Sexl Physik 8, Schulbuch

139 | Zusammenfassende Übersicht Kernphysik Der Atomkern: Ein Atomkern mit der Massenzahl A besteht aus Z Protonen und N = A – Z Neutronen. Atomkerne sind etwa 100000-mal kleiner als Atome ( ≈ 10 ‒15 m ). Die Protonen und Neutronen im Atomkern sind durch Kern- kräfte aneinander gebunden. Diese Kräfte haben eine sehr kurze Reichweite, aber sind etwa 100-mal stärker als die elektrische Abstoßung der Protonen und ermöglichen die Bildung stabiler Kerne. Isotope eines Elements unterscheiden sich in der Anzahl der Neutronen. Radioaktivität: Radioaktive Stoffe senden ohne äußeren Einfluss ionisie- rende Strahlung aus. α -Strahlen bestehen aus Heliumkernen mit einer Energie von einigen MeV. β -Strahlen bestehen aus schnellen Elektronen mit einer Energie bis zu einigen MeV. Sie können durch ein Alumini- umblech von 5 mm Stärke abgeschirmt werden. γ -Strahlung ist elektromagnetische Strahlung. Durch Emission von α - oder β -Strahlung entsteht ein neues Element. Das Zerfallsgesetz Sind anfänglich N 0 Kerne eines radioaktiven Isotops vor- handen, so existieren nach einer Zeitspanne t nur noch N ( t ) = N 0 ·e ‒ λ t Kerne dieses Isotops. λ bezeichnet man als Zerfallskonstante. Die Halbwertszeit T 1/2 gibt die Zeitspanne an, nach der die Hälfte der ursprünglich vorhandenen Kerne zerfallen ist. Dosimetrie: Die Energiedosis gibt die pro kg Gewebe absorbierte Ener- gie an. Ihre Einheit ist das Gray (Gy): 1 Gy = 1 J/kg . Die Äquivalentdosis berücksichtigt die unterschiedliche Wirkung der einzelnen Strahlenarten. Ihre Einheit ist das Sievert (Sv). Kernenergie: Bei der Fusion leichter Kerne ebenso wie bei der Spaltung schwerer Kerne wird aufgrund des Massendefekts Bin- dungsenergie freigesetzt. Kerne des Uran-235 können durch (langsame) Neutronen gespalten werden. Dabei werden weitere Neutronen freige- setzt, die eine Kettenreaktion auslösen können. Im Kern- reaktor erfolgt die Kettenreaktion kontrolliert (Neutronen- einfang durch Regelstäbe). Teilchenphysik Bosonen: Teilchen mit Spin 0, – h , 2 – h , … Fermionen: Teilchen mit Spin – h /2, 3 – h , 2, … Teilchenzahlerhaltung bei Fermionen Die Differenz der Zahl der Teilchen und der Zahl der Anti- teilchen einer Sorte von Fermionen (z. B. Elektronen, bzw. Nukleonen) ist konstant. Fermionen gehorchen dem Pauli-Prinzip. Quarkmodell Proton, Neutron und alle anderen Baryonen bestehen aus 3 Quarks, Mesonen bestehen aus einem Quark-Antiquarkpaar. Kraft Betroffene Teilchen Reich- weite Relative Stärke Träger- teilchen Rolle im Universum Starke Kraft Quarks 10 ‒15 m 1 Gluonen bindet Quarks zu Protonen, Neutronen und weiteren Baryonen und Mesonen, bindet Atomkerne Elektroma- gnetische Kraft geladene Teilchen • 10 ‒2 Photon bestimmt die Struktur von Atomen, Molekü- len, Flüssigkeiten und Festkörpern Schwache Kraft Quarks und Leptonen 10 ‒18 m 10 ‒5 W + , W ‒ , Z 0 ermöglicht langlebige instabile Atomkerne und die Kernfusion in der Sonne Schwerkraft alle • 10 ‒40 Graviton (?) bindet die Materie zu Planeten, Sternen und Galaxien Kräfte zwischen Teilchen werden durch Kraft- oder Träger-Teilchen vermittelt. Astrophysik – Sterne und Galaxien Scheinbare Helligkeit I ist die Lichtenergie, die pro Quad- ratmeter und Sekunde ins Fernrohr einfällt. Zwei Sterne unterscheiden sich um eine Größenklasse ( Ma- gnitude m ), wenn sich ihre Helligkeiten um den Faktor z ≈ 2,51 unterscheiden. Leuchtkraft L Lichtenergie, die der Stern pro Sekunde insgesamt aussendet. Ordnet man die Sterne nach Leuchtkraft und Temperatur im Hertzsprung-Russell-Diagramm an, so liegt ein Groß- teil aller Sterne auf der Hauptreihe. Hauptreihensterne haben eine ähnliche Größe wie die Sonne. Die Roten Riesen oberhalb der Hauptreihe sind etwa 100mal größer als die Sonne. Die Weißen Zwerge unterhalb der Hauptreihe sind unge- fähr 100mal kleiner als die Sonne und bis zu 100 000mal lichtschwächer. Masse-Leuchtkraft-Beziehung Bei Hauptreihensternen hängt die Leuchtkraft in einfacher Weise von der Masse ab. Die Massen der Sterne liegen zwischen 0,01 M 8 und 100 M 8 . Kosmologie Die Expansion des Universums Alle Galaxien entfernen sich voneinander mit Geschwindig- keiten v , die proportional zur Entfernung r sind: v = H · r ( Hubble-Konstante H = 74,3±2,1 km/(s·Mpc) ). Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv