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Was Sie schon immer über
Astronomie und Physik wissen wollten,
aber bisher nicht zu fragen wagten. ;-)
A
Atome
Auftrieb
E
Elektromagnetische Wellen
Elementarteilchen
Energie
Erhaltungssätze der Physik
G
Gewichtskraft
Gravitationskraft
L
Lichtgeschwindigkeit
M
Materie
P
Planeten unseres Sonnensystems
S
Schwerpunkt
Sterne
Strahlung
Z
Zehnerpotenzen
Zentrifugalkraft
(Die Einträge sind in die Rubriken Physik und Astronomie unterteilt.
Dabei geht es mir nicht darum, in klassischer Lexikon-Manier möglichst viele Einträge zu generieren.
Vielmehr könnte man die Einträge als Texte auffassen, die es wegen zu geringer Länge
nicht zum Artikel geschafft haben. Sie sind nicht sehr zahlreich, dafür gehen sie oft über die
bloße Beschreibung des jeweiligen Sachverhaltes hinaus.)
Atome bestehen aus einem Kern und einer Hülle. Der Atomkern enthält positiv geladene Protonen
und ungeladene Neutronen. Die Hülle besteht aus negativ geladenen Elektronen.
Bei elektrisch neutralen Atomen ist die Anzahl der Elektronen gleich der der Protonen.
Die Protonen und Neutronen wiederum sind aus Quarks zusammengesetzt.
Elektronen sind nach heutigem Stand der Forschung nicht noch weiter aus anderen Teilchen
zusammengesetzt, sondern elementar (siehe auch
Elementarteilchen).
Aus Atomen wiederum ist die Materie aufgebaut.
In jeder Flüssigkeit (Beispiel: Meer) und jedem Gas (Beispiel: Atmosphäre) entsteht nach demselben Prinzip Auftrieb.
Die Erklärung erfolgt anhand von Flüssigkeiten, trifft aber genauso auf Gase zu:
In jeder Flüssigkeit wird durch die vorhandenen Flüssigkeitsteilchen ein Druck erzeugt. Der Druck an
einem bestimmten Ort
hängt von der Flüssigkeitssäule ab, die über diesem Ort steht - je höher die Säule,
desto höher der Druck. Diese Druckverhältnisse wirken auch auf jeden anderen Körper, der sich in der Flüssigkeit
befindet. Da der Druck an der Unterseite des Körpers (höhere Säule) größer ist, als
an seiner Oberseite (kleinere Säule), entsteht effektiv eine nach oben gerichtete Kraft, der Auftrieb.
Diese Kraft entspricht genau der
Gewichtskraft der verdrängten Flüssigkeit.
Der Auftrieb hängt dabei nur vom Volumen des eingetauchten Körpers und damit des verdrängten
Wassers ab, nicht aber von der Form des Körpers.
Zugleich wirkt auf den Körper aber auch seine nach unten gerichtete Gewichtskraft.
Hat ein Körper, z.B. ein Wasserball, eine geringere Dichte als Wasser
(und damit auch ein geringeres Gewicht als eine Wassermenge mit dem gleichen Volumen), so überwiegt der Auftrieb
seine Gewichtskraft und er bewegt sich nach oben.
Hat dagegen ein Körper, z.B. eine Bleikugel, eine größere Dichte als Wasser, dann überwiegt
seine Gewichtskraft und die Bleikugel sinkt zu Boden.
| Elektromagnetische Wellen |
Elektromagnetische Wellen (EMW) sind Wellen, die sich mit Lichtgeschwindigkeit
ausbreiten und aus Photonen bestehen.
Je nach Frequenz kennt man sie unter verschiedenen Namen:
- Radiowellen
- Mikrowellen / Radar
- Infrarotes Licht (IR)
- sichtbares Licht
- Ultraviolettes Licht (UV)
- Röntgenstrahlen
- Gammastrahlen
All diese Erscheinungsformen von EMW unterscheiden sich nur durch ihre Frequenz, die von den
Radiowellen bis zu den Gammastrahlen immer weiter zunimmt. Das Radar befindet
sich innerhalb des Bereiches der Mikrowellen. Direkt proportional zur Frequenz ist die Energie der EMW.
So nimmt in obiger Aufzählung auch der Energiegehalt immer mehr zu. (Umgekehrt proportional zur Frequenz
ist die Wellenlänge. Sie nimmt entsprechend immer weiter ab.) Trotz ihrer physikalisch gleichen Natur unterscheiden
sich die EMW in ihren Wirkungen und in der menschlichen Wahrnehmung erheblich voneinander.
Beispiele der Bedeutung von EMW für den Menschen:
-
Die energiearmen Radiowellen werden zur Kommunikation benutzt, wobei die Wellen mit sehr niedriger Energie
und damit sehr großer Wellenlänge sogar von der Ionosphäre reflektiert
und somit ein Stück weit "um den Erdball herum" gesendet werden können.
-
In einem Mikrowellenherd werden Mikrowellen (typischerweise mit einer Frequenz von 2,455 GHz) zur Erwärmung
von Speisen genutzt. Bei dieser Frequenz kann man direkt die Wassermoleküle in den Speisen anregen, diese geben ihre
Wärme dann an die übrige Materie ab.
-
Jeder Körper gibt aufgrund seiner Temperatur EMW ab. Liegt die Temperatur in einem Bereich vom absoluten Nullpunkt bis
etwa 3300°C, dann befindet sich das Maximum der ausgestrahlten EMW im Infrarot-Bereich. Mit
Nachtsichtgeräten kann man diese für Menschen nicht wahrnehmbare Strahlung sichtbar machen, so z.B.
die Körperwärme.
-
Mit sichtbarem Licht (oder nur "Licht") meint man den Wellenlängen-Bereich von 400 - 800 Nanometern (1 Nanometer = 1 Milliardstel Meter).
Dieser verhältnismäßig kleine Ausschnitt aus dem Gesamtspektrum ist der einzige,
den wir Menschen mit den Augen wahrnehmen können.
-
Bei Ultravioletter Strahlung (UV) handelt es sich um biologisch wirksame Strahlung. Ein großer Teil des
UV der Sonne wird zwar in der Erdatmosphäre vom Ozon absorbiert, aber nicht erst durch das Ozonloch
geht von UV eine schädigende Wirkung auf die Haut und die Zell-DNA aus.
Glas ist für UV, außer für den langwelligen Teil, übrigens undurchlässig.
-
Röntgenstrahlung ist bereits so intensiv, daß sie den menschlichen Körper durchdringen und so
für diagnostische Zwecke genutzt werden kann.
-
Die sehr energiereiche Gamma-Strahlung (oder γ-Strahlung) kann bei Kernzerfällen und anderen Prozessen von
Elementarteilchen auftreten. Für den Menschen ist sie gefährlich, weshalb man z.B. bei
Experimenten mit Teilchenbeschleunigern auf eine gute Abschirmung angewiesen ist.
Elektromagnetische Wellen haben neben ihrem Wellencharakter auch Teilcheneigenschaften, sie bestehen aus Photonen.
Photonen haben die Ruhemasse Null, was sie haben müssen, da sie sich ja mit
Lichtgeschwindigkeit bewegen. Man kann für sie eine bewegte Masse
berechnen. Diese ist proportional zur Energie.
Als Elementarteilchen bezeichnete man ursprünglich alle Teilchen, die nicht noch weiter aus anderen Teilchen
zusammengesetzt schienen. Im Laufe der Jahre fand man aber heraus, daß dies für immer weniger
Teilchen gilt (*).
Konkret gelten heute als Elementarteilchen:
-
Die 6 Quarks:
up (u), down (d), charm (c), strange (s), top (t) und bottom (b).
Die Quarks verfügen über drittelzahlige Ladungen:
up, charm und top haben die Ladung: + 2/3
down, strange und bottom die Ladung: - 1/3
(Der Begriff "Quarks" wurde vom amerikanischen Physiker Gell-Mann 1964 eingeführt und geht auf den Namen der
schemenhaften Wesen in dem Roman "Finnegans Wake" von James Joyce zurück.)
-
Die aus Quarks zusammengesetzten Teilchen (genannt: Baryonen), dabei vor allem Protonen (Quarks: uud) und Neutronen (udd),
die die Bestandteile der Atomkerne sind. Darüber hinaus
noch über 100 weitere Teilchen, die aber alle instabil sind und von denen die meisten sehr kurze Zeit nach
ihrer Erzeugung wieder zerfallen.
-
Die 6 Leptonen: Elektron, Myon und Tau-Teilchen (alle 3 sind jeweils einfach negativ geladen), sowie die
zugehörigen Neutrinos, d.h. Elektron-, Myon- und Tau-Neutrino (Neutrinos sind ungeladen, daß sie eine Masse
haben ist nach heutigem Wissensstand wahrscheinlich). Nur die Leptonen sind nicht weiter aus anderen Teilchen
zusammengesetzt und bilden daher in dieser Teilchenübersicht die einzigen "wahren"
Elementarteilchen.
-
Jedes Elementarteilchen hat ein Antiteilchen, das sich von seinem Teilchen durch entgegengesetzte
Ladung unterscheidet. Dadurch verdoppelt sich die Zahl der Elementarteilchen.
Elementarteilchen zeichnen sich aus durch ihre Masse, elektrische Ladung, Spin, Lebensdauer und Zerfallsarten.
(* Selbst Quarks erweisen sich heute im Experiment bei bestimmten Voraussetzungen als zusammengesetzte Teilchen.
Sie scheinen aus wiederum kleineren Quarks und Gluonen zu bestehen, wobei diese Quarks die gleichen Quantenzahlen wie
ihre Mutterquarks haben, nur kleinere Werte an Masse, Ausdehnung und Kopplungskonstanten der starken
Wechselwirkung. Diese Experimente liefern allerdings noch keine endgültig verwertbaren Ergebnisse.)
Energie ist die Fähigkeit eines Systems, Arbeit zu leisten. Das klingt abstrakt, ist aber die beste Art,
diese oft ungenau benutzte physikalische Größe zu beschreiben. Energie kann dabei in vielerlei Form
in einem System vorhanden sein. Wenn die Umstände es zulassen, kann prinzipiell jede Energieform in eine
andere umgewandelt werden, die Gesamtenergie bleibt dabei immer erhalten.
Beispiele für Energieformen:
- Potentielle Energie: Die Energie, die ein Körper aufgrund seiner Lage in einem Schwerkraft- oder sonstigen
Kraftfeld hat.
- Bewegungsenergie (kinetische Energie): Die Energie, die ein Körper aufgrund seiner Geschwindigkeit
hat.
- Wärmeenergie: Der Begriff "Wärme" gibt den Mittelwert der Bewegungsenergie von Atomen
und Molekülen eines Körpers an. Daher ist die Wärmeenergie eine Form der Bewegungsenergie.
- Die Energie des elektrischen Stromes hängt von der Spannung und der Stromstärke des fließenden
Stromes ab.
- Die chemische Energie, die z.B. bei Verbrennungsprozessen frei wird, beruht auf der Energie der
elektrischen Felder der Atom- und Molekülhüllen.
| Erhaltungssätze der Physik |
Es gibt in der Physik viele Erhaltungssätze. Sie gelten in abgeschlossenen Systemen, die keinen Austausch
der relevanten, physikalischen Größen mit der Umgebung zulassen. Die 7 wichtigsten Größen, die bei
physikalischen Vorgängen erhalten bleiben, lauten:
Der Satz der Energieerhaltung ist meiner Meinung nach der wichtigste der gesamten Physik. Er besagt, daß Energie
nicht "verloren" gehen kann, sondern nur von einer Form in eine andere umgewandelt wird.
Was bei diesen Umwandlungen allerdings immer zunimmt, ist die Entropie. Das bedeutet, daß die konkrete
Nutzbarkeit der Energie für uns Menschen dabei immer geringer wird (Beispiel: Die Umwandlung von einem Kohlebrikett
in erwärmte Raumluft).
Die Gewichtskraft ist diejenige Gravitationskraft, die auf einen Körper
wirkt, wenn er sich auf der Erdoberfläche befindet.
Sie berechnet sich als das Produkt aus der Masse des Körpers und der auf der Erdoberfläche wirkenden
Gravitationsbeschleunigung ( g = 9,81 m/s² ).
| Gravitationskraft (Schwerkraft) |
Alle Objekte, die eine Masse haben, ziehen sich gegenseitig an. Diese Kraft nennt man Gravitationskraft. Zum Beispiel
bedeutet das, daß nicht nur die Erde einen Menschen anzieht, der sich auf ihr befindet. Mit der gleichen Kraft
zieht auch dieser Mensch die Erde an. Da aber die Masse der Erde um den Faktor 10²² größer als
die eines Menschen ist, wirkt sich die Anziehungskraft des Menschen auf die Erde praktisch nicht aus.
Eine abstoßende Wirkung, wie es sie z.B. bei der elektrostatischen Kraft gibt, existiert bei der
Gravitationskraft nicht.
Die Lichtgeschwindigkeit ist die größtmögliche Geschwindigkeit, die ein Objekt haben kann.
Gemäß der speziellen Relativitätstheorie können keine Objekte, die eine Ruhemasse (*)
haben, Lichtgeschwindigkeit erreichen. Daher sind Photonen ("Licht")
die einzigen Teilchen, die sich mit Lichtgeschwindigkeit bewegen, da sie nur eine bewegte Masse, aber
keine Ruhemasse, haben.
Die Lichtgeschwindigkeit ist vom Medium abhängig, in dem sich das Licht ausbreitet.
Im Fall des Vakuums gilt die mit 299.792,458 km/sec absolut höchste Geschwindigkeit.
In Stoffen kann die Lichtgeschwindigkeit deutlich niedrigere Werte als im Vakuum haben. So beträgt
sie z.B. in Wasser nur 74% des Wertes im Vakuum, in manchen Gläsern sogar weniger als 50%.
(* Die Ruhemasse ist diejenige Masse eines Teilchens in einem Bezugssystem, in dem es sich in Ruhe befindet.)
Der Aufbau der Materie in der Reihenfolge vom Größten zum Kleinsten:
-
Festkörper sind die größte Einheit der Materie. Bei ihnen handelt es sich
um makroskopische Körper, sie bestehen aus
Atomen, Ionen (= elektrisch geladene Atome) oder Molekülen.
Sind diese Teilchen in einem regelmäßigen Muster angeordnet,
spricht man von Kristallen. Beispiele für Kristalle: Eis, alle Metalle.
Bei unperiodischer Anordnung der Teilchen spricht man von amorphen Stoffen. Beispiele: Wasser, Glas.
Verantwortlich für die Bindung der Festkörper ist die elektrische Anziehung der negativen
Elektronen und der positiven Atomkerne über die Grenzen der Teilchen hinweg.
(Ursache der Bindung: elektrische Anziehung)
-
Moleküle sind die nächst kleinere Materieform. Sie werden gebildet durch den Verbund von zwei
oder mehr Atomen miteinander, wobei man die Bindungsarten Atombindung (Atome teilen sich Elektronen)
und Ionenbindung (Atome tauschen Elektronen aus) unterscheidet.
Beispiel: H2O = Wasser, bestehend aus 2 Atomen Wasserstoff (H) und einem Atom Sauerstoff (O)
(Ursache der Bindung: elektrische Anziehung)
-
Atome bilden die Bestandteile der Moleküle:
Der positiv geladene Kern und die negative Elektronenhülle ziehen sich gegenseitig an.
(Ursache der Bindung: elektrische Anziehung)
-
Atomkerne: Sie bestehen aus Protonen und Neutronen, die untereinander durch die starke Kernkraft
zusammengehalten werden. (Die Atomhülle, die aus Elektronen besteht, existiert nur zusammen
mit einem Atomkern und bildet, im Gegensatz zum Kern, keine selbstständige Einheit.)
(Ursache der Bindung: starke Kernkraft)
-
Protonen und Neutronen wiederum bestehen aus Quarks, die
ebenfalls durch die starke Kernkraft miteinander verbunden sind.
(Der dritte Baustein der Atome, das Elektron, ist nicht noch aus weiteren Teilchen zusammengesetzt,
sondern elementar, siehe hier).
(Ursache der Bindung: starke Kernkraft)
-
Quarks selbst geben den Hochenergiephysikern heute noch Rätsel auf. Neben der
oben beschriebenen,
experimentellen Beobachtung gibt
es keine weiteren Erkenntnisse über die Struktur der Quarks. Herauszufinden, was wiederum
hinter den Quarks steckt, ist eines der spannendsten Forschungsgebiete der modernen Physik.
(Ursache der Bindung: unbekannt)
| Schwerpunkt (Massenmittelpunkt) |
Der Massenmittelpunkt eines Körpers. Wirken auf einen Körper Kräfte ein, dann verhält
sich sein Schwerpunkt so, als ob die gesamte Masse des Körpers in ihm vereinigt wäre.
Physikalische Berechnungen lassen sich viel leichter mit dem Schwerpunkt als mit der gesamten Masse eines
Körpers durchführen, da sich der Schwerpunkt nur in einem Punkt des Raumes befindet.
Bei einer homogenen Kugel ist der Schwerpunkt mit dem Mittelpunkt identisch. Der Schwerpunkt muß aber nicht
immer innerhalb des Körpers liegen. So liegt z. B. bei einem rechtwinkligen Metallstück
der Schwerpunkt außerhalb des Metalls zwischen den beiden "Metallarmen".
Bei Strahlung handelt es sich allgemein gesprochen um die räumliche Ausbreitung von Energie.
Dabei unterscheidet man Wellenstrahlung und Teilchenstrahlung. Wichtigster Vertreter der Wellenstrahlung
ist die elektromagnetische Strahlung, die man bei hohen Energien auch
γ-Strahlung nennt.
Bei der Teilchenstrahlung sind vor allem die α- und die β-Strahlung zu nennen.
Bei α-Teilchen
handelt es sich um sehr schnelle Kerne von Helium-Atomen, diese bestehen aus 2 Protonen und
2 Neutronen und sind daher zweifach positiv geladen. Sie entstehen bei natürlichem, radioaktivem Zerfall oder in
Teilchenbeschleunigern.
β-Strahlung besteht aus Elektronen, sie entsteht ebenso wie die α-Strahlung auf natürlichem oder
künstlichem Wege und verfügt ebenfalls über verhältnismäßig hohe Energien.
Über den Dualismus von Welle und Teilchen sind beide Strahlungsarten miteinander verknüpft.
So hat elektromagnetische Strahlung auch Teilchencharakter (sie besteht aus Photonen, diese haben aber keine
Ruhemasse, existieren also nur in der Bewegung).
Die genannten Arten der Teilchenstrahlung weisen bei Beugungs- und Interferenz-Experimenten
prinzipiell die gleichen Welleneigenschaften wie elektromagnetische Strahlung auf. Voraussetzung für diese Erscheinung
ist, daß es sich um winzig kleine Teilchen handelt (atomare Dimensionen oder kleiner).
| Zehnerpotenzen |
| positiv | negativ |
| 10 hoch 3 | Kilo | 10 hoch -3 | Milli |
| 10 hoch 6 | Mega | 10 hoch -6 | Mikro |
| 10 hoch 9 | Giga | 10 hoch -9 | Nano |
| 10 hoch 12 | Tera | 10 hoch -12 | Pico |
| 10 hoch 15 | Peta | 10 hoch -15 | Femto |
| 10 hoch 18 | Exa | 10 hoch -18 | Ato |
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| Zentrifugalkraft (Fliehkraft) |
Die Zentrifugalkraft ist die Kraft, die auf jeden Körper wirkt, der sich auf einer
kreisförmigen Bahn bewegt. Aufgrund der Trägheit seiner Masse wirkt die Kraft
nach außen hin entlang der Linie Bahnmittelpunkt - Körper.
Beispiel: Sie können sich vielleicht noch erinnern, wie Sie als Kind auf dem Spielplatz
auf einem dieser drehbaren Karussells standen.
Je schneller es sich dabei drehte, desto stärker mußten Sie sich festhalten, um nicht durch
die Zentrifugalkraft (nach außen) vom Karussell geworfen zu werden.
| Planeten unseres Sonnensystems |
Die Planeten unseres Sonnensystems in der Reihenfolge von innen nach außen:
| Planet | Masse [in Erdmassen] | Durchmesser [in Erddurchmessern] |
Entfernung zur Sonne [AE] | Monde | Besonderheiten |
| Merkur | 0,06 | 0,4 | 0,4 | 0 | |
| Venus | 0,8 | 0,9 | 0,7 | 0 | |
| Erde | 1 | 1 | 1 | 1 | |
| Mars | 0,1 | 0,5 | 1,5 | 2 | |
| Jupiter | 318 | 11,2 | 5,2 | 16 | großer, roter Fleck |
| Saturn | 95 | 9,5 | 9,5 | 23 | Ringsystem |
| Uranus | 14 | 3,7 | 19,2 | 15 | schwaches Ringsystem |
| Neptun | 17 | 3,9 | 30,1 | 3 | |
| Pluto | 0,002 | 0,2 | 39,7 | 1 | |
Anmerkungen: mit "Entfernung zur Sonne" ist die große Halbachse der elliptischen Bahnen der Planeten gemeint;
AE = astronomische Einheit = mittlere Entfernung Erde - Sonne = ca. 150 Millionen Kilometer
im Vergleich dazu die Sonne:
| | Masse [in Erdmassen] | Durchmesser [in Erddurchmessern] |
| Sonne | 333.000 | 109 |
Hinter einem Stern, also einer punktförmigen Lichtquelle am Nachthimmel, steckt immer eine Sonne.
Einzige Ausnahme ist die Venus, die als Morgen- oder Abend- "Stern" zu sehen ist.
Andere Objekte, wie die übrigen Planeten unseres Sonnensystems und erst recht Planeten in anderen
Sonnensystemen (Exoplaneten), sind mit bloßem Auge nicht zu sehen, da sie keine eigene Lichtquelle besitzen.
Sie werden lediglich von ihren eigenen Sonnen angestrahlt, das reflektierte Licht ist aber nur extrem schwach
im Vergleich zu der Strahlung einer Sonne.
Planeten anderer Sonnensysteme waren bislang auch mit den besten Teleskopen nicht zu erkennen. Möglicherweise
wurde aber im September 2004 erstmals ein (im Vergleich zur Erde großer) Planet auch optisch nachgewiesen.
Dabei handelt es sich um einen Gasriesen der fünffachen Masse des Jupiters, der den Stern mit der Bezeichnung
2M1207 umkreist.
Zur Entstehung einer Sonne aus einer großen Gas- und Staubwolke
wird es später im Themenbereich Astronomie einen eigenen Artikel geben.
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Gefahr durch Asteroiden
Die vier Kräfte des Universums
Tsunamis
Zuletzt aktualisiert am: 19.08.2007 | DHTML Menu by