Einführung in die moderne Physik: Von der Relativitätstheorie zur Kernphysik

Grenzen der klassischen Physik

Newtons klassische Mechanik basiert auf den Galilei-Transformationen und seinen Bewegungsgleichungen. Maxwells Gleichungen bestätigten die Wellennatur des Lichts und ermöglichten die Berechnung seiner Geschwindigkeit im Vakuum. Dies führte zu einem Vergleich zwischen Lichtwellen und Schallwellen.

Eigenschaften von Schallwellen

Schallwellen benötigen ein Medium, um sich auszubreiten. Sie breiten sich mit einer gleichmäßigen Geschwindigkeit in Bezug auf das Ausbreitungsmedium aus. Die Geschwindigkeit kann durch die Formel der Geschwindigkeitsaddition berechnet werden.

Eigenschaften von Lichtwellen

Lichtwellen benötigen ein Ausbreitungsmedium (den sogenannten Äther). Sie breiten sich mit einer festen Geschwindigkeit relativ zum Äther aus.

Für diese Hypothese wurde die Existenz des Äthers, einer masselosen Substanz mit elastischen Eigenschaften, angenommen. Der Äther diente als Referenzsystem für den Elektromagnetismus.

Einsteins Postulate der speziellen Relativitätstheorie

Die spezielle Relativitätstheorie basiert auf zwei Postulaten, die auf alle physikalischen Phänomene angewendet werden können.

Postulat 1

Die Gesetze der Physik sind in allen Inertialsystemen gleich. Dies ist eine Verallgemeinerung des Galileischen Relativitätsprinzips, das nur auf die Mechanik angewendet wurde. Die Gesetze der Physik sind invariant beim Übergang von einem Inertialsystem zu einem anderen.

Postulat 2

Die Lichtgeschwindigkeit ist in allen Bezugssystemen gleich, unabhängig von der Geschwindigkeit der Quelle. Daher sind die Galilei-Transformationen nicht gültig.

Kernspaltung

Kernspaltung ist eine Kernreaktion, bei der ein schwerer Atomkern in zwei leichtere Kerne und Neutronen zerfällt. Bei diesem Prozess wird Energie freigesetzt. Wenn der Prozess durch Neutronen ausgelöst wird, werden weitere Neutronen freigesetzt, wodurch sich die Reaktion verstärkt.

Kernfusion

Kernfusion ist eine Kernreaktion, bei der zwei leichte Atomkerne zu einem schwereren Kern verschmelzen. Auch bei diesem Prozess wird Energie freigesetzt. Sowohl die freigesetzte Energiemenge als auch die benötigte Aktivierungsenergie sind bei der Kernfusion größer als bei der Kernspaltung.

Strahlung

Alphastrahlung

Alphastrahlung besteht aus Heliumkernen, die aus zwei Protonen und zwei Neutronen bestehen. Sie werden mit einer kinetischen Energie im MeV-Bereich emittiert.

Betastrahlung

Betastrahlung besteht aus schnellen Elektronen, die beim Zerfall eines Neutrons im Kern entstehen, wobei ein Proton und ein Elektron gebildet werden. Die Energie liegt im MeV-Bereich.

Gammastrahlung

Gammastrahlung ist elektromagnetische Strahlung mit höherer Frequenz als Röntgenstrahlung. Die Energie liegt im MeV- bis keV-Bereich.

Gefahren der Strahlung für den Menschen

Strahlungsquellen außerhalb des Körpers: Alpha, Beta, Gamma

Strahlungsquellen innerhalb des Körpers: Gamma, Beta, Alpha

Messung der Auswirkungen von Strahlung

Energiedosis: Absorbierte Energie pro Masse. Einheit: Gray (Gy)

Äquivalentdosis: Produkt aus der absorbierten Dosis und dem Faktor der relativen biologischen Wirksamkeit. Einheit: Sievert (Sv)

Grundkräfte

Starke Kernkraft

Die starke Kernkraft ist für den Zusammenhalt des Atomkerns verantwortlich. Sie manifestiert sich als anziehende Kraft zwischen den Nukleonen. Für Abstände größer als 10^-15 Meter ist sie Null. Auf kurze Distanzen ist sie die stärkste Kraft.

Schwache Kernkraft

Die schwache Kernkraft ist für den Beta-Zerfall von Atomkernen verantwortlich. Sie wirkt auf Teilchen, die nicht der starken Kernkraft unterliegen. Für Abstände größer als 10^-17 Meter ist sie Null. Auf kurze Distanzen ist sie stärker als die Gravitationskraft.

Gravitationskraft

Die Gravitationskraft wirkt zwischen zwei Teilchen mit Masse. Sie ist immer anziehend und eine schwache Wechselwirkung. Sie ist nur sichtbar, wenn ein Objekt eine große Masse hat.

Elektromagnetische Kraft

Die elektromagnetische Kraft wirkt zwischen zwei elektrisch geladenen Teilchen. Sie kann anziehend oder abstoßend sein und ist stärker als die Gravitationskraft. Bei Abständen kleiner als 10^-15 m ist sie vergleichbar mit der starken Kernkraft.