Grundlagen der Physik: Magnetismus, Atomphysik und Radioaktivität

Was ist Magnetismus?

Dieses Phänomen manifestiert sich in bestimmten Stoffen (Eisen, Kobalt und Nickel) und ist durch das Auftreten von anziehenden oder abstoßenden Kräften auf andere Körper gekennzeichnet.

Das Magnetfeld und seine Messung

Ein Magnetfeld ist eine physikalische Eigenschaft in einer Region des Raumes, die durch einen Magneten oder elektrischen Strom erzeugt wird und eine Kraft auf geladene oder magnetisierte Körper in der Nähe ausübt. Es wird im Internationalen System in Tesla gemessen.

Merkmale magnetischer Feldlinien

• Sie sind immer geschlossen und durchdringen die Oberfläche des Magneten.
• Sie verlassen den Nordpol des Magneten und treten in den Südpol ein.
• Die Linien schneiden sich an keinem Punkt im Raum.
• Die Anzahl der Linien pro Flächeneinheit ist proportional zur Stärke des Magnetfeldes.

Magnetische vs. Elektrische Feldlinien

• Magnetische Feldlinien sind immer geschlossen, während elektrische Feldlinien offen oder geschlossen sein können.
• Magnetische Feldlinien verlassen den Nordpol des Magneten und treten in den Südpol ein, während elektrische Feldlinien von positiven Ladungen ausgehen und zu negativen Ladungen führen.

Ferromagnetische Materialien

Ferromagnetische Materialien sind Stoffe wie Eisen, die eine spontane Magnetisierung in Abwesenheit äußerer Magnetfelder aufweisen. Sie werden für die Konstruktion und den Bau von Kernen in Transformatoren und elektrischen Maschinen eingesetzt.

Magnetismus und Elektrizität

Magnetismus ist eng mit elektrischen Ladungen verbunden. Elektrische Ströme können Magnetfelder erzeugen, und natürlicher Magnetismus wird ebenfalls durch kleine elektrische Ströme hervorgerufen. Die Verbindung zwischen Elektrizität und Magnetismus wird als Elektromagnetismus bezeichnet.

Entstehung von Blitzen

Blitze können vor einem Gewitter in Ambosswolken entstehen. Sie entstehen durch eine Trennung elektrischer Ladungen, die durch Konvektion und Elektrifizierung hervorgerufen wird. Eiskristalle werden dabei positiv geladen, während das Innere der Wolke negativ geladen ist.

Der Erdmagnetismus

Die Struktur des Erdmagnetfeldes ist so, dass die Feldlinien vom geografischen Südpol ausgehen und die Erde entlang der Meridiane umkreisen, um am geografischen Nordpol wieder einzutreten.

Zugvögel und das Erdmagnetfeld

Beide sind eng miteinander verknüpft, da sich Zugvögel mithilfe der Intensität und Richtung des Erdmagnetfeldes orientieren können.

Das Atom: Aufbau und Bestandteile

Ein Atom besteht aus Elektronen, die die Atomhülle bilden, sowie Protonen und Neutronen, die sich im Atomkern befinden.

Rutherfords Experiment und der Atomkern

Rutherfords Experiment zeigte, dass Atome einen winzigen, dichten und positiv geladenen Kern besitzen. Die meisten Alpha-Teilchen (He+ Teilchen) durchdrangen eine dünne Goldfolie ungehindert, was darauf hindeutete, dass Atome größtenteils leerer Raum sind. Einige Alpha-Teilchen wurden jedoch stark abgelenkt oder sogar zurückgeworfen. Dies bewies, dass die positive Ladung und fast die gesamte Masse des Atoms in einem sehr kleinen Bereich, dem Atomkern, konzentriert sind. Die Energie der Projektile reichte nicht aus, um die Coulomb-Abstoßung zwischen den Alpha-Teilchen und den positiven Ladungen des Atomkerns zu überwinden, wenn sie direkt auf den Kern trafen.

Das Bohr-Modell und Elektronenbahnen

Das Bohr-Modell des Wasserstoffatoms geht davon aus, dass ein Elektron das Proton auf bestimmten Bahnen umkreist. Es besagt, dass die radiale Kraft (Coulomb-Kraft) zwischen den beiden Ladungen gleich der Masse mal der radialen Beschleunigung ist. Dies führt zur Ableitung der Formel für den Radius der Elektronenbahn.

Die Heisenbergsche Unschärferelation

Die Heisenbergsche Unschärferelation besagt, dass die gleichzeitige präzise Bestimmung des Ortes (Δx) und des Impulses (Δp) eines Teilchens prinzipiell begrenzt ist. Die Unsicherheit bei der Bestimmung des Ortes (Δx) multipliziert mit der Unsicherheit bei der Bestimmung des Impulses (Δp) ist immer größer oder gleich einer bestimmten Konstante (Planck-Konstante geteilt durch 4π). Dies wird durch die Ungleichung Δx ⋅ Δp ≥ ħ/2 ausgedrückt.

Was sind Isotope?

Isotope sind Atome desselben Elements, die die gleiche Anzahl von Protonen, aber eine unterschiedliche Anzahl von Neutronen und somit eine unterschiedliche Massenzahl haben. Die Anzahl der Elektronen ist in neutralen Atomen gleich der Protonenzahl.

Was ist Radioaktivität?

Radioaktivität ist der Prozess, bei dem instabile Atomkerne spontan zerfallen, um einen stabileren Zustand zu erreichen. Dabei emittieren sie Energie in Form von Strahlung oder Teilchen.

Arten des radioaktiven Zerfalls

• Alpha-Zerfall: Beim Alpha-Zerfall emittiert ein Atomkern ein Alpha-Teilchen, das aus zwei Protonen und zwei Neutronen besteht (ein Heliumkern).
• Beta-Zerfall: Beim Beta-Zerfall wandelt sich ein Neutron im Kern in ein Proton, ein Elektron (Beta-Teilchen) und ein Antineutrino um. Ein freies Neutron ist instabil und zerfällt nach etwa 10–15 Minuten.
• Gamma-Zerfall: Gamma-Zerfall ist die Emission von Photonen (Lichtteilchen) mit sehr hoher Energie. Er tritt auf, wenn ein angeregter Atomkern in einen niedrigeren Energiezustand übergeht, ohne seine Zusammensetzung zu ändern.

Einsteins Masse-Energie-Äquivalenz

E = mc²

C-14-Methode zur Altersbestimmung

Lebewesen nehmen während ihres Lebens sowohl Kohlenstoff-12 (C-12) als auch in geringerem Maße radioaktives Kohlenstoff-14 (C-14) über die Nahrung auf. Nach dem Tod hört die Aufnahme von C-14 auf, und die Menge an C-14 im Körper beginnt durch radioaktiven Zerfall abzunehmen. Da die Halbwertszeit von C-14 etwa 5730 Jahre beträgt, kann man durch die Messung des verbleibenden relativen Anteils von C-14 in organischen Überresten das Alter eines Fossils oder archäologischen Fundes bestimmen.

Kernfusion

Kernfusion ist der Prozess der Verschmelzung von zwei leichten Atomkernen zu einem schwereren Kern, wobei Energie freigesetzt wird.

Kernspaltung

Kernspaltung ist der Vorgang der Freisetzung von Energie durch die Spaltung großer Atomkerne.

Die Kernkettenreaktion

Eine Kettenreaktion tritt auf, wenn bei der Spaltung eines Uran-235-Kerns freigesetzte Neutronen weitere Uran-235-Kerne spalten und dieser Prozess sich selbst aufrechterhält.