Grundlagen der Physik: Optik, Strahlung und Fundamentale Wechselwirkungen
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Optische Leistung und Brennweite von Linsen
Die Brennweite (f) ist der Abstand zwischen der Linse und ihrem Fokuspunkt, an dem das Bild eines Objekts im Unendlichen scharf abgebildet wird. Die Objektbrennweite (f') ist der Abstand zwischen der Linse und dem Objektfokus, dem Punkt, dessen Bild im Unendlichen gebildet wird. Sie entspricht der Brennweite mit umgekehrtem Vorzeichen.
Die Brennweite ist für Sammellinsen (konvexe Linsen) positiv und für Zerstreuungslinsen (konkave Linsen) negativ.
Die optische Leistung einer Linse ist der Kehrwert der Brennweite und wird in Dioptrien (m⁻¹) gemessen. Die optische Leistung (P) einer Linse kann mit der Linsenmacherformel berechnet werden:
P = (n - 1) * (1/R₁ - 1/R₂)
Dabei ist:
nder Brechungsindex des Linsenmaterials.R₁der Krümmungsradius der ersten Linsenfläche.R₂der Krümmungsradius der zweiten Linsenfläche.
Es wird davon ausgegangen, dass die Linse in Luft eingebettet ist. Je nach Wert und Vorzeichen der Krümmungsradien ist die optische Leistung positiv (Sammellinse) oder negativ (Zerstreuungslinse). Ein häufiger Fall ist eine symmetrische Linse, die entweder konvex oder konkav sein kann.
Arten von Strahlung
Es gibt drei Hauptarten von Strahlung, die sich durch die Art der emittierten Teilchen, ihre Energie und ihre Eindringtiefe unterscheiden:
Alpha-Strahlung
Die Alpha-Strahlung besteht aus Alpha-Teilchen, die Heliumkerne sind. Diese bestehen aus zwei Protonen und zwei Neutronen. Sie entstehen beim Zerfall eines Mutterkerns zu einem Tochterkern, der zwei Protonen und zwei Neutronen weniger besitzt. Alpha-Teilchen haben eine positive elektrische Ladung und dringen nur sehr wenig in Materie ein.
Beta-Strahlung
Die Beta-Strahlung besteht ebenfalls aus Teilchen, in diesem Fall Elektronen. Diese Elektronen stammen nicht aus der Atomhülle, sondern entstehen beim Zerfall von Neutronen im Atomkern: Ein Neutron eines Mutterkerns zerfällt in ein Elektron, ein Proton und ein ungeladenes Teilchen, das Antineutrino genannt wird. Der Tochterkern hat somit ein Proton mehr und ein Neutron weniger. Beta-Strahlung hat eine negative Ladung und ihre Eindringtiefe ist größer als die von Alpha-Teilchen.
Gamma-Strahlung
Die Gamma-Strahlung ist elektromagnetischer Natur und besteht aus Photonen. Sie tritt auf, wenn Atomkerne von einem angeregten Zustand in einen energieärmeren Zustand übergehen. Dabei emittiert der Kern ein Photon mit hoher Frequenz. Da Photonen keine Ladung besitzen, wird Gamma-Strahlung nicht durch elektrische oder magnetische Felder abgelenkt. Gamma-Strahlung ist durchdringender als Alpha- und Beta-Strahlung.
Fundamentale Wechselwirkungen der Natur
Alle Kräfte der Natur lassen sich auf vier fundamentale Wechselwirkungen zurückführen:
- Starke Kernkraft
- Schwache Kernkraft
- Elektromagnetische Wechselwirkung
- Gravitation
Gravitation
Die Gravitation ist die schwächste aller fundamentalen Wechselwirkungen. Sie wirkt zwischen Massen, ist immer anziehend und hat eine unendliche Reichweite. Sie ist verantwortlich für die Bewegung der Himmelskörper, den Fall von Objekten, die Gezeiten und vieles mehr.
Elektromagnetische Wechselwirkung
Die elektromagnetische Wechselwirkung ist die zweitstärkste der fundamentalen Wechselwirkungen und hat eine unendliche Reichweite. Sie wirkt auf elektrisch geladene Teilchen und kann anziehend oder abstoßend sein. Sie ist dafür verantwortlich, dass Atome und Moleküle zusammenhalten und Materie bilden.
Schwache Kernkraft
Die schwache Kernkraft ist die drittstärkste der fundamentalen Wechselwirkungen. Sie hat eine sehr kurze Reichweite, ähnlich der starken Kernkraft. Sie ist die Ursache für bestimmte Kernreaktionen und den Beta-Zerfall.
Starke Kernkraft
Die starke Kernkraft ist die stärkste aller fundamentalen Wechselwirkungen. Sie hat eine extrem kurze Reichweite (wirkt nicht außerhalb des Atomkerns). Sie hält die Protonen und Neutronen zusammen, aus denen die Atomkerne bestehen. Ohne diese Kraft, die stärker ist als die elektrostatische Abstoßung zwischen den Protonen, wären Atomkerne nicht stabil.