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.
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Verallgemeinerung der Gravitationstheorie (Allgemeine Relativitätstheorie)
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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Verallgemeinerung des Energiesatzes (Äquivalenz von Masse und Energie)
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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Spezielle Relativitätstheorie
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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Strahlungsunfälle und Strahlenschutz
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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Strahlung in der Medizin
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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Gesundheitliche Auswirkung von 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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Strahlungsquellen
(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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Wechselwirkung mit Materie
(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.
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Spektralanalyse
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.