliche ist die Interferenz. Aus dem Gemisch an Regenfarben, die das weiße Licht bilden, werden bestimmte Farben herausgelöscht. Und zwar jene, die zur Schichtdicke passen. Da sich diese meist verändert, oder an unterschiedlichen Stellen unterschiedlich ist, sind es wechselnde Farben, die sich herauslöschen. Weißes Licht ohne die gelöschte Farbe ist bunt, und da sich diese gelöschte Farbe ändert, ändert sich auch die Buntheit – es schillert.
Interferenz bedeutet: zwei Wellen der gleichen Frequenz treffen aufeinander, sind aber unter Umständen etwas verschoben. Die erste Welle wird an der Oberseite der Schicht reflektiert, die zweite Welle wird an der Unterseite der Schicht reflektiert. Da die zweite Welle einen etwas weiteren Weg zurück gelegt hat, verschieben sich ihre Wellenberge und Wellentäler gegenüber jener der ersten Welle. Zusammen kann das zur “destruktiven Interferenz” führen, wenn Wellenberg auf Wellental trifft – die beiden Wellen löschen sich aus.
Solche Interferenzfarben können auch bei Schmetterlings- oder Insektenflügeln entstehen, da diese recht regelmäßige Stufen haben, die eine Lichtwelle wird an der einen Stufe reflektiert, die andere Lichtwelle an der nächsten Stufe. Und wenn die Stufenhöhe in der Größenordnung der Lichtwellenlänge ist, dann kann Interferenz stattfinden.
Link: https://de.wikipedia.org/wiki/Dünne_Schichten
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Basics, Optische Phänomene |
Ein Lichtstrahl breitet sich geradlinig aus. Er kann nicht um die Kurve gehen – man sieht also nicht bei einer Tür raus um die Ecke. Bei einer Schallwelle geht das aber schon – man hört auch Dinge außerhalb der Tür, die nicht sichtbar sind, die um die Ecke sind. Dieses Phänomen wird “Beugung” genannt. Die Welle wird dann gebeugt, wenn das Loch in der Größenordnung der Wellenlänge ist. Demzufolge kann auch Licht “um die Ecke”, wenn es durch ein sehr kleines Loch tritt, dann wird auch Licht gebeugt.
Link: https://de.wikipedia.org/wiki/Beugung_(Physik)
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