Ein Elementarteilchenbschleuniger bringt kleine Teilchen auf hohe Geschwindigkeiten, bevor sie aufeinander stoßen. Es entstehen neue Teilchen und Hinweise auf Kräfte.
LHC ist eine Abkürzung natürlich, und zwar für “Large Hadron Collider”. Large – groß. Riesig sogar. Collider: es geht um Kollisionen, und Hadron, das ist eine Art von Elementarteilchen, Protonen sind gemeint. Die werden im LHC aufeinander geschossen, so, dass sie kollidieren. Zusammenstoßen. Dabei entstehen Trümmer, neue Teilchen, und an der Häufigkeit dieser Ereignisse kann man auf Kräfte und Zutaten der Materie schließen. Die ganze Anlage heißt LHC, sie befindet sich im CERN, im Zentrum für Elementarteilchenforschung in der Schweiz. Es wird im LHC nach einem ganz bestimmten Teilchen gesucht, dem sogenannten Higgs-Boson. Wenn es existiert, kann man gut erklären, wie alle anderen Teilchen dieses Universums zu ihrer Masse kommen. Und wie es aussieht, hat man dieses Higgs-Boson tatsächlich gefunden.
Link: Zum Weiterlesen über LHC und die Suche nach dem Higgs-Boson empfiehlt sich dieser Artikel von Leo Ludick (PDF)
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.
Strahlung aus dem Weltraum erzählt uns etwas, was im Weltraum passiert. Es gibt Sterne. Sie leuchten. Die Lichtstrahlen erzählen uns über den Stern. Es gibt Teilchenstrahlen – zum Beispiele Elektronen und Protonen von der Sonne – sie erzählt uns, was auf der Sonne gerade passiert.
Und es gibt die kosmische Hintergrundstrahlung. Ein ganz bestimmtes Rauschen. Es erzählt uns vom Anfang des Universums. vom Urknall.
Der Cobe-Satellit kann diese Strahlung feststellen. Er wurde genau dafür gebaut. Cobe bedeutet: “Cosmic Background Explorer”.
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Wer zur Sonne schaut, sieht helles Licht. Es sieht “weiß” aus, und wenn dieses Licht zerlegt wird, sehen wir alle Regenbogenfarben. Licht kann in einem Wassertropfen zerlegt werden, oder in einem Glasprisma. Isaac Newton hat das gemacht.
Wer sich die Regenbogenfarben genau ansieht, sieht eine ganze Bandbreite verschiedener Farben, die ineinander übergeben. Von Blau bis Rot, dazwischen Gelb und Grün. Wer ganz genau hinsieht, bemerkt, dass in verschiedenen Bereichen schwarze Linien sind. Da fehlt eine ganz bestimmte Farbe. Wer hat sie entfernt? Sie müsste ja da gewesen sein?
Es sind ganz bestimmte Atome, deren Elektronen in der Hülle ganz bestimmte Energien verschlucken können, wenn sie diese bekommen. Licht ist nun Energie, und eine bestimmte Farbe von Licht ist eine ganz bestimmte Energie. Somit kann man feststellen, wenn eine ganz bestimmte Farbe fehlt, dann wird ein ganz bestimmtes Atom dafür verantwortlich sein.
Wasserstoff zum Beispiel. Und davon gibt es auf der Sonne ja mehr als genug.
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Albert Einstein hat für die Erklärung dieses Experiments den Nobelpreis erhalten. Den gibt es nämlich nur für konkrete Sachen, Experimente, nicht für Theorien. Einstein erklärte die Ergebnisse eines Experimentes so: “Licht besteht aus Teilchen”.
Konkret wird beim Experiment mit dem Photoeffekt eine Zinkplatte elektrisch aufgeladen, indem Elektronen darauf gepackt werden. Sie wird sich über den Tag hinweg langsam wieder entladen, weil Elektronen durch die Luft entkommen können. Aber man kann diesen Effekt beschleunigen, indem man Licht darauf strahlt. Interessanterweise nicht rotes Licht, sondern bei blauem Licht. Man weiß, dass blaues Licht höherfrequent ist, dass es mehr Energie hat. Die bisherige Theorie – Licht ist eine Welle – würde vorhersagen lassen, dass man rotes Licht einfach nur länger hinstrahlen müsste, bis die Energie zusammenkommt, die Elektronen brauchen, um zu entkommen, aber genau das passierte nicht.
Ein Vergleich zeigt, was passiert: Sie stehen unter einem Regenschirm und es hagelt. Kleine Hagelkörner (rotes Licht, rote Lichtteilchen) haben zu wenig Energie, um Löcher in den Schirm zu stoßen, da kann es noch so lange hageln, summiert sich das nicht auf. Aber bei einer bestimmten Hagelkerngröße (blaues Licht, energiereiche Lichtteilchen) reißen Löcher. Hagelt es mehr, gibt es mehrLöcher. Intensiveres blaues Licht lässt die Platte schneller entladen.
Mit dem Photoelektrischen Effekt und seiner Erklärung – Licht besteht aus einem Strom von Photonen unterschiedlicher Energiemengen, je nach Farbe/Frequenz – und dem Doppelspaltexperiment – Licht ist eine Welle, die durch zwei Löcher gleichzeitig gehen kann – spannt sich ein Widerspruch auf, der nicht auflösbar ist. Deshalb sagt man: Licht ist beides. Wir sprechen vom Welle-Teilchen-Dualismus. Manche Experimente zeigen die eine Seite des Lichts, andere Experimente zeigen die andere Seite.
Hinweis: Die Farben dünner Schichten sind durch das Wellenmodell von Licht erklärbar. Sie entstehen durch das Phänomen Interferenz.
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Das Doppelspaltexperiment gehört zur Quantenphysik. Es sind diese erstaunlich anderen Gesetze in der Welt der kleinsten Teilchen, die in diesem Teilgebiet der Physik faszinieren. Üblicherweise kann man ja nicht durch zwei Türen gleichzeitig gehen. Das gilt in unserer Welt, in unserer großen Welt. In der Quantenwelt ist genau das möglich. Photonen, Elektronen und andere Teilchen gehen gleichzeitig durch zwei Spalten, wenn man nicht hinsieht. Wenn man sie beobachtet, entscheiden sie sich für eine Spalte. Das klingt rätselhaft – so rätselhaft, dass Erwin Schrödinger die Geschichte mit der Schrödinger-Katze erfand, die ebenso zwei Sachen gleichzeitig macht: sie ist lebendig und tot zu gleich. “Du spinnst”, sagten die Leute. Aber Schrödinger machte ja mit dieser Katze kein wirkliches Experiment sondern nur ein Gedankenexerperiment. Quantenteilchen würden sich so benehmen.
Young zeigte schon 1802 die Wellennatur von Licht, indem er es auf einen Doppelspalt (zwei Löcher/Schlitze) scheinen ließ. Dahinter gab es ein Interferenzmuster. Licht erreichte Stellen, an die es auf direktem Weg nicht hinkommen würde. Einstein würde 1905 dann etwas anderes mit dem Photoelektrischen Effekt zeigen: dass Licht aus Teilchen – den Photonen – besteht. Was ist Licht nun: Welle oder Teilchen? DAs ist ein Widerspruch, der sich nicht auflösen ließ, und so sagt man: Licht ist beides. Welle und Teilchen zugleich. Der sogenannte Welle-Teilchen-Dualismus. nicht nur bei Licht, sondern auch bei Materieteilchen ist das der Fall. Elektronen sind nicht nur Teilchen sondern auch Wellen – das zeigt sich bei Elektronenmikroskopen, die nicht mit Lichtwellen sondern mit Elektronenwellen funktionieren.
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Einstein formuliert in seiner Relativitätstheorie einen interessanten Gedanken. Wer schnell unterwegs ist, wird eine andere Zeit messen, als jemand, der im Vergleich dazu in Ruhe ist. Diese Effekte treten spürbar ab der halben Lichtgeschwindigkeit auf, man muss also schon wirklich sehr schnell sein, um den zeitverlängerten Effekt schneller Reisen zu bemerken. Aber eigentlich müsste man das auch bei niedrigen Geschwindigkeiten messen können, wären die Messgeräte nur genau genug. Bewegte Uhren gehen langsamer. Kann man das auch in unserer Welt zeigen?
Atomuhren sind sehr genaue Uhren: sie können Zeitunterschiede von 30 ns (Nanosekunden) leicht messen. In dieser Größenordnung war der vorhergesagte Unterschiede in den Zeiten, wenn man eine Atomuhr in ein Flugzeug packt, und eine andere am Boden lässt. Der Effekt wurde von Hafele und Keating 1971 gemessen. Somit konnten sie zeigen, dass ein wesentlicher Teil der Relativitätstheorie vorhersagbar und messbar ist – die Veränderung der Zeit bei Bewegung. Diesen Effekt gibt es auch in unterschiedlichen Höhen. Auch das konnte gemessen werden.
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Magnetische Kräfte haben nichts mit elektrischen Kräften zu tun. Vorderhand. Zunächst. Magnetische Kräfte wirken zwischen Magneten, und elektrische Kräfte zwischen Teilchen mit der Eigenschaft “Ladung”. Oersted fand in seinem Labor aber heraus, dass es eine Verbindung zwischen den beiden Welten gibt. Nur mit dieser Verbindung ist es möglich, Generatoren und Motoren zu bauen, und in der Folge auch elektromagnetische Wellen in Sendern und Empfängern zu senden und empfangen.
Schritt 1: Wenn ein Elektron ruhig im Kabel sitzt, weil der Stromkreis unterbrochen ist wird sich ein Magnet – vielleicht eine Kompassnadel – völlig unbeeindruckt vom Elektron zeigen. Die magnetische Nadel zeigt zum Nordpol, dorthin, wo das Erdmagnetfeld zeigt. Wird der Stromkreis aber geschlossen, beginnt sich das Elektron zu bewegen. Und ein bewegtes Elektron “benimmt” sich wie ein kleiner Magnet. Man sagt, es erzeugt ein Magnetfeld, das eben die Kompassnadel spüren kann, sie beginnt sich in eine bestimmte Position zum Kabel hinzudrehen. Wird der Stromkreis wieder unterbrochen, ist das künstliche Magnetfeld wieder weg, und die Kompassnadel zeigt nach Norden.
Das war der Versuch von Oersted.
Es gibt dann in der Folge noch zwei weitere Experimente, die spannend sind: Bringt man nämlich einen Magneten mit, und lässt Elektronen in einem Kabel fließen, das in dessen Magnetfeld liegt, so entsteht eine Kraft. Das Kabel fliegt einem um die Ohren. Es ist die Lorenzkraft die entsteht. Strom plus Magnetfeld ergibt eine Kraft. Aus elektrischer Energie wird mechanische Energie. Das Motorprinzip.
Und das zweite: aus mechanischer Energie kann elektrische Energie werden. Eine Leiterschleife wird in einem Magnetfeld gedreht. Durch die Drehung werden die Elektronen in eine bestimmte Richtung im Kabel gedrängt, man sagt, es werde eine “Spannung induziert”. Das Generatorprinzip. Aus Drehung in einem Magnetfeld entsteht Spannung.
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Die Frage war: Was trägt die Lichtstrahlen. So wie Wasser Wasserwellen transportiert müsste ein “Äther” die Lichtwellen transportieren. Da aber im Universum Vakuum ist – “Nichts” – und das Licht trotzdem durchgeht, müsste also der Äther das Universum erfüllen, extrem dünn sein, durchsichtig extrem, aber gleichzeitig sehr “zäh”, so wie Stahl, denn je dichter, zäher das Material, desto schneller die Wellen, die durchgehen. Und Licht ist ziemlich schnell.
Michels und Morley machten sich also auf die Suche nach dem Äther mit einer Idee. Die Erde kreist um die Sonne, da müsste doch so etwas wie ein Ätherwind entgegenkommen. Sie bauten einen drehbaren Tisch und ließen Licht einmal gegen diesen Ätherwind laufen, und wieder retour, und einmal senkrecht dazu und wieder retour. Wenn es Unterschiede in den Laufzeiten gibt, dann könnten sie damit zeigen, dass der Äther existiert.
Nun: es gab keinen Unterschied. Und somit fanden Michelson-Morley heraus: es gibt keinen Äther. Es gibt somit kein absolut ruhendes Bezugssystems as das Universum erfüllt, und somit können alle Geschwindigkeiten nur “relativ” zueinander angegeben werden. Die Relativitätstheorie entstand.
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Wenn Sie wissen möchten, was in Ihrem Kuchen drin ist, welche Möglichkeiten haben Sie?
Zerkrümeln. Sie brauchen dazu eine Hand in der Größenordnung des Kuchens. Nachteil: Sie wissen danach nicht, wie die Einzelteile angeordnet waren.
Zerschneiden. Sie brauchen dazu ein Messer von der Größenordnung des Kuchens.
Etwas draufschießen. Sie brauche dazu kleine Geschoße. Je nachdem, ob sie ihre Flugbahn auf dem Weg durch den Kuchen ändern, sind sie auf etwas Festes gestoßen oder nicht.
Der dritte Punkt war die Strategie Ernest Rutherfords, 1911. Zu diesem Zeitpunkt wusste man schon, dass es positive und negative Ladungen im Atom gibt, man glaubte aber, ein Atom wäre wie ein Kuchen, also vollständig ausgefüllt.
Rutherford fand heraus, dass das Atom aus einem positiv geladenen Kern (Protonen, Neutronen kannte man noch nicht) besteht, der sehr klein und massereich ist, dann kommt ziemlich viel „Nichts“, und dann die Hülle mit den Elektronen, deren Masse nur 1/2000 der eines Protons ist.
Das Experiment funktionierte mit Heliumkernen (positiv geladen, keine Elektronen), die auf eine sehr dünne Goldfolie geballert wurden. Die meisten dieser Kerne flogen ziemlich geradlinig durch das die dünne Goldfolie (die Goldatome), wurden vielleicht etwas abgelenkt, und selten wurde ein Heliumkern arg zurückreflektiert, so als ob es auf ein großes Hindernis geprallt wäre. Ja, das war ein Treffer mit einem Atomkern.
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Dieses Experiment ist ein großartiges Beispiel, wie man durch Geschick und Überlegung die Natur so am Bauch kitzeln kann, dass sie feine Details von sich erzählt. Millikan hat für dieses Experiment de Nobelpreis erhalten, den es wirklich nicht für Alles gibt.
Konkret geht es um die Frage, wie groß die kleinste elektrische Ladung ist. Dass es eine kleinste gibt, war damals, 1917, schon bekannt, und die kleinste Ladung trägt das Elektron. Die Elementarladung. Negativ. Die Überlegung war, dass man auf kleine Tröpfchen von Öl Vielfache dieser Elementarladung packen kann, und wenn man misst, wie viel Ladung dann da oben sitzt, sieht man, dass sich die unterschiedlichen Mengen um genau die Stufen von Elementarladungen unterscheiden.
Im Prinzip: Alle Preise auf Packungen im Supermarkt. Sie unterscheiden sich durch die „Elementargeldladung“, nämlich Cent.
Und jetzt kommt die schlaue Überlegung. Wir haben es mit elektrischer Wechselwirkung zu tun, wenn Ladungen sich anziehen (+ und -) oder sich abstoßen (++ oder – -). Elektrischen Kräften. Was aber jede Masse zusätzlich mitbringt, ist ihre Empfänglichkeit für die Schwerkraft.
Ich lasse also feine Tröpfchen, die elektrisch geladen sind, durch die Schwerkraft nach unten sinken, und wenn ich oben jetzt eine positiv geladene Platte habe, deren Ladung ich fein regulieren kann, entsteht eine Gegenkraft, die das Tröpfchen schweben lässt. Zuviel Spannung, und es steigt nach oben, zuwenig, und es sinkt.
Im Detail spielt noch Auftrieb und Reibung in Luft eine Rolle, und der Versuch wird zweistufig durchgeführt, erst Schwebenlassen, dann die Geschwindigkeit beim Absinken messen, um die Größe der Kügelchen zu ermitteln. Aber im Wesentlichen kan man die Rechnungen gut nachvollziehen, wenn sie einem jemand schön erklärt.
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Wir müssen zwei Ebenen betrachten, wenn wir die experimentelle Arbeit Galileo Galileis würdigen möchten.
Einerseits die inhaltliche Ebene: Er hat sich mit der Frage beschäftigt, ob schwere Dinge schneller fallen, als leichte. Bei einer Feder und einem Stein wäre das eindeutig zu sehen. Es ist aber nicht die Masse, die den Unterschied ergibt, sondern der Luftwiderstand. Das Experiment der beiden fallenden Gegenständen würde am Mond – ohne Luft – eben ganz anders verlaufen, Feder und Stein kommen gleichzeitig am Boden an.
Wie soll man das aber auf der Erde zeigen? Das ist die zweite Ebene – die Kunst, oder vielmehr schon, der Wille, sich die Luft wegzuexperimentieren oder eben wegzudenken. Das war eine zu dieser Zeit sehr unübliche Denkweise, denn wozu würde man das machen? Galileo Galilei steht also am Beginn der modernen Naturwissenschaft.
Galileo Galilei ließ zwei gleich große, aber unterschiedlich schwere Gegenstände vom Turm von Pisa fallen – das ist die Geschichte, ob es wirklich so war, kann man bezweifeln. Eher ließ er sie eine schiefe Ebene hinunterrollen. Da man nicht sehen kann, was schneller rollt, befestigte er kleine Glöckchen, die beim Vorbeilaufen der Kugel ein “Klein” hören lassen – er stammt aus einer Musikerfamilie. Hat man zwei schiefe Ebenen mit zwei verschieden schweren Kugeln, hört man gleichzeitig die beiden “Klings”. Die Schiefe Ebene immer steiler gestellt führt dann zum Freien Fall.
Das Fallgesetz wurde entwickelt: “Alle Körper fallen gleich schnell.” Luftwiderstand ausgenommen. Also besser: “Alle Körper fallen im Vakuum gleich schnell”.
Beim Pendel sieht man das auch. Befestigt man gleich große, aber unterschiedliche Massen an einer Schnur und lässt sie hin und her pendeln, dauert einmal hin- und her in beiden Fällen gleich lang.
Darüber hinaus beschäftigte sich Galileo Galilei mit den Jupitermonden, die er mit einem Fernrohr beobachtete. Fernrohre waren damals keine Methode des Wissenserwerbs, weil sie noch unbekannt waren, und so dauerte es eine Weile, bis die Menschen das in ihr Weltbild einbauen konnten, was sie durch ihre Fernrohre sahen.
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