Grundlagen der Physik: Von Mechanik bis Kernphysik

Konservative Kraft

Die Arbeit wird so verrichtet, dass der zurückgelegte Weg unabhängig ist und nur von der Änderung der potenziellen Energie abhängt. Die Arbeit W durch eine konservative Kraft erfolgt auf Kosten einer Abnahme der potenziellen Energie (EP).

Trägheitskräfte

Dies sind Kräfte, die in der mathematischen Beschreibung der Bewegung von Körpern in einem beschleunigten Bezugssystem auftreten, damit die Newtonschen Gesetze gültig bleiben. Beispiel: Eine Kugel, die von der Decke eines Busses hängt.

Keplers zweites Gesetz

Wenn t1 = t2, dann ist A1 = A2. Dies bedeutet, dass sich die Planeten nicht mit der gleichen Geschwindigkeit auf ihrer gesamten Umlaufbahn bewegen; sie bewegen sich näher an der Sonne schneller und weiter entfernt langsamer.

Elektrischer Strom und Potenzial

Elektrische Feldstärke

Die elektrische Kraft, die auf eine positive Einheits-Probeladung an einem Punkt wirkt. Daraus ergibt sich die Formel: E = F / Q. Im SI-System wird sie in N/C angegeben.

Elektrisches Potenzial

Das elektrische Potenzial ist die potenzielle Energie pro elektrischer Ladung an einem Punkt. Es wird durch die Formel bestimmt: V(r) = kQ / r bzw. V(r) = Ep(r) / Q. Die SI-Einheit ist das Volt (1V = 1J / C).

Modelle der Natur des Lichts

• Korpuskelmodell: Besagt, dass Licht aus kleinen Teilchen besteht, die den Gesetzen der Trägheit gehorchen und sich geradlinig mit enormer Geschwindigkeit durch den Raum bewegen.
• Wellenmodell: Betrachtet Licht als eine Longitudinalwelle, ähnlich dem Schall.

Photoeffekt

Dieser besteht aus der Emission von Elektronen aus einem Material, wenn es mit elektromagnetischer Strahlung beleuchtet wird. Ein Hauptproblem war, dass einige dieser Beobachtungen nicht mit klassischen Vorstellungen in Einklang standen. Die Lösung lieferte Einstein: Die abgestrahlte Energie von elektromagnetischen Wellen ist nicht kontinuierlich über die Wellenfront verteilt, sondern in kleinen Energiequanten, den Photonen, quantisiert. Diese interagieren mit der Materie, indem sie absorbiert werden.

Kernphysik

Nukleare Stabilität

Die Stabilität ist bei den Elementen der Natur unterschiedlich. Bei stabilen Isotopen ist die Anzahl der Protonen und Neutronen etwa gleich.

Bindungsenergie

Hierüber lässt sich die Stabilität bestimmen. Wenn zwei Kerne verschmelzen, wird Energie freigesetzt. Diese Prozesse nennt man Kernfusion und Kernspaltung. Die Bindungsenergie ist gegeben durch Ee = ΔE = Δm · c².

Kernspaltung (Fission)

Der Prozess der Teilung schwerer Kerne. Diese Prozesse werden durch den Beschuss mit Neutronen ausgelöst, die die Kerne zur Spaltung anregen.

Kernfusion

Der umgekehrte Prozess zur Kernspaltung. Hierbei entsteht ein schwererer Kern aus zwei kollidierenden leichteren Kernen. Dieser Prozess erzeugt keine Abfälle und ist produktiver als die Kernspaltung. Das Problem besteht lediglich darin, dass die Durchführung der Fusion wesentlich schwieriger ist als die der Kernspaltung.