Basics, Kern und Elementarteilchenphysik |
Ein Myon ist ein Elementarteilchen, ähnlich dem Elektron, es ist aber viel schwerer und es kommt auf der Erde in “normaler” Materie nicht vor. Es wird in der hohen Atmosphäre durch Kollisionen von kosmischer Strahlung mit den Luftmolekülen erzeugt. Seine Halbwertszeit ist mit 2 Tausendstel Sekunden so kurz, dass es in seiner Lebenszeit nicht den Erdboden erreichen könnte, und doch wird es gemessen. Die Relativitätstheorie hat eine Begründung dafür: es ist sehr schnell, und daher erscheint der Weg zur Erde verkürzt (Längenkontraktion) oder aus einer anderen Perspektive formuliert: seine Lebenszeit wird durch seine hohe Geschwindigkeit verlängert (Zeitdilatation). Ja, die Relativitätstheorie kann das gut begründen.
Link: https://de.wikipedia.org/wiki/Myon
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, Kern und Elementarteilchenphysik |
Wenn wir ein Stück Holz verbrennen, wird Energie frei. Diese Energie kommt aus der Atomhülle – aus der Bindung der Atome zu Molekülen. Holz zu verbrennen ist Chemie. Weil Chemie die Physik der Atomhülle ist.
Es gibt auch die Physik des Atomkerns selbst. Kleine Kerne können zu größeren Kernen verschmolzen werden (Kernfusion) – dabei wird Energie frei, und zwar sehr viel mehr, wie beim Verbrennen von Holz. Und: größere Kerne können zerfallen (Kernspaltung) – auch dabei wird sehr sehr viel Energie frei. Es ist die Bindungsenergie zwischen den Kernteilchen “Protonen” und “Neutronen”, die in beiden Fällen frei wird. Der größte Fusionsreaktor ist übrigens die Sonne, die Wasserstoffkerne zu Heliumkernen fusioniert.
Atomkraftwerke haben Kernreaktionen, in denen der Zerfall der Atomkerne ausgenutzt wird, elektrische Energie bereitzustellen. Und es sind die Fusionsreaktoren, die das auch durch Verschmelzen erreichen möchten – das funktioniert aber derzeit noch nicht sinnvoll.
Links:
- Kernfusion: https://de.wikipedia.org/wiki/Kernfusion
- Kernspaltung: https://de.wikipedia.org/wiki/Kernspaltung
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Basics, Kern und Elementarteilchenphysik |
Im Atomkern befinden sich Protonen und Neutronen, die Kernteilchen. Zwei Atome mit wenigen Kernteilchen können fusioniert werden, der entstehende Kern hat weniger Energie – die Differenz wird frei. Ein Atom mit vielen Kernteilchen kann gespalten werden, die entstehenden Produkte haben weniger Energie – die Differenz wird frei. Die Grenze zwischen den beiden Vorgängen ist Eisen – hier wird keine Energie frei, weder bei Spaltung, noch bei Fusion.
Links:
- Bindungsenergie: https://de.wikipedia.org/wiki/Bindungsenergie
- Kernspaltung: https://de.wikipedia.org/wiki/Kernspaltung
- Kernfusion: https://de.wikipedia.org/wiki/Kernfusion
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Kräfte sind Erscheinungen, die Geschwindigkeiten von Objekten verändern können. Sie können auch Objekte zusammenhalten.
Soviel vorweg: Eine Kraft alleine gibt es nicht. Kraft gleich Gegenkraft, sagt “Newton 3” (Das dritte Newton’sche Axiom). . Wenn dich jemand stößt, dann spürt das sicher auch der andere. Und somit ist auch das Wort Wechselwirkung geklärt – zwei Objekte stehen miteinander durch die Kräfte in Verbindung, das eine wirkt auf das andere, und das andere auf das eine.
Die Stärke der jeweiligen Grundkräfte wird von einer Naturkonstanten beschrieben.
Historisch wurden die “bekannten” Kräfte durchaus auch Kräfte genannt. Es sind jene, die zuerst entdeckt (beschrieben) wurden: Die Gravitationskraft. Sie wirkt zwischen Teilchen mit der Eigenschaft “Masse”. Die elektrische Kraft. Sie wirkt zwischen Teilchen mit der Eigenschaft (“ich bin elektrisch geladen”). Die magnetische Kraft. Sie wirkt zwischen Teilchen mit der Eigenschaft: “ich bin ein Magnet”.
Erst später, als man das Konzept der Wechselwirkung gut verstand, wurden noch zwei Kräfte “gefunden”. Die “Starke Wechselwirkung”. Sie wirkt zwischen Quarks – drei von ihnen halten zusammen und bauen das Proton auf, drei weitere Quarks das Neutron. Und die “Schwache Wechselwirkung”, die bei Neutrinos bemerkbar sind, die schwach wechselwirken und dadurch kaum zu “fangen” sind.
Kräfte haben grundsätzlich eine unendliche Reichweite, wenn auch sie unterschiedlich reale Reichweiten haben. Es geht hier um das Potenzial der Kraft, das etwa bei der “Starken Wechselwirkung” einen engen Kontakt notwendig macht, nur bei geringen Distanzen kann sie wirken. Bei der elektrischen Kraft heben sich Anziehung und Abstoßung durch die zwei unterschiedlichen Ladungen auf, somit ist diese Kraft eigentlich nicht wirklich im Alltag zu beobachten. Was man überall merkt, ist die Gravitationskraft. Weil sie ausschließlich anziehend ist, summiert sie sich auf. Die Erde übt eine große Gravitationskraft auf uns aus.
Link: Schau hier, hier steht mehr. https://de.wikipedia.org/wiki/Fundamentale_Wechselwirkung
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Es gibt Atome, die nicht stabil sind. Sie zerfallen und senden dabei Strahlung aus, die energiereich genug ist, aus anderen Atomen Elektronen herauszuschlagen (man sagt, diese Atome werden ionisiert). Die Strahlung heißt also “ionisierende Strahlung”, man sagt auch oft “radioaktive Strahlung.
Drei Möglichkeiten: Alphastrahlung – hier wird ein Heliumkern mit zwei Protonen und zweiNeutronen frei. Die kinetische Energie (Bewegungsenergie) ist recht groß, man möchte also nicht von einem Alphateilchen getroffen werden, wenn man Lungenbläschen heißt. (Lungenkrebs kann die Folge sein). Betastrahlung, da gibt es zwei Möglichkeiten: ein Elektron wird frei, oder ein Positron (das Antiteilchen zum Elektron). Und das dritte ist kein Teilchen, das frei wird, sondern elektromagnetische Wellen, hochfrequent und daher mit sehr hoher Energie: die Gammastrahlung, man sagt, ein Gammaquant wird frei. Alle drei Arten ionisierender Strahlung können abgeschirmt werden.
Link: https://de.wikipedia.org/wiki/Radioaktivität
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Es ist die große Geschichte, das Standardmodell der Physik. Die große Geschichte der Physik. Wie Elementarteilchen und Kräfte existieren, entstehen, vergehen, wechselwirken, so, dass unser Universum existiert. Das Universum ist im Urknall entstanden, vor 13,8 Milliarden Jahren, Teilchen und Kräfte (Wechselwirkungen) haben sich gebildet und entwickelt. Das Universum expandiert – es dehnt sich seit dem Urknall aus. Möglich wären nun weitere Szenarien: die Expansion hört auf, das Universum fällt irgendwann wieder in sich zusammen, und entsteht dann vielleicht wieder neu. Oder die Expansion geht weiter.
Link zum Standardmodell in Wikipedia
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Der Atomkern besteht aus Protonen und Neutronen. Die Gesamtzahl der Teilchen schlägt sich in der Massenzahl nieder. Die Protonen und Neutronen bestehen aus jeweils drei Quarks. Es war gar nicht leicht, herauszufinden, dass Protonen und Neutronen im Kern existieren. Und das sie aus Quarks bestehen.
Übrigens: der Name eines Elements wird von seiner Zahl an Protonen bestimmt. Wir nennen das Kernladungszahl. Sie bestimmt nämlich auch, wie viele Elektronen in der Hülle sind. Und diese wiederum, wie sich das Element benimmt (chemisch gesehen). Man kann nun extra Neutronen in den Atomkern packen, ist es noch immer das gleiche Element, wir sprechen aber von verschiedenen Isotopen (größere Massenzahl, gleiche Kernladungszahl). Manche Isotope sind radioaktiv, sie zerfallen, weil sie nicht stabil sind.
Link: https://de.wikipedia.org/wiki/Atomkern
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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
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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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