Grundlagen der Elektrizität und Atomphysik

Elektrische Natur der Materie

Materie erfährt elektrische Phänomene durch elektrische Ladungen, die positiv oder negativ sein können:

• Gleiche Ladungen stoßen sich ab.
• Unterschiedliche Ladungen ziehen sich an.
• Ein Körper ist neutral, wenn die Anzahl der positiven (+) und negativen (-) Ladungen gleich ist.
• Ein Körper ist positiv geladen, wenn er einen Überschuss an positiven Ladungen aufweist.
• Ein Körper ist negativ geladen, wenn er einen Überschuss an negativen Ladungen aufweist.

Coulomb-Gesetz

Die elektrische Kraft zwischen zwei Ladungen wird durch das Coulomb-Gesetz beschrieben:

F = k · (Q₁ · Q₂) / d²

• Q: Elektrische Ladung
• k: Coulomb-Konstante (9 · 10⁹ N·m²/C²)
• F: Kraft in Newton
• d: Abstand in Metern

Je größer die Ladungen (Q), desto größer die Kraft. Je größer der Abstand (d), desto geringer die Kraft.

Subatomare Teilchen

• Proton: Positive Ladung, besitzt Masse.
• Neutron: Keine Ladung, besitzt Masse.
• Elektron: Negative Ladung, vernachlässigbare Masse.

Atommodelle

Thomson-Modell

Das Atom wird als eine Kugel aus positiver Ladung betrachtet, in der die Elektronen wie Rosinen in einem Kuchen verteilt sind (Rosinenkuchen-Modell).

Rutherford-Modell

• Die Materie ist fast vollständig leer.
• Die Masse konzentriert sich in einem sehr kleinen Bereich, dem Atomkern (Protonen und Neutronen).
• Die Elektronen befinden sich in der Atomhülle.

Bohr-Modell

• Elektronen umkreisen den Kern auf festen Umlaufbahnen, ohne Energie abzustrahlen.
• Beim Wechsel zwischen Bahnen nehmen Elektronen Energie auf oder geben sie ab.

Atomare Struktur und Verteilung

• Ordnungszahl (Z): Anzahl der Protonen (bestimmt das Element).
• Massenzahl (A): Summe aus Protonen und Neutronen.
• Isotope: Atome desselben Elements (gleiches Z), aber unterschiedliche Neutronenzahl.

Elektronenkonfiguration

Die Elektronen verteilen sich in Schalen um den Kern:

• 1. Schale: 2 Elektronen
• 2. Schale: 8 Elektronen
• 3. Schale: 18 Elektronen
• 4. Schale: 32 Elektronen

Ionen

• Kation: Positiv geladenes Ion (Elektronenverlust).
• Anion: Negativ geladenes Ion (Elektronengewinn).

Radioaktivität und Kernenergie

Radioaktivität ist ein spontaner Prozess, bei dem instabile Atomkerne Strahlung abgeben, um einen stabilen Zustand zu erreichen.

• Alpha-Strahlung: Positive Ladung, geringe Durchdringungskraft.
• Beta-Strahlung: Negative Ladung (Elektronen), hohe Durchdringungskraft.
• Gamma-Strahlung: Keine Masse, keine Ladung, hohe Energie (elektromagnetische Strahlung).

Kernreaktionen

• Kernspaltung (Fission): Ein schwerer, instabiler Kern zerfällt in zwei leichtere, stabilere Kerne unter Freisetzung von Energie.
• Kernfusion: Zwei leichte Kerne verschmelzen zu einem stabileren Kern unter Freisetzung von Energie.