Sexl Physik 8, Schulbuch

AKTUELLE FORSCHUNG TEILCHEN KERNE 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, sie sind aber etwa 100-mal stärker als die elektrische Abstoßung zwischen den Protonen und ermögli- chen 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 -Strahlung besteht aus Heliumkernen mit einer Energie von einigen MeV . Sie kann durch ein Blatt Papier abge- schirmt werden. Wenn α - Strahler im Organismus eingela- gert wurden, schädigen sie die Zellen ihrer Umgebung. β -Strahlung besteht aus schnellen Elektronen mit Energien bis zu einigen MeV . Sie können durch ein Aluminiumblech von 5mm Stärke abgeschirmt werden. γ -Strahlung ist elektromagnetische Strahlung. Durch Emission von α - oder β -Strahlung ändert sich die Atomart. 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 heißt Zerfallskonstante (Bruchteil der pro Sekunde zerfal- lenden vorhandenen Kerne). 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): 1Gy = 1 J/kg . Die Äquivalentdosis berücksichtigt die unterschiedliche Wirkung der einzelnen Strahlenarten. Ihre Einheit ist das Sievert ( Sv ). Durchschnittliche Jahresdosis: 4,3mSv , zulässi- ge zusätzliche Jahresdosis: 1mSv . 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 ge- spalten werden. Dabei werden weitere Neutronen freige- setzt, die eine Kettenreaktion auslösen können. Im Kernreaktor erfolgt die Kettenreaktion kontrolliert (Neutroneneinfang durch Regelstäbe), so dass die Zahl der Kernspaltungen und die Energieproduktion konstant sind. Bei Kernwaffen erfolgt die Kettenreaktion ungebremst, wodurch es zur Explosion (Druckwelle, Feuerball, radioak- tiver Niederschlag) kommt. Teilchenphysik Bosonen: Teilchen mit Spin 0, Ç . ( Ç  = h /(2 π )) Fermionen: Teilchen mit Spin Ç /2. Fermionen gehorchen dem Pauli-Prinzip. Teilchenzahlerhaltung bei Fermionen: Für jede Sorte von Fermionen (Elektronen, Nukleonen, …) ist die Summe der Teilchen minus der Summe der Antiteilchen konstant. Die fundamentalen Teilchen sind Fermionen: 6 Quarks (elektrische Ladung 2/3 e bzw. –1/3 e , Farbladung) und 6 Leptonen (Elektronen, Neutrinos, …). Proton, Neutron, … bestehen aus 3 Quarks. Starke, elektromagnetische und schwache Kräfte zwischen Teilchen werden durch Austausch-Teilchen (Gluonen, Pho- tonen, W -Teilchen) vermittelt. Astrophysik – Sterne und Galaxien Scheinbare Helligkeit I: Lichtenergie, die pro Quadratmeter und Sekunde ins Fernrohr fällt. Zwei Sterne unterscheiden sich um eine Größenklasse ( Magnitude mag ), wenn sich ihre Helligkeiten um den Faktor z ≈ 2,51 unterscheiden. Leuchtkraft L : Strahlungsleistung (Lichtenergie pro Sekun- de). Hertzsprung-Russell-Diagramm: Anordnung der Sterne nach Leuchtkraft und Temperatur, ein Großteil der Sterne (z. B. Sonne) liegt auf der Hauptreihe. Hauptreihensterne haben eine ähnliche Größe wie die Son- ne. Die Roten Riesen oberhalb der Hauptreihe sind etwa 100mal größer als die Sonne, die Weißen Zwerge unterhalb der Hauptreihe sind ungefähr 100mal kleiner als die Sonne und bis zu 100 000mal lichtschwächer. Die Massen der Sterne liegen zwischen 0,01 M 8 und 100 M 8 . Die Energiequelle der Sterne ist die Kernfusion ( H -> He ,…). Endstadium: Weißer Zwerg ( M < 1,4 M 8 ), Neutronenstern ( M < 2,5 M 8 ), Schwarzes Loch ( M > 2,5 M 8 ). Kosmologie Die Expansion des Universums Alle Galaxienhaufen entfernen sich voneinander mit Ge- schwindigkeiten v(r) (proportional zur gegenseitigen Dis- tanz r ): v(r) = H · r ( Hubble-Parameter H = 74,3 ± 2,1 km/(s · Mpc) ). Die Galaxienhaufen bewegen sich nicht im Raum, sondern werden von der Dehnung des Raums, in dem sie eingebettet sind, mitgenommen. Dadurch wird das Universum immer größer. Offen ist, ob die Expansion jemals aufhört. Urknall-Theorie: Vor ca. 14Mrd. Jahren bestand das Uni- versum aus einem winzigen, ungeheuer heißen Raum, der sich schlagartig vergrößerte (und dies weiterhin tut). An- fangs gab es ein heißes Gas aus Quarks, Leptonen, Gluonen und Photonen. Im Lauf der Ausdehnung sank die Tempera- tur, Protonen und Neutronen bildeten sich aus Quarks und formten schließlich H - und He -Atome, die Hauptbestandteile der Sterne. Die kosmische Hintergrundstrahlung (Mikro- wellen) ist ein Beleg dieses Vorgangs. Nach einigen 100 Mio. Jahren entstanden erste Galaxien.  100 Zusammenfassende Übersicht Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv