Home About us Products Services Contact us Bookmark
:: wikimiki.org ::
Atomphysik

Atomphysik

Die Atomphysik beschreibt den Aufbau der Atom aus Atomkern und Elektronenhülle und die Wechselwirkung der Atome untereinander, mit Licht, elektrischen und Magnetfeldern. Sie untersucht die Verteilung der Elektronen auf die quantenmechanischen Energieniveaus und beschreibt damit die beobachteten Spektrallinien der Atome, den Aufbau des Periodensystems der Elemente und die Grundlagen für das Verständnis der chemischen Bindung. Häufig wird die Atomphysik mit der Kernphysik verwechselt, die sich mit der Struktur des Atomkerns beschäftigt. Die bekanntesten Beispiele hierfür sind die im Alltagssprachgebrauch üblichen Bezeichnungen Atomenergie, Atomkraftwerk und Atombombe. Die Idee, dass alle Materie aus kleinsten Teilchen, den Atomen, zusammengesetzt sei, ist bereits in der Naturphilosophie der Antike zu finden. Empirisch untermauert wurde sie aber erst im 19. Jahrhundert durch Untersuchungen von Dalton, Gay-Lussac und Boltzmann. Mit der Entwicklung der Spektroskopie kam die Frage nach einer inneren Struktur und Dynamik der Atome auf. Diese führte schließlich zur Entwicklung der Quantenmechanik, da die klassische Physik hier vollständig versagte. Die moderne Atomphysik beschäftigt sich unter anderem mit Präzisionsmessungen atomarer Energieniveaus, woraus sich Naturkonstanten mit hoher Genauigkeit bestimmen und fundamentale Theorien testen lassen. Durch Untersuchungen an exotischen Atomen lassen sich Fragestellungen der Kern- und Elementarteilchenphysik mit Methoden der Atomphysik angehen. Mit ultrakurzen Lichtpulsen versucht man die dynamischen Vorgänge in der Elektronenhülle direkt zu beobachten. In Ionenfallen können einzelne ionisierte Atome über lange Zeit gefangen und mit höchster Präzision untersucht werden. Die Entwicklung der Laserkühlung und der Magneto-optischen Falle haben Untersuchungen an ultrakalten Gasen und Bose-Einstein-Kondensaten, aber auch an extrem seltenen Isotopen möglich gemacht. Die Atomphysik hat eine Vielzahl von Anwendungen hervorgebracht, darunter den Laser oder die Atomuhr. Untersuchungsmethoden, die unsprünglich für atomphysikalische Experimente entwickelt wurden, haben heute einen weit darüber hinaus gehenden Anwendungsbereich gefunden, wie beispielsweise die Kernspinresonanz in der medizinischen Bildgebung, die Absorptions- und Emissionsspektroskopie in der chemischen Analytik, oder die Photoelektronenspektroskopie in der Materialwissenschaft.

Siehe auch


- Frühere Geschichte der Atom- und Kernphysik
- Portal:Physik
- Kernphysik
- Quantenmechanik
- Spektroskopie
- Elektronenhülle

Literatur


- Bröcker (Herausgeber), dtv-Atlas Atomphysik, ISBN 3-423-03009-7
- Haken, Wolf, Atom- und Quantenphysik., Springer-Lehrbuch, ISBN 3-540-67453-5

Weblinks


- [http://www.physik.uni-muenchen.de/leifiphysik/web_ph12/materialseiten/m10_atom.htm Versuche und Aufgaben zur Atomphysik] Kategorie:Physik Kategorie:Physikalische Chemie ja:原子物理学

Atom

en umkreisen einen Kern aus zwei Protonen und zwei Neutronen.]] Das Atom (von griechisch άτομος, átomos - unteilbar, [unteilbare] Person) ist der kleinste chemisch nicht weiter teilbare Baustein der Materie. Im Laufe der Wissenschaftsgeschichte wurden unterschiedliche Atommodelle vorgeschlagen. Atome sind elektrisch neutral, jedoch werden oft auch Ionen unter dem Begriff Atom gefasst. Atome bestehen aus einem Atomkern mit positiv geladenen Protonen und elektrisch neutralen Neutronen und einer Atomhülle aus negativ geladenen Elektronen. Atome gleicher Anzahl der Protonen, der Kernladungszahl, gehören zu demselben Element. Bei neutralen Atomen ist die Anzahl von Protonen und Elektronen gleich. Die physikalischen Eigenschaften der Atomhülle bestimmen das chemische Verhalten eines Atoms. Atome gleicher Kernladungszahl besitzen dieselbe Atomhülle und sind damit chemisch nicht unterscheidbar. Nahezu die gesamte von uns wahrnehmbare, unbelebte und belebte Materie in unserer irdischen Umgebung besteht aus Atomen oder Ionen. Kosmologisch betrachtet stellt diese Materieform jedoch nur einen gewissen Anteil neben Plasma, aus dem die Sterne bestehen, der Neutronenmaterie von Neutronensternen und evtl. einer noch hypothetischen Dunklen Materie bislang unbekannter Natur.

Aufbau

Dunklen Materie Ein Atom besteht aus einer Hülle und einem im Vergleich zu seinem Gesamtvolumen winzigen Kern. Die Atomhülle (Elektronenhülle) hat mit einem Radius von etwa 10-10 m einen ungefähr zehntausendfach größeren Radius als der Atomkern (r = 10-14 m). Zur Veranschaulichung: würde man ein Atom auf die Größe einer Kathedrale aufblähen, so entspräche der Kern der Größe einer Fliege (allerdings wäre eine solche Fliege vieltausendfach schwerer als die Kathedrale selbst). Der Atomkern nimmt nur etwa ein Billiardstel des Gesamtvolumens eines Atoms ein. Der Atomkern besteht aus den sogenannten Nukleonen, Protonen und – außer beim Wasserstoff-Isotop 11H – aus Neutronen. Die Atomhülle besteht aus Elektronen. Im Atomkern konzentriert sich fast die gesamte Masse des Atoms. Die Elektronen tragen eine negative elektrische Ladung und die Protonen eine positive, wodurch sie sich gegenseitig anziehen. Die Neutronen sind elektrisch neutral und haben eine geringfügig größere Masse als die Protonen.

Kenndaten

Atome sind in erster Näherung kugelförmig und haben eine Größe von 0,1 bis 0,5 nm, also 0,0000000001 m bis 0,0000000005 m. Innerhalb des Periodensystems nehmen die Atomradien von links nach rechts ab und von oben nach unten zu. Allerdings besteht kein linearer Zusammenhang zwischen der Protonenzahl (und damit der Ordnungszahl) und dem Atomradius. Ihre Masse beträgt abhängig von der Massenzahl zwischen 10-24 und 10-22 g. Siehe auch: Mol, Periodensystem Siehe auch: Atommodell

Kategorisierung und Ordnung

Die Anzahl der Protonen in einem Atom ist die Kernladungszahl oder auch Ordnungszahl (Stellung des Elements im Periodensystem der chemischen Elemente), die Summe der Protonen und Neutronen die Massenzahl. Atome mit der gleichen Anzahl an Protonen werden dem gleichen chemischen Element zugeordnet. Atome mit der gleichen Protonenzahl aber unterschiedlichen Neutronenzahlen nennt man Isotope, sie gehören dem gleichen chemischen Element an. Bei den meisten chemischen Reaktionen spielt die Anzahl der Neutronen keine Rolle. Wichtig ist die Anzahl der Neutronen im Bereich der Strahlungslehre. In der Kernphysik unterscheidet man Atomsorten nach der Zahl der Protonen und Neutronen, da diese eine unterschiedliche Radioaktivität aufweisen. Meist sind nur ein oder zwei Isotope eines Elements stabil, die anderen zerfallen radioaktiv. Von einigen Elementen gibt es auch überhaupt kein stabiles Isotop. Atom(kern)e mit untereinander gleicher Zahl an Protonen bzw. Neutronen bezeichnet man als Nuklide. Das kleinste Atom ist das Wasserstoffatom mit nur einem Proton im Atomkern. Eines der schwersten Atome ist das Uran-Atom mit 92 Protonen im Atomkern (siehe Periodensystem). Das schwerste Atom, dessen Herstellung in entsprechenden Experimenten bisher gelungen ist, ist das Ununoctium-Atom mit 118 Protonen im Atomkern (Stand Aug.2004). Es ist jedoch extrem kurzlebig.

Allgemeines

Die Chemie beschäftigt sich mit den Atomen und ihren Verbindungen, den Molekülen. Dies setzt auch genaue Kenntnisse über die Struktur der Atomhülle voraus. Die Physik beschäftigt sich unter anderem mit dem Aufbau der Atomhülle (Atomphysik), dem Aufbau der Atomkerne aus Elementarteilchen (Kernphysik) und weiter mit den Eigenschaften der Elementarteilchen (Elementarteilchenphysik).

Geschichte

Siehe auch: Atomismus und Atommodell Die Geschichte der Idee des Atoms beginnt im antiken Griechenland um 400 vor Christus.
- um 400 vor Christus - Demokrit und das Teilchenmodell ::Demokrit, ein altgriechischer Gelehrter, äußerte als erster die Vermutung, dass die Welt aus unteilbaren Teilchen - (griechisch a-tomos = unteilbar) Atomen - bestände. Daneben gäbe es nur leeren Raum. Alle Eigenschaften der Stoffe ließen sich, nach Meinung Demokrits, auf die Abstoßung und Anziehung dieser kleinen Teilchen erklären. Diese Idee wurde von den Zeitgenossen Demokrits abgelehnt, da man damals die Welt als etwas Göttliches ansah. Demokrits philosophischer Kontrahent war vor allem Empedokles, der die Lehre von den vier Elementen Feuer, Erde, Luft und Wasser begründete. Demokrits Vorschlag blieb fast 2 Jahrtausende unbeachtet.
- um 1400 - Die Alchemisten - Gold kann nicht hergestellt werden ::Auch wenn die Alchemisten in ihren Versuchen, aus niederen Stoffen (wie etwa Blei) Gold herzustellen, scheiterten, leisteten sie Vorarbeit für die spätere experimentelle Physik und Chemie.
- 1803 - John Dalton - Atomtheorie der Elemente ::Der englische Chemiker John Dalton griff als erster wieder die Idee von Demokrit auf. Aus konstanten Mengenverhältnissen bei chemischen Reaktionen schließt Dalton darauf, dass immer eine bestimmte Anzahl von Atomen miteinander reagiert.
- 1896 entdeckt Henri Becquerel die Radioaktivität, und stellt fest, dass sich Atome umwandeln können.
- 1897 - Joseph John Thomson - Entdeckung des Elektrons ::Bei einem Versuch mit Strom stellte der britische Physiker Thomson fest, dass Strahlen in Vakuumröhren aus kleinen Teilchen bestehen. Damit war ein erster Bestandteil der Atome gefunden, obwohl man von der Existenz der Atome immer noch nicht überzeugt war. Eine Besonderheit war die Entdeckung vor allem deshalb, weil man dachte, Strom wäre eine Flüssigkeit.
- 1898 - Marie und Pierre Curie - Radioaktivität ::Immer mehr Forscher beschäftigten sich mit den kleinsten Teilchen. Die Curies untersuchten unter anderem Uran, das sie aus Pechblende gewannen. Die Uran-Atome zerfallen unter Abgabe von Wärme und Strahlen, die man als Radioaktivität (von radius = Strahl) bezeichnet. Marie Curie erkannte, dass sich Elemente bei diesem Zerfall verwandeln. (Die Radioaktivität wurde 1896 von Henri Becquerel entdeckt.)
- 1900 - Ludwig Boltzmann - Atomtheorie ::Boltzmann war ein theoretischer Physiker, der die Ideen von Demokrit umsetzte. Er berechnete aus der Idee der Atom-Existenz einige Eigenschaften von Gasen und Kristallen. Da er allerdings keinen experimentelle Beweis lieferte, waren damals seine Ideen umstritten.
- 1900 - Max Planck - Quanten ::Der Berliner Physiker Planck untersuchte die Schwarzkörperstrahlung. Bei der theoretischen, thermodynamischen Begründung seiner Formel führte er die sog. Quanten ein und wurde somit zum Begründer der Quantenphysik.
- 1905 - Albert Einstein - Erklärung der Brownschen Bewegung ::In der dritten Arbeit des „annus mirabilis“ erklärte der Physiker Albert Einstein die Brownsche Bewegung mit Hilfe der Atomhypothese. Damit wurde zum ersten Mal ein beobachtbares physikalisches Phänomen direkt aus Boltzmanns Theorie hergeleitet.
- 1906 - Ernest Rutherford - Experimente ::Der Physiker Ernest Rutherford ging im Gegensatz zu Boltzmann und Planck experimentell auf die Suche nach den Atomen. 1906 entdeckte er mit dem rutherfordschen Experiment, dass Atome nicht massiv sind, ja sogar im Grunde fast gar keine Substanz besitzen. (Damit ist das Wort "Atom" für das, was es bezeichnet, im Grunde falsch. Es wurde aber beibehalten.) Aus dem Experiment leitete Rutherford bis 1911 die genaue Größe eines Atoms, also der Atomhülle und der Größe des Atomkerns ab. Ferner konnte er ermitteln, dass der Atomkern die positive Ladung, die Atomhülle eine entsprechende negative Ladung trägt. So entdeckte er das Proton.
- 1913 - Niels Bohr - Schalenmodell ::Aus dem rutherfordschem Atommodell entwickelte der dänische Physiker Niels Bohr ein planetenartiges Atommodell. Danach bewegen sich die Elektronen auf bestimmten Bahnen um den Kern, wie Planeten die Sonne umkreisen. Die Bahnen werden auch als Schalen bezeichnet. Das besondere daran war, dass die Abstände der Elektronen-Bahnen streng-mathematischen Gesetzmäßigkeiten folgen. Die Bahnen besitzen verschiedene Radien, und jede Bahn besitzt eine maximale Kapazität für Elektronen. Atome streben Bohr zufolge an, dass alle Bahnen komplett besetzt sind. Damit haben sich sowohl viele chemische Reaktionen erklären lassen als auch die Spektrallinien des Wasserstoffs. Da sich das Modell für komplexere Atome als unzureichend erwies, wurde es 1916 von Bohr und dem deutschen Physiker Arnold Sommerfeld insofern verbessert, als man nun für bestimmte Elektronen exzentrische, elliptische Bahnen annahm. Das bohr-sommerfeldsche Atommodell erklärt viele chemische und physikalische Eigenschaften von Atomen.
- 1929 - Erwin Schrödinger, Werner Heisenberg und andere - Das Orbitalmodell ::Aufbauend auf Schrödingers Wellenmechanik und Heisenbergs Matrizenmechanik wurde ein weiteres, bis heute modernes Atommodell entwickelt, das weitere Unklarheiten beseitigen konnte.
- 1929 - Ernest O. Lawrence - Der erste Teilchenbeschleuniger, das Zyklotron ::Um Informationen über den Aufbau der Atomkerne zu bekommen, wurden die Kerne mit Strahlen beschossen. Um nicht auf die schwache natürliche Strahlung angewiesen zu sein, entwickelte Lawrence das Zyklotron. Geladene Teilchen wurden auf kreisförmigen Bahnen beschleunigt.
- 1932 - Paul Dirac und David Anderson - Antimaterie ::Der theoretische Physiker Paul Dirac fand eine Formel, mit der sich die Beobachtungen der Atomphysik beschreiben lassen. Allerdings setzte diese Formel die Existenz von Anti-Teilchen voraus. Diese Idee stieß auf heftige Kritik, bis der amerikanische Physiker Anderson in der kosmischen Strahlung das Positron nachweisen konnte. Dieses Anti-Teilchen zum Elektron hat eine positiver Ladung aber die gleiche Masse wie ein Elektron. Treffen ein Teilchen und sein Anti-Teilchen zusammen, zerstrahlen sie sofort als Energie gemäß der Formel E = m
- c2. 1932 wurde dann noch das Neutron von dem englischen Physiker James Chadwick entdeckt.
- 1933 - Irène und Frédéric Joliot-Curie - Materie aus dem Nichts ::Eher zufällig beobachten die Eheleute Curie, dass sich nicht nur Masse in Energie umwandeln lässt. In einem Experiment verwandelte sich ein Lichtstrahl in ein Elektron und ein Positron (vgl. Paarbildung).
- 1938 - Otto Hahn und Lise Meitner - Die erste Kernspaltung ::Der deutsche Chemiker Hahn, ein Schüler Rutherfords, untersuchte weiter die Atomkerne. Dazu beschoß er Uran-Atome mit Neutronen und erhielt Cäsium und Rubidium oder Strontium und Xenon. Was eigentlich passierte, konnte er nicht erklären. Dies gelang jedoch seiner Mitarbeiterin Lise Meitner, die aufgrund ihrer jüdischen Religion vor den Nazis nach Schweden geflohen war. Sie stellte fest, dass die Summe der Kernteilchen (Protonen und Neutronen) bei den Produkten der des Urans entspricht. Hahn erhielt dafür den Nobelpreis, erwähnte seine Mitarbeiterin aber mit keinem Wort.
- 1938 - Hans Bethe - Kernfusion in der Sonne ::Neben zahlreichen Beiträgen zum Aufbau der Atome erforschte der in Straßburg geborene Bethe die Energieproduktion in Sternen. Er stellte fest, dass in unserer Sonne zwei Wasserstoff-Atomkerne miteinander verschmelzen, während in größeren und helleren Sternen Kohlenstoff-Kerne in die schwereren Stickstoff-Kerne verwandelt werden. Bethe arbeitete auch in Los Alamos mit, wurde aber nach dem Krieg ein engagierter Gegner von Massenvernichtungswaffen.
- 1942 - Enrico Fermi - Der erste Kernreaktor ::Der italienische Physiker Fermi erkannte die Möglichkeit, die Kernspaltung für eine Kettenreaktion zu nutzen. Die bei der Spaltung von Uran freiwerdenden Neutronen, konnten für die Spaltung weiterer Kerne verwendet werden. Damit legte Fermi die Grundlagen sowohl für die kriegerische Nutzung der Kernenergie in Atombomben, als auch friedliche Nutzung in Kernreaktoren. Fermi baute den ersten funktionierenden Kernreaktor.
- 1942 - Werner Heisenberg - Atomforschung für die Nazis ::Die Nazis beauftragten den Physiker Heisenberg, eine Atombombe zu entwickeln. Durch einen Rechenfehler misslang ihm dies aber. Bei der Berechnung der kritischen Masse verrechnete er sich um den Faktor 1000.
- 1942 - Albert Einstein und Leo Szilard - Roosevelt soll die Atombombe bauen ::Eigentlich hat Einstein selber nicht zum Bau der Atombombe beigetragen. Er unterstützte aber einen Brief an den amerikanischen Präsidenten Roosevelt, dass die Atombombe unbedingt vor den Nazis entwickelt werden solle. Auch der ungarische Universalgelehrte Szilard erkannte die Gefahr, die von einer deutschen Atombombe ausging. Er lieferte zwar wichtige Ideen für den Bau der Atombombe, war aber an deren Entwicklung in Los Alamos nicht beteiligt. Auch später warnte Szilard noch vor dem Gebrauch der Atombombe.
- 1945 - J. Robert Oppenheimer - Die erste Atombombe ::Oppenheimer war der Organisator, der in Los Alamos die besten Physiker und Ingenieure versammelte. So gelang es innerhalb kürzester Zeit der Bau einer Atombombe, das Manhattan-Projekt. Nach dem Einsatz der Atombombe in Hiroshima wurde Oppenheimer zum Gegner von Atombomben.
- 1951 - Erwin Müler – das Feldionenmikroskop ::Müller gelingt mit der Konstruktion eines Feldionenmikroskopes erstmals die direkte Abbildung von Atomen auf einer Wolfram-Spitze.
- 1952 - Edward Teller - Die Wasserstoffbombe ::Der ungarische Physiker Teller war Mitarbeiter von Oppenheimer. Allerdings hatte er eine weitergehende Idee. Er wollte eine Bombe auf der Basis der Kernfusion bauen, die Bethe in der Sonne nachgewiesen hat. Aus Angst vor dem Kommunismus wurde Teller zu einem Rüstungsfanatiker und entwickelte die Wasserstoffbombe.
- 1960 - Donald A. Glaser - Die Blasenkammer ::Nach dem Ende des zweiten Weltkrieges konzentrierte sich die Forschung auf den Aufbau der Elementarteilchen. Mit der Entwicklung der Blasenkammer hatte man nun eine Möglichkeit, die kleinsten Teilchen, die in Teilchenbeschleunigern entstanden, zu "sehen".
- 1964 - Murray Gell-Mann - Die Quarks ::Mit Hilfe der Blasenkammer konnte auf einmal eine riesige Anzahl an bisher unsichtbaren Teilchen sichtbar gemacht werden, die Widersprüche zu der bisherigen Physik darstellte. Um dies zu erklären, postulierte der Physiker Gell-Mann Grundbausteine, aus denen die Kernbausteine aufgebaut sein sollen. Mittlerweile gibt es sehr viele Indizien für die Existenz der Quarks, auch wenn sie einzeln nicht zu beobachten sind.
- 1978 - Der Fusionreaktor ::Um die riesigen Mengen an Energie zu nutzen, die bei einer Kernverschmelzung (Kernfusion) frei werden, versuchte man, die Fusionsenergie gezielt zu nutzen. Die Kernverschmelzung (Kernfusion) gelang erstmals mit Teilchenbeschleunigern. Derzeit laufen Versuche, Kernfusionsreaktoren herzustellen, bislang konnte aber nur für sehr kurze Zeit mehr Energie gewonnen werden, als in den Prozess hineingesteckt wurde
- 1995 - Eric Cornell, Wolfgang Ketterle und Carl Wiemann - Das Bose-Einstein-Kondensat ::In einem ultrakalten Gas aus Rubidium-Atomen wird erstmals ein Bose-Einstein-Kondensat hergestellt, ein bereits von Einstein vorhergesagter Zustand der Materie.
- 2000 - CERN - Das Higgs-Boson ::Das Kernforschunngszentrum CERN in Genf forscht in ihrem Beschleuniger nach dem Higgs-Boson, das als Erlöser-Teilchen bezeichnet wird und dessen Existenz die bestehenden Theorien zur Elementarteilchenphysik bestätigen soll. Bisher gibt es keine eindeutigen experimentellen Belege für die Existenz des Higgs-Bosons.
- 2002 - Brookhaven - seltsame Materie ::Im Schwerionenbeschleunigerring RHIC im amerikanischen Brookhaven prallen Goldionen hoher Energie aufeinander. Dabei sollen sie für extrem kurze Zeit und in einem sehr kleinen Raumbereich ein Quark-Gluonen-Plasma erzeugen. Dies ist ein Zustand der Materie, der heute in der Natur nicht mehr vorkommt, aber vermutlich unmittelbar nach dem Urknall existierte.

Zitate


- Nur scheinbar hat ein Ding eine Farbe, nur scheinbar ist es süß oder bitter; in Wirklichkeit gibt es nur Atome und den leeren Raum. – Demokrit (5. Jh. v. Chr.)
- Richard Feynman hat einmal gesagt, müsste er das wichtigste Ergebnis der modernen Naturwissenschaft in einem Satz zum Ausdruck bringen, entschiede er sich für: "Die Welt besteht aus Atomen." – Brian Greene (Der Stoff, aus dem der Kosmos ist, ISBN 388680738X, S. 255)

Literatur


- Bernhard Bröcker u.a.: dtv Atlas Atomphysik: Tafeln und Texte. 6. Aufl. 1997. ISBN 3-423-03009-7.

Siehe auch


- Atomabsorption
- Atombombe
- Atomkraft
- Atomwaffe
- Atomgewicht
- Elementarteilchen
- Heisenbergsche Unschärferelation
- Kernmodell
- Kernreaktionen
- Liste von Mineralen
- Molekül
- Nebelkammer
- Quantenmechanik
- Quantenphysik
- Strahlenschutz
- Superatome
- Teilchenbeschleuniger
- Teilchendetektor
- Teilchenquelle
- Wechselwirkung

Weblinks

Animationen


- Animationen der Atome aller Elemente: http://www.physik.rwth-aachen.de/~harm/aixphysik/atom/Periodic/index.html
- Animation eines Heliumatoms: http://www.purchon.com/chemistry/helium.htm

Sonstiges


- [http://www.pm-magazin.de/de/wissensnews/wn_id878.htm "Kraftmikroskopie zeigt einzelne Atome"] von Peter Rösch (P.M.)
- [http://www.chemieseite.de/allgemein/node4.php Übersicht über die verschiedenen Atommodelle] Kategorie:Atomphysik ja:原子 ko:원자 ms:Atom simple:Atom th:อะตอม

Atomkern

Der Atomkern bildet, wie der Name schon sagt, den Kern des Atoms. Kenntnisse über die Eigenschaften von Atomkernen sind zum Verständnis der Radioaktivität sowie der Kernspaltung (Kernkraftwerk, Atombombe) und der Kernfusion (Wasserstoffbombe) notwendig. Von dem lateinischen Wort für Kern (nucleus) leitet sich der Begriff nuklear ab, der die Eigenschaften bezeichnet, die
- einen Kern betreffen, insbesondere einen Atomkern
- eine Wirkung radioaktiver Erscheinungen oder Gegenstände betrifft, beispielsweise nukleare Strahlung, nuklearer Reaktor, nuklearer Abfall, nukleare Bombe, nukleare Granate.

Aufbau des Atomkerns

Er besteht aus Protonen und Neutronen die zusammen auch Nukleonen genannt werden. Er befindet sich, anschaulich gesprochen, im Zentrum des Atoms und konzentriert in sich mehr als 99,9% der Masse des gesamten Atoms. der Atomkern ist jedoch 100.000mal kleiner als die Elektronenhülle des Atoms. Neutronen besitzen keine elektrische Ladung. Protonen sind jedoch positiv geladen. Infolgedessen ist der Atomkern elektrisch positiv geladen und kann über die Coulombkraft negativ geladene Elektronen an sich binden. Da die elektrische Ladung des Elektrons bis auf das Vorzeichen gleich der Ladung des Protons ist, muss ein nach außen hin elektrisch neutrales Atom ebenso viele Elektronen in der so genannten Elektronenhülle besitzen, wie Protonen im Kern. Atome mit einer unterschiedlichen Anzahl von Protonen und Elektronen sind nach außen hin elektrisch geladen und werden Ionen genannt. Die positiv geladenen Protonen im Kern stoßen sich gegenseitig aufgrund der Coulombkraft ab. Da der Atomkern jedoch trotzdem nicht auseinander fliegt, muss im Kern eine weitere Kraft existieren, durch die sich die Nukleonen gegenseitig anziehen und die stärker ist als die Coulombkraft. Diese Kraft wird auch als Starke Wechselwirkung-Kernkraft bezeichnet. Die elementaren Kräfte, die zur Anziehung zwischen den Nukleonen führen, sind sehr kompliziert und bis heute nur näherungsweise beschrieben. Ihre Aufklärung ist unter anderem Gegenstand der Kernphysik.

Kernmodelle

Im Vergleich zur Atomphysik mit dem quantenmechanischen Atommodell, wo lediglich die elektromagnetische Wechselwirkung eine Rolle spielt, existiert in der Kernphysik kein Modell zur umfassenden Beschreibung aller Vorgänge im Atomkern. So gibt es verschiedene Modelle für unterschiedliche Fragestellungen. Ähnlich dem Schalenmodell in der Atomphysik gibt es auch in der Kernphysik ein Schalenmodell, das es erlaubt, die Energiezustände eines einzelnen Nukleons trotz fehlendem Zentralpotenzial in einem mittleren Potenzial zu berechnen. Die meisten angeregten Zustände eines Atomkerns können jedoch nur durch die kollektive Anregung mehrerer Nukleonen erklärt werden. Für die Beschreibung solcher Zustände kann man das kollektive Modell heranziehen. Die Eigenschaften von großen Atomkernen werden durch ein vibrierendes Tröpfchenmodell beschrieben.
- Das Tröpfchenmodell (Niels Bohr 1936) beschreibt den Atomkern als Tröpfchen einer geladenen Flüssigkeit. Mit diesem klassischen Modell kann etwa die Kernspaltung gut erklärt werden (Bohr und John Archibald Wheeler 1939).
- Das Schalenmodell (Eugene Paul Wigner, Maria Goeppert-Mayer, J. Hans D. Jensen 1949) führt den Aufbau der Atomkerne auf quantenmechanische Gesetzmäßigkeiten (Pauli-Prinzip) zurück. Die Wechselwirkung zwischen den Kernbausteinen, den Nukleonen (Protonen, Neutronen) wird dabei mit berücksichtigt. Das Schalenmodell kann die Stabilität mancher Kerne erklären. Neben diesen beiden gängigen Modellen gibt es weitere (das folgende orientiert sich stark an Flügge 1957):
- das Fermi Gas Modell (auch uniformes Modell). In diesem Modell werden die Nukleonen trotz der starken Wechselwirkungen als frei beweglich postuliert. Der Nukleus hat in diesem Modell unendliche Ausdehnung, womit die Wellenfunktionen der einzelnen Nukleonen flache Wellen sind;
- das optische Modell (auch complex potenzial well model oder cloudy crystal ball model) erlaubt die quantenmechanische Betrachtung von Kernreaktionen, indem der Nukleus als lichtbrechendes Medium vorgestellt wird;
- das alpha-Teilchen-Modell. Alpha Teilchen sind stabile Untereinheiten innerhalb des Kerns;
- das vereinte Modell (mit dem kollektiven Modell als Spielart).
- das potenzial well model;
- das compound nucleus model; Modelle des Atomkerns fallen in zwei Kategorien:
- starke Wechselwirkungsmodelle: der Atomkern wird als Ansammlung von eng gepaarten Nukleonen verstanden (Tröpfchenmodell, alpha-Teilchen Modell und partiell auch das optische Modell, compound well model);
- unabhängige Teilchenmodelle: die Nukelonen bewegen sich relativ frei im Kern (Fermi Gas Modell, optisches Modell, Schalenmodell, potenzial well model). Zwischen den einzelnen Modellen lassen sich folgende Beziehungen aufstellen: # Das Schalenmodell ist eine Verfeinerung des Fermi Gas Modells; # Das Fermi Gas Modell und das Tröpfchenmodell basieren auf diametral entgegengesetzten Annahmen, erklären jedoch beide nukleare Eigenschaften wie die Bindungsenergien; # Das optische Modell ist ein Hybrid zwischen potenzial well und compound nucleus model; # Schalenmodell und vereintes Modell sind äquivalent. Jedes der genannten Modelle ist nur für einen bestimmten nuklearen Phänomenbereich anwendbar. Es gibt keine konsistente Theorie, die alle nuklearen Phänomene umfasst.

Literatur


- T. Mayer-Kuckuck, Kernphysik, Verlag: B.G. Teubner Stuttgart, 1994, 6. durchgesehene Auflage, ISBN 3-519-03223-6
- B. Povh, K. Rith, C. Scholz, F. Zetsche, Teilchen und Kerne, Springer-Verlag Heidelberg, 1994, 2. neu bearbeitete und erweiterete Auflage, ISBN 3-540-58172-3
- S. Flügge (Hersg.), Handbuch der Physik, Band XXXIX: Bau der Atomkerne, Göttingen: Springer-Verlag, 1957.

Siehe auch


- Atommodell
- Atom
- Atomphysik

Videos


- Real Video: [http://www.br-online.de/cgi-bin/ravi?v=alpha/centauri/v/&f=010318.rm&g2=1 Was ist ein Atomkern?] (Aus der Fernsehsendung Alpha Centauri)

Weblinks


- [http://www.physik.uni-muenchen.de/leifiphysik/web_ph12/grundwissen/11kernmodelle/kernmodelle.htm animierte Seite der LMU München zu Kernmodellen (Potenzialtopf~, Tröpfchen~) ]
- [http://atom.kaeri.re.kr/ton/index.html umfangreiche Nuklidkarte] Kategorie:Kernphysik Kategorie:Atomphysik ja:原子核 ko:원자핵

Elektrisches Feld

Das elektrische Feld ist eine Eigenschaft des Raumes, die jedem Raumpunkt die richtungsabhängige Größe der elektrischen Feldstärke E zuordnet. Diese ist folgendermaßen definiert: Wird im Raum an einem Punkt r = (x,y,z) eine Probeladung der Größe q platziert, so ist die Feldstärke an diesem Ort genau dann E, wenn auf die Probeladung die Kraft F = E\cdotq wirkt. Die Einheit von E in SI-Einheiten ist demnach gegeben durch Newton/Coulomb = N/C, dies ist äquivalent zu Volt pro Meter, V/m. Das elektrische Feld ist ein Vektorfeld, d.h. an jedem Raumpunkt ist es vollständig durch die Größe und die Richtung des Vektors der elektrischen Feldstärke beschrieben. Elektrische Felder entstehen z.B. durch das Vorhandensein von elektrischen Ladungen im Raum oder bei der Fortpflanzung von Licht oder anderen elektromagnetischen Wellen. Das elektrische Feld in allgemeiner Form ist sowohl orts- als auch zeitabhängig, E = E(r,t). Es ist über die Maxwellschen Gleichungen und die spezielle Relativitätstheorie eng mit dem magnetischen Feld verknüpft. In der speziellen Relativitätstheorie werden seine Vektorkomponenten daher untrennbar mit denen des magnetischen Feldes zu einem Tensor zusammengefasst. Je nachdem in welchem Bezugssystem man sich als Beobachter befindet (d.h. in welcher relativen Bewegung zu eventuell vorhandenen Raumladungen), wird so über die Lorentztransformation das elektrische Feld in ein magnetisches transformiert und umgekehrt. Aufgrund der engen Beziehung zwischen elektrischem und magnetischem Feld fasst man beide in der Elektrodynamik zum elektromagnetischen Feld zusammen. Siehe auch: Feld (Physik), Elektrostatik, Elektrodynamik Kategorie:Theoretische Physik Kategorie:Elektrodynamik Kategorie:Elektrotechnik ja:電場 ko:전기장 th:สนามไฟฟ้า

Magnetfeld

Magnetismus ist ein fundamentales physikalisches Phänomen, das sich als anziehende und abstoßende Kraft zwischen Magneten, magnetisierbaren Gegenständen und stromdurchflossenen Leitern äußert. Alle Erscheinungsformen von Magnetismus können letztlich auf die Bewegung von elektrischen Ladungen oder den Spin von Elementarteilchen zurückgeführt werden. Der Magnetismus gehört zum Elektromagnetismus, welche eine der vier Grundkräfte der Physik ist. :Dieser Artikel erklärt derzeit (per Weiterleitung) auch die Begriffe Magnetfeld, Magnetisierung. Ergänzende Informationen finden sich im Artikel Magnet. Der Elektromagnetismus wird derzeit im Artikel Elektrodynamik abgehandelt.

Überblick

Magnetismus als fundamentale Naturkraft

Magnetismus ist zu unterscheiden von anderen Naturkräften wie der Massenanziehung (Gravitation) und der Anziehung oder Abstoßung zwischen elektrisch geladenen Körpern (Elektrostatik). Während die Gravitation zwischen allen (massebehafteten) Körpern und die elektrische Anziehung oder Abstoßung zwischen allen geladenen Körpern wirkt, ist der Magnetismus in der Hauptsache auf einige wenige Materialien, wie insbesondere Eisen, Kobalt und Nickel, beschränkt (Ferromagnetismus); der schwache Magnetismus der meisten übrigen Materialien (Diamagnetismus, Paramagnetismus) ist nur mit empfindlichen Messgeräten nachweisbar. Neben dem statischen Magnetismus aufgrund von Materialeigenschaften gibt es auch die dynamischen magnetischen Effekte (Elektrodynamik) im (Induktionsfeld) oder (Nahfeld) stromdurchflossener Leiter oder im (Strahlungsfeld) oder (Fernfeld) elektrischer Antennen. Dabei treten elektrische und magnetische Wechselfelder immer gleichzeitig auf. Ein tieferer Unterschied zwischen der Gravitation auf der einen Seite und den elektrischen und magnetischen Kräften auf der anderen Seite besteht darin, dass sich Massen stets gegenseitig anziehen, wohingegen sich elektrische Ladungen und magnetische Pole sowohl anziehen als auch abstoßen können, was man durch ein Vorzeichen zum Ausdruck bringt (positive und negative Ladungen; magnetischer Süd- und Nordpol). Der grundlegende Unterschied zwischen elektrischen und magnetischen Kräften besteht darin, dass man elektrische Ladungen räumlich trennen kann (Monopole als Quellen und Senken von Feldlinien), wohingegen auch der kleinste Magnet stets zwei Pole aufweist (Dipol).

Magnetismus als Fernwirkung

Magnetismus ist eine Wechselwirkung zwischen räumlich getrennten Körpern, also eine Fernwirkung. In der physikalischen Theorie arbeitet man mit der Vorstellung, dass Fernwirkungen über Felder vermittelt werden. Felder Felder Richtung und Stärke magnetischer Kräfte kann man durch Feldlinien anschaulich darstellen. Ein Magnet ruft ein magnetisches Feld (=Magnetfeld) hervor und wird von diesem durchströmt; seine Pole sind die Oberflächenbereiche, in denen der überwiegende Teil des Magnetfeldes ein- beziehungsweise austritt. Die Berechnung von Feldlinien in der Umgebung eines Magneten ist Aufgabe der Magnetostatik. Außer durch magnetische Materialien werden Magnetfelder durch elektrische Ströme verursacht; umgekehrt erfahren stromdurchflossene Leiter im Magnetfeld Kräfte. Dieser Elektromagnetismus wird unter anderem in Elektromagneten, Transformatoren, Motoren, Generatoren sowie bei der Datenspeicherung technisch ausgenutzt. Darüberhinaus können sich oszillierende elektromagnetische Felder von Materie ablösen und als Wellen im Raum ausbreiten: Zu diesen elektromagnetischen Wellen zählen Rundfunksignale, Mikrowellen, UV- und Röntgenstrahlung ebenso wie sichtbares Licht.

Magnetfelder

Feldlinien

Magnetische Feldlinien können durch die Ausrichtung von Eisenfeilspänen sichtbar gemacht werden; für dreidimensionale Demonstrationen kann man die Eisenfeilspäne zum Beispiel in Silikonöl suspendieren. suspendieren In der Elektrostatik verlaufen Feldlinien von positiven zu negativen Ladungen. In der Magnetostatik hingegen gibt es keine Ladungen (magnetische Monopole sind mathematisch denkbar; alle experimentellen Tatsachen sprechen aber gegen ihre Existenz). Somit ist das Magnetfeld «quellenfrei»; magnetische Feldlinien haben keinen Anfang und kein Ende, sondern verlaufen als geschlossene Bahnen. Die Richtung der Feldlinien stimmt in jedem Punkt mit der Richtung des Magnetfeldes überein. Der Abstand zwischen benachbarten Feldlinien ist ein Anhaltspunkt für die Stärke des Magnetfeldes: je dichter die Feldlinien, desto stärker das Feld.

Magnetische Kraftwirkung

In der Elektrostatik ist die Wirkung des Feldes leicht zu verstehen: eine positive Probeladung (eine sehr kleine Ladung, die die Wirkung eines Feldes erfährt, ohne dieses selbst nennenswert zu verändern) wird in Richtung der Feldlinie beschleunigt, unabhängig davon, ob die Probeladung vorher in Ruhe war oder nicht. Das magnetische Feld hingegen wirkt nicht auf ruhende, sondern nur auf bewegte Ladungen (Lorentzkraft) oder auf Magnete und magnetisierbare Körper. Im einfachsten Fall kann man diese Probekörper als Dipole beschreiben (siehe magnetischer Dipol). Das Magnetfeld übt auf den Probekörper ein Drehmoment aus und richtet ihn parallel zu den Feldlinien aus. Dieser Effekt wird zum Beispiel beim magnetischen Kompass ausgenutzt, in dem sich die Kompassnadel, ein magnetischer Dipol, nach dem Erdmagnetfeld ausrichtet. Die Anziehung zwischen zwei Stabmagneten ist hingegen ein komplizierterer Effekt, der durch den Gradienten des Magnetfeldes verursacht wird: zwei entgegengesetzte Pole ziehen sich an, weil in ihrer Nähe die Feldlinien dichter sind als an den entgegengesetzten Polen.

Größen und Einheiten

Die Stärke eines Magnetfeldes kann durch zwei verschiedene physikalische Größen ausgedrückt werden, die magnetische Feldstärke (Einheit: A/m) und die magnetische Flussdichte (Einheit Tesla). Während die magnetische Feldstärke bei Berechnungen mit elektrischen Strömen von Vorteil ist, verwendet man die magnetische Flussdichte zum Berechnen von induzierten Spannungen oder der Lorentzkraft. Die beiden Feldgrößen sind über einen materialabhängigen Umrechnungsfaktor, der Permeabilität genannt wird, miteinander verknüpft. Im Vakuum ist dies eine Konstante, die sich aus der Wahl des Einheitensystems ergibt.

Elektromagnetismus

Magnetische Kräfte werden durch die Bewegung elektrischer Ladungen erzeugt. Die Geschwindigkeit (in Betrag und Richtung), sowie die Größe (Betrag und Vorzeichen) der bewegten Ladungen bestimmen die Stärke und Richtung der magnetischen Kräfte. Für eine abstraktere Darstellung des Elektromagnetismus siehe den Artikel Elektrodynamik. Elektrodynamik Eine konstante Bewegung von Ladungsträgern bewirkt ein magnetisches Feld, das folgenden Regeln folgt:
- Für einen elektrischen Strom, der durch einen Draht fließt, lässt sich die Richtung des Magnetfelds mit Hilfe der Rechte-Hand-Regel bestimmen: Der Leiter wird so umfasst, dass der abgespreizte Daumen die konventionelle/technische Stromrichtung (entgegen dem Elektronenfluss) anzeigt, dann zeigen die Finger die Richtung des entstehenden Magnetfeldes an.
- Für einen Kreisstrom gilt: Wenn die Finger der rechten Hand in Richtung des Elektronenflusses gekrümmt sind, zeigt der Daumen in Richtung des magnetischen Nordpols.
- Eine andere Regel hierzu ist die so genannte Rechtsschraubenregel.
- Messung von magnetischen Feldern ist u.a. mit Hallsonden möglich. In elektrischen Leitern, die sich durch ein magnetisches Feld bewegen, wird eine Spannung und gegebenenfalls ein Stromfluss induziert. Zeitlich veränderliche Bewegung von Ladungsträgern resultiert in einer differenzialen Veränderung im elektrostatischen und magnetischen Feld ihrer Umgebung. Man spricht von elektromagnetischen Wellen wenn die Frequenz der Veränderung sich in gegebenen Medien ausbreitet. Licht (egal ob sichtbar oder unsichtbar) und Rundfunk sind die bekanntesten Formen dieses Prinzipes. Aber auch in der Metallverarbeitung (Induktionsöfen) und zum Erhitzen von sogar nichtleitenden Substanzen kommt diese Form des Elektromagnetismus zur Anwendung (Mikrowellenherd).

Magnetismus in Materie

Der Magnetismus von Festkörpern hat seinen Ursprung im Magnetismus der Atome/Ionen und Elektronen, aus denen er aufgebaut ist. Im engeren Sinne spricht man nur dann von einem magnetischen Material, wenn die elementaren magnetischen Momente so ausgerichtet sind, dass sie sich zumindest nicht vollständig gegenseitig kompensieren, der Stoff also eine makroskopische Magnetisierung aufweist. Bekannte Beispiele sind die ferromagnetischen Metalle Nickel und Kobalt oder auch das Mineral Magnetit. Aber auch wenn ein Stoff keine makroskopische Magnetisierung aufweist, kann er von Magnetfeldern beeinflusst werden; solche Effekte sind in der Regel jedoch viel zu schwach, um sie im Alltag beobachten zu können. Die Magnetochemie, ein Teilbereich der Physikalischen Chemie untersucht die magnetischen Eigenschaften von Substanzen.

Magnetisches Moment von Elementarteilchen

Elementarteilchen besitzen ein jeweils charakteristisches Magnetisches Moment \mu.

Magnetisches Moment von Atomen

Das magnetische Moment eines Atoms setzt sich zusammen aus dem Beitrag der Elektronenhülle (Hüllenmoment), und dem im allgemeinen viel schwächeren Kernbeitrag (Kernmoment). Zum Hüllenmoment tragen das Bahnmoment, das mit dem Bahndrehimpuls der Elektronen verknüpft ist, und das durch den Elektronenspin bestimmte Spinmoment bei. Die Summe der magnetischen Momente der Elektronen einer voll gefüllten (Sub-)Schale ergibt jeweils null, sodass Atome, die keine teilgefüllten Schalen besitzen, kein permanentes Hüllenmoment aufweisen. Im äußeren Magnetfeld wird jedoch ein magnetisches Moment induziert, das seiner Entstehung entgegenwirkt (abstoßende Kraft im inhomogenen Magnetfeld). Atome mit dieser Eigenschaft nennt man diamagnetisch. Atome mit teilgefüllten Schalen weisen hingegen ein permanentes Hüllenmoment auf. Solche Atome heißen paramagnetisch. Auch wenn das Kernmoment sehr klein ist, lässt es sich nicht nur nachweisen (NMR, "Nuclear Magnetic Resonance" = Kernmagnetische Resonanz), sondern auch praktisch anwenden (z.B. Kernspintomografie).

Magnetismus von Festkörpern

Beim Magnetismus von Festkörpern handelt es sich um ein kooperatives Phänomen. Selbst wenn die Bausteine (Atome, Ionen, quasifreie Elektronen), aus denen der Festkörper aufgebaut ist, nichtverschwindende magnetische Momente tragen, weisen nur wenige Materialien eine makroskopische Magnetisierung auf. In der Regel sind die elementaren magnetischen Momente so ausgerichtet, dass sie sich gegenseitig kompensieren. Der Grund dafür ist, dass die Valenzelektronen, die die magnetischen Eigenschaften der Atome bestimmen, nun zur chemischen Bindung beitragen. Bei der Verteilung der Elektronen auf die neuen Bindungszustände wird die gegenseitige Orientierung der Elektronen durch die Austauschwechselwirkung bestimmt. Diese ist in der Regel für eine parallele Ausrichtung der magnetischen Momente energetisch ungünstig. Eine Ausnahme davon stellen z.B. die Übergangsmetalle Eisen, Nickel und Kobalt dar. Solche Stoffe nennt man ferromagnetisch (von lat. ferrum, Eisen). Ab einer bestimmten Temperatur, der sog. Curie-Temperatur (nach Pierre Curie und Marie Curie, Nobelpreis Physik 1903), überwiegt die thermische Energie die Energie der Austauschwechselwirkung, und die ferromagnetische Ordnung wird aufgebrochen. Der Festkörper geht dann in die paramagnetische Phase über. Zu Domänen im Ferromagneten siehe auch Ferromagnetismus. Die ferromagnetische Ordnung ist ein Spezialfall der magnetischen Ordnung. Neben dem ungeordneten Zustand gibt es noch andere Formen der magnetischen Ordnung, darunter Antiferromagnetismus und Spindichtewellen. Eine graphische Darstellung des Austauschintegrals ist durch die Bethe-Slater-Kurve gegeben. In dieser graphischen Darstellung kann man erkennen, welche Stoffe ferromagnetisch, antiferromagnetisch oder paramagnetisch sind.

Magnetismus in der Biologie

Magnetische Wechselfelder können über Induktion elektrische Ströme im Gewebe auslösen und können so einen (schwachen) Einfluß auf das Nervensystem haben. Beispielsweise sind bei entsprechenden Feldern sogenannte Magnetophosphene, gemeint sind optische Sinneswahrnehmungen, zu beobachten. Auch der motorische Cortex (Großhirn) kann derartig mit Hilfe der Transkraniellen Magnetstimulation (TMS) stimuliert werden, daß es zu unwillkürlichen Muskelkontraktionen kommt. Des weiteren ist seit langem bekannt, daß magnetische Wechselfelder die Sekretion von Hormonen (Beispiel Melatonin) beeinflussen können. Hier fehlt z.B. ein Verweis auf die Orientierung von Vögeln mittels des Erdmagnetfelds. Siehe dazu den Artikel Erdmagnetfeld Der Arzt Franz Anton Mesmer entwickelte eine Theorie, die 1784 von der französischen Akademie der Wissenschaften geprüft und verworfen wurde, nach der ein Fluid, das Mesmer als Magnetismus animalis bezeichnete, von Mensch zu Mensch übertragbar sei und bei der Hypnose und bestimmten Heilverfahren (Mesmersche Streichungen) eine Rolle spielen sollte.

Magnetismus als Metapher

Umgangssprachlich wird der Begriff Magnetismus auch für menschliche Verhaltensweisen gebraucht. Man spricht davon, dass jemand von einer Person oder Sache magnetisch angezogen wird. Ein "Zuschauermagnet" ist eine Sache, bei der die Leute stehen bleiben und sie sich ansehen. Wenn jemand eine Person liebt und immer zu ihr hin will, sagt man auch: "Sie/Er zieht ihn/sie magnetisch an".

Siehe auch


- Durchflutung
- Johann Ulrich Wirth
- Elementarmagnet

Weblinks


- [http://www.mineralienatlas.de/phpwiki/index.php/Magnetismus Mineralienatlas (Magnetismus)]
- [http://www.physik.uni-muenchen.de/leifiphysik/web_ph07_g8/materialseiten/05_magnetismus.htm Versuche und Aufgaben zum Magnetismus]
- [http://www.physik.uni-muenchen.de/leifiphysik/web_ph12/materialseiten/m02_magnetik.htm Versuche und Aufgaben zum Magnetfeld] Kategorie:Theoretische Elektrotechnik Kategorie:Mineralogie Kategorie:Physik Kategorie:Magnetismus ja:磁性

Spektrallinie

Als Spektrallinien bezeichnet man voneinander scharf getrennte Linien eines Spektrums emittierter (Emissionslinien) oder absorbierter (Absorptionslinien) elektromagnetischer Wellen, im engeren Sinne innerhalb des Wellenlängenbereichs des sichtbaren Lichts (Lichtspektrum). Spektrallinien besitzen eine Linienintensität und eine Linienbreite. Spektrallinien sind das von einem Atom oder Molekül aufgrund eines quantenmechanischen Übergangs abgegebene oder absorbierte Licht einer genau definierten Frequenz. Angewandt wird dies bei der instrumentellen Atomspektroskopie oder der Flammenfärbung. Die Frequenz einer Spektrallinie wird durch die Energie des emittierten oder absorbierten Photons bestimmt, die gerade den Unterschied zwischen den Energien der quantenmechanischen Zustände bestimmt. Erstmals entdeckt wurden Absorptionslinien 1802 durch William Hyde Wollaston und 1813, unabhängig von ihm, durch Joseph von Fraunhofer im Spektrum der Sonne. Diese dunklen Linien im Sonnenspektrum werden auch Fraunhofersche Linien genannt. Eine Emissionslinie ergibt sich durch Übergang von einem höheren auf ein tieferes Energieniveau. Hierbei wird ein Photon ausgesendet. Dies kann entweder spontan geschehen (spontane Emission), oder, wie beispielsweise beim Laser, durch Licht passender Frequenz angeregt werden (stimulierte Emission). Sie zeigt sich im Spektrum als helle Linie. Eine Absorptionslinie ergibt sich durch Absorption eines passenden Photons des eintreffenden Lichts, wodurch ein Übergang von einem niedrigeren in ein höheres Energieniveau induziert wird. Sie zeigt sich als dunkle Linie im kontinuierlichen Spektrum des einfallenden Lichtes. Das Licht einer Spektrallinie enthält nicht eine Frequenz, sondern einen (schmalen) Frequenzbereich. Die Breite dieses Bereiches nennt man Linienbreite. Die Linienbreite einer Emissionslinie setzt sich aus mehreren Beiträgen zusammen:
- Die natürliche Linienbreite ergibt sich aus der Lebensdauer des Ausgangszustands durch die Heisenbergsche Unschärferelation. Diese hat die Form einer Lorentzkurve. Es ist nicht möglich, diese zu verringern. Hierbei findet oft auch der Begriff homogene Linienverbreiterung Verwendung.
- Aufgrund der thermischen Bewegung der Atome entsteht ein Dopplereffekt, der das Licht eines einzelnen Atoms oder Moleküls je nach Bewegungsrichtung rot- oder blauverschiebt. Aufgrund der statistischen Bewegung ergibt sich insgesamt eine breitere Frequenzverteilung. Diesen Effekt nennt man Dopplerverbreiterung. Sie hat die Form einer Gaußkurve und ist temperaturabhängig. Meist dominiert die Dopplerbreite deutlich über die natürliche Linienbreite. Der Mechanismus ist auch unter dem Begriff inhomogene Linienverbreiterung bekannt.
- Eine Lorentzkurve endlicher Breite erscheint bei einer Messung gegenüber seiner bekannten Form verändert, wenn die Apparatefunktion der Messanordnung eine Halbwertsbreite in der Größenordnung der betrachteten Lorentzkurve aufweist. Die Linienform läßt sich dann durch die Faltung aus Lorentzkurve und Apparatefunktion beschreiben. Folgt letztere einer Gaußkurve, spricht man bei dem Ergebnis der Faltung von einem Voigt-Profil Die Spektrallinien waren einer der Effekte, die zur Entwicklung der Quantenmechanik beitrugen. Ein klassisches Elektron kann elektromagnetische Wellen beliebiger Frequenzen abgeben, die Existenz von diskreten Linien war klassisch nicht erklärbar. Die Entdeckung, dass die Frequenzen der Spektrallinien des Wasserstoffatoms proportional zu einem Ausdruck der Form (1/n2 - 1/m2) mit ganzen Zahlen m und n sind, führte zum Konzept der Quantenzahl und brachte Niels Bohr schließlich auf sein Bohrsches Atommodell, das erste (heute überholte) quantenmechanische Atommodell. Die moderne Quantenmechanik kann die Spektrallinien der Atome mit sehr hoher Genauigkeit vorhersagen. Kategorie:Spektroskopie Kategorie:Atomphysik Kategorie:Astronomie

Periodensystem

Das Periodensystem der Elemente, kurz Periodensystem oder PSE, bietet eine Übersicht der verschiedenen chemischen Elemente. Die Elemente werden mit steigender Kernladung (Ordnungszahl) entsprechend ihrer chemischen Eigenschaften in Perioden sowie Haupt- und Nebengruppen eingeteilt. Nachfolgend ist das Periodensystem der Elemente in seiner heute bekanntesten Form dargestellt. Die Elemente sind mit ihrer Ordnungszahl und ihrem Symbol aufgeführt. (Ein über die Ordnungszahl 118 erweitertes Periodensystem befindet sich unter Erweitertes Periodensystem).

Geschichte

Erweitertes Periodensystem Die Datierung der Entdeckung solcher Elemente, die bereits seit der Frühzeit oder Antike bekannt sind, ist nur ungenau und kann je nach Literaturquelle um mehrere Jahrhunderte schwanken. Sicherere Datierungen sind erst ab dem 18. Jahrhundert möglich. Bis dahin waren erst 15 Elemente als solche bekannt und beschrieben (Metalle wie Eisen, Kupfer, Blei, Bismut, Arsen, Zink, Zinn, Antimon, Platin, Silber, Quecksilber und Gold oder Nichtmetalle wie Kohlenstoff, Schwefel und Phosphor). Die meisten Elemente wurden im 19. Jahrhundert entdeckt und wissenschaftlich beschrieben. Zu Beginn des 20. Jahrhunderts waren nur noch zehn der natürlichen Elemente unbekannt. Seither wurden vor allem schwer zugängliche, oftmals radioaktive Elemente dargestellt. Viele dieser Elemente kommen nicht in der Natur vor und sind das Produkt von künstlichen Kernverschmelzungsprozessen. Erst im Dezember 1994 wurden die beiden künstlichen Elemente Darmstadtium (Eka-Platin) und Roentgenium (Eka-Gold) hergestellt. (siehe auch: [http://www.seilnacht.com/Lexikon/psframe.htm www.seilnacht.com]) Anfang des 19. Jahrhunderts stellte Johann Wolfgang Döbereiner erstmals einen Zusammenhang zwischen der Atommasse und den chemischen Eigenschaften einzelner Elemente fest. 1863 stellte Newlands eine nach Atommassen geordnete Tabelle der Elemente in Achtergruppen (Gesetz der Oktaven) auf. Das Periodensystem selbst wurde 1869 nahezu gleichzeitig und unabhängig voneinander von Dmitri Mendelejew (1834-1907) und Lothar Meyer (1830-1895) aufgestellt. Dabei ordneten sie ebenfalls die chemischen Elemente nach steigenden Atommassen, wobei sie Elemente mit ähnlichen Eigenschaften (Anzahl der Valenzelektronen) untereinander anordneten. Im 20. Jahrhundert wurde der Aufbau der Atome entdeckt, die Periodizität wurde durch den Aufbau der Elektronenhülle erklärt. (siehe auch Entwicklung des Periodensystems der Elemente)

Aufbau

Die chemischen Eigenschaften eines Elements werden nur durch die Eigenschaften der Elektronenhülle bestimmt, die Eigenschaften des Atomkerns spielen bis auf die Kernladung, die die Anzahl der Hüllenelektronen festlegt, keine Rolle. Das Periodensystem ist damit vollständig durch die Elektronenkonfiguration der Atome erklärbar. Die Elemente in einer Periode (Zeile des PSE) haben die gleiche Anzahl von Elektronenschalen, die Elemente einer Gruppe (Spalte des PSE) gleichen sich im Aufbau der äußeren Elektronenschale. Die Unterscheidung in Haupt- und Nebengruppen ergibt sich dadurch, dass bei letzteren nicht die äußerste, sondern die zweitäußerste Schale mit Elektronen aufgefüllt wird, bei den Lanthaniden/Lanthanoiden und Actiniden/Actinoiden die drittäußerste. Im Wesentlichen bestimmt die Anzahl der Elektronen auf der äußeren Elektronenschale das chemische Verhalten eines Atoms, deshalb haben die Elemente der einzelnen Gruppen, da sie die gleiche Anzahl an Elektronen auf der äußeren Bahn haben, vergleichbare chemische Eigenschaften.. Das Element 84 (Po Polonium) und alle nachfolgenden sind radioaktiv und somit instabil. Auch innerhalb der Elemente 1 bis 83 sind 2 Stoffe enthalten, die radioaktiv, also instabil sind: Nr. 43 Tc Technetium und Nr. 61 Pm Promethium (Name nach Prometheus). So bleiben tatsächlich nur 81 stabile Elemente übrig, die in der Natur vorkommen - alle anderen sind radioaktive Stoffe. Von den radioaktiven Elementen sind nur Thorium und Uran in größeren Mengen in der Natur vorhanden, da diese Elemente Halbwertszeiten in der Größenordnung des Alters der Erde haben. Alle anderen radioaktiven Elemente sind entweder intermediäre Zerfallsprodukte des Urans und Thoriums, wie das Radium oder entstehen bei seltenen natürlichen Kernreaktionen oder durch Spontanspaltung von Uran und Thorium. Letztere können in wägbaren Mengen nur künstlich hergestellt werden. Dies gilt grundsätzlich für alle Elemente mit Ordnungszahlen über 94, von denen bis heute noch keine Spuren in der Natur gefunden wurden, obwohl sie ebenfalls bei der Elementsynthese in einer Supernova entstehen.

Tendenzen

Im PSE kann man feststellen, dass einige Eigenschaften der Elemente sich in bestimmten Positionen im PSE finden lassen.
So erscheint es logisch, dass die Anzahl der Protonen von links nach rechts in einer Zeile und von oben nach unten in einer Spalte zunimmt. So gibt es weitere Eigenschaften, die sich im Periodensystem darstellen lassen:
- Masse
  - nimmt von oben nach unten und von links nach rechts zu (Ausnahmen: Ar vor K, Te vor I, Co vor Ni, Th vor Pa).
- Atomradius
  - nimmt von oben nach unten zu, von links nach rechts ab (bei Hauptgruppenelementen)
- Elektronegativität
  - Nimmt von oben nach unten ab, von links nach rechts zu (Ausnahme: Edelgase)
- Ionisierungsenergie
  - nimmt von oben nach unten ab, von links nach rechts zu.
- Metallcharakter
  - nimmt von oben nach unten zu und von links nach rechts ab.
- Basizität der Oxide
  - nimmt von oben nach unten zu, von links nach rechts ab.
- Schrägbeziehung:
  - Ähnlichkeiten zwischen:
    - Lithium - Magnesium
    - Beryllium - Aluminium
    - Bor - Silizium
  - Grimmscher Hydridverschiebungssatz
- Lanthanoidenkontraktion

Siehe auch


- Elektronenkonfiguration im Periodensystem.
- Liste der chemischen Elemente nach
  - Namen
  - Ordnungszahl
  - Symbol
- Seltenheit

Das Lied der chemischen Elemente

1959 hat der Amerikaner Tom Lehrer ein Lied geschrieben, in dem die Namen aller bis dato bekannten 102 Elemente vorkommen. Dieses Lied heißt „The Elements“ (Lied der chemischen Elemente).
- http://chemlab.pc.maricopa.edu/periodic/lyrics.html
- http://www.privatehand.com/flash/elements.html

Weblinks

Deutsche Seiten


- [http://www.seilnacht.com/Lexikon/psframe.htm Bebildertes Periodensystem]
- [http://mypse.sourceforge.net/ Interaktives Periodensystem - deutsch (GPL)]
- [http://www.pse-online.de/html/allgemein/pdf.htm/ Periodensystem als PDF]

Englische Seiten


- [http://www.webelements.com Informationen zu den Elementen]
- [http://www.iupac.org/reports/periodic_table/index.html offizielles Periodensystem der Elemente der] IUPAC Kategorie:Werkzeug der Chemie !Periodensystem als:Periodensystem ja:周期表 ko:주기율표 ms:Jadual berkala simple:Periodic table th:ตารางธาตุ

Kernphysik

Die Kernphysik ist der Teilbereich der Physik, der sich mit dem Aufbau und dem Verhalten von Atomkernen beschäftigt. Die Kernphysik kann sowohl theoretisch als auch experimentell betrieben werden. Neben der Kernstruktur, also dem Aufbau der Atomkerne, sind auch Kernreaktionen Gegenstand der Untersuchungen. Typische Größenordnungen im Bereich der Kernmaterie sind
- Längen: 1 Fermi = 1 fm = 10^ m
- Energie: 100 keV bis 100 MeV Bei der Beschreibung von Kernreaktionen ist der Begriff des Wirkungsquerschnitts von Bedeutung. Der Wirkungsquerschnitt misst die Wahrscheinlichkeit für die Reaktion beim Einfall von Teilchen auf Materie. Dabei können Streuvorgänge von Elementarteilchen an Atomkernen oder an andere Elementarteilchen ausgelöst werden. Die Bausteine der Kerne sind die Nukleonen: Neutronen und Protonen. Die Anzahl Z der Protonen in einem Kern ist gleich der Anzahl der Elektronen im neutralen Atom. Z bestimmt die chemischen Eigenschaften der Atome und heißt deshalb Ordnungszahl (oder bezogen auf den Atomkern auch Kernladungszahl). Die Masse des Atomkerns wird durch die Anzahl A aller Nukleonen bestimmt und wird deshalb auch Massenzahl genannt. Wie man sehen kann, ist die Neutronenzahl N = A - Z. Atome mit der gleichen Ordnungszahl und unterschiedlicher Massenzahl werden Isotope genannt, da sie sich chemisch gleich verhalten. Die physikalischen Eigenschaften des Kerns dagegen sind sowohl von der Ordnungszahl als auch von der Neutronenzahl beeinflußt. Näheres siehe unter dem Hauptartikel Atomkern.

Geschichte

Antoine Henri Becquerel, Pierre Curie und Marie Curie erhielten für ihre Versuche zur Radioaktivität, die man als den historischen Beginn der modernen Kernforschung bezeichnen könnte, 1903 den Nobelpreis in Physik. Radioaktivität ist immer mit einer Kernumwandlung verbunden, so dass sich Stoffe beim Zerfall in andere Stoffe umwandeln. Dies wurde von Ernest Rutherford entdeckt, wofür er 1908 den Nobelpreis in Chemie erhielt. Der Rutherfordsche Streuversuch, bei dem Alpha-Teilchen an Goldfolie gestreut werden, von Hans Geiger, Ernest Marsden und Ernest Rutherford im Jahr 1909 markiert einen Wendepunkt in der modernen Vorstellung vom Aufbau der Atome. Aus den Rutherfordschen Interpretationen der Ergebnisse war die Idee vom Atomkern geboren. Im Kern ist fast die gesamte Masse des Atoms vereinigt, jedoch nimmt er einen ausgesprochen kleinen Volumenanteil des Atoms ein. Die Kenntnis der Bindungsenergie der Atomkerne, halb-empirisch zuerst in der Bethe-Weizsäcker-Formel formuliert, zählt zu den großen Fortschritten in der Geschichte der Kernphysik. Otto Hahn und Lise Meitner entdeckten 1938, dass unter Bestrahlung mit Neutronen Urankerne gespalten werden. Später wurde nachgewiesen, dass bei diesem Prozess Energie und weitere Neutronen freigesetzt werden, wodurch eine Kettenreaktion möglich wurde. In Los Alamos forschten unter der Regie von Robert Oppenheimer die Physiker Enrico Fermi, Hans Bethe, Edward Teller, Felix Bloch, um nur die bekanntesten zu nennen. In Deutschland forschten unter anderem Carl Friedrich von Weizsäcker und Werner Heisenberg an der Weiterentwicklung eines Reaktors zunächst in Berlin und später in Haigerloch mit dem umstrittenen Fernziel einer militärischen Nutzung der Forschungsergebnisse. Die Erkenntnisse der Kernspaltung fanden von Beginn an auch eine zivile Nutzung in der Energiegewinnung aus den Kernreaktoren (auch Atomreaktor genannt). Kaum ein Gebiet der Physik hat durch seine Ambivalenz der friedlichen als auch zerstörerischen Nutzung die öffentliche Diskussion mehr angeheizt: für Fortschrittskritiker war die Kernphysik die Büchse der Pandora, für Fortschrittsgläubige eine der wichtigsten Entdeckungen des 20. Jahrhunderts. Man kann sicher zurecht sagen, dass die Kernphysik der Auslöser einer neue Wissenschaftsethik war (Hans Jonas, Carl Friedrich von Weizsäcker). Die politische Auseinandersetzung um den vernünftigen und verantwortbaren Umgang mit der Kernenergie findet bis heute in der Auseinandersetzung um den Kernenergieausstieg Deutschlands statt. Da Protonen sich aufgrund ihrer positiven elektrischen Ladung abstoßen, benötigt man ein neues Konzept für die Stabilität von Kernen. Die Kraft, die den Kern zusammenhält, nennt man starke Wechselwirkung. Die Wechselwirkung, die für \beta-Zerfälle verantwortlich ist, heißt schwache Wechselwirkung. Da die Atomkerne subatomar klein sind, unterliegen sie den Gesetzen der Quantenphysik. Die einzelnen Zerfallarten werden im Artikel Kernchemie behandelt Zur Kernphysik gehören unter anderem die Themenbereiche Radioaktivität, Kernfusion und Kernspaltung.

Siehe auch


- Portal:Physik
- Mößbauer-Effekt
- Atomphysik

Weblinks


- http://cdsweb.cern.ch/ Dokumentenserver zur Kernphysik mit 360 000 Volltextdokumenten und 800 000 Einträgen
- [http://www.nndc.bnl.gov/index.jsp National Nuclear Data Center (engl.)] umfangreiche Homepage des Brookhaven National Laboratory zu verschiedensten Aspekten der Kernphysik (besonders interessant: die "Nuclear Wallet Cards")
- [http://www.physik.uni-muenchen.de/leifiphysik/web_ph12/materialseiten/m11_kerne.htm Versuche und Aufgaben zur Kernphysik]
- http://atom.kaeri.re.kr/ton/index.html sehr umfangreiche Nuklidkarte mit Zerfallsarten, Massen, Bindungsenergien und anderen charakteristischen Werte für alle bekannten Nuklide kategorie:Kernphysik ko:핵물리학 ja:原子核物理学

Naturphilosophie

Die Naturphilosophie versucht, die Natur in ihrer Gesamtheit zu deuten und zu erklären. Sie hinterfragt insbesondere die Eigenarten des Lebens und der Lebewesen, ihre Entstehung (Kosmogonie) und ihr mögliches Ende (Eschatologie), sowie den Grundkonflikt zwischen Evolutionisten und Kreationisten.

Anfänge

Die ersten Naturphilosophen werden zu den Vorsokratikern gezählt. Wichtige antike Naturphilosophen sind Thales, Aristoteles und Plinius der Ältere. Die Naturphilosophen befassten sich mit Fragen nach dem Ursprung der Welt und suchten zu verstehen, nach welchen Prinzipien Vorgänge in der Natur ablaufen. Bei der Erklärung der Naturerscheinungen gingen die ionischen Philosophen von der Annahme eines einheitlichen materiellen Prinzips, eines gemeinsamen Urgrundes (arché) aus. Als dieses Arché betrachteten sie das Wasser (bei Thales), das Apeiron (bei Anaximander) oder die Luft (bei Anaximenes). Viele antike Naturphilosophen schrieben ein Werk mit dem Titel "Über die Natur" (Peri physeos). Die Naturphilosophie beschäftigte sich insbesondere mit Mathematik, Astronomie / Astrologie, Physik, Technik, Geographie, Medizin, Botanik und Zoologie.

Moderne Naturphilosophie

Auch die moderne Naturphilosophie untersucht, was die Natur ist, und hat dabei stets den Bezug zur Gesamtwirklichkeit im Blick. Sofern sie die Weltordnung bzw. das Weltall behandelt, heißt sie auch Kosmologie. Wichtige Naturphilosophen in der Renaissance- und Barockzeit sind Copernicus, Giordano Bruno, Johannes Kepler und Isaac Newton. Friedrich Wilhelm Joseph von Schelling, ein Denker des deutschen Idealismus, entwarf zuerst einen Parallelismus zwischen Natur und Geist, doch weiter behauptete er, dass die Naturphilosophie grundsätzlicher sei als die Transzendentalphilosophie. Dagegen galt für Johann Gottlieb Fichte die Natur als kein eigentlicher Gegenstand der Philosophie. Das Thema "Natur und Kunst" wurde eingehend von Friedrich Schiller bearbeitet. In der Naturphilosophie gilt zunächst zu klären, was mit dem Begriff Natur gemeint wird. Teilweise wird „Natur" synonym mit „Wesen" verwendet. In diesem Sinne bedeutet Natur dann die Wesensart jedes Seienden, zielt jedoch vor allem auf das Dynamische, das innere Prinzip des Wirkens, etwa der Bewegung. Neben der Kosmologie ist das Leben ein weiterer Schwerpunkt naturphilosophischen Denkens. In diesem Verständnis meint Natur zunächst die auf die Geburt zurückgehende Eigenart des Lebendigen. (Der Begriff „Natur" stammt sprachlich vom lat. natura, dem das griech. physis entspricht). Aus diesem Grunde wird der Mensch oft nicht im Rahmen der Naturphilosophie, sondern in einem eigenen Teilgebiet der Philosophie, nämlich der Anthropologie, behandelt. Der Begriff Natur kann darüber hinaus das ursprünglich von Gott Geschaffene im Gegensatz zu dem durch die menschliche Kultur (und damit etwa durch die Technik) Hervorgebrachten meinen. Begreift man den Menschen und den menschlichen Geist jedoch als Teil der Natur, so werden diese Unterscheidungen hinfällig. Gerade Wissenschaften an der Schnittstelle von "Geist" und "Natur" wie die Paläoanthropologie oder auch die Hirnforschung legen es nahe, die Naturphilosophie einer umfassenderen Realphilosophie unterzuordnen, die sich auch mit Phänomenen des Geistes und der Kultur auseinandersetzt.

Naturphilosophie und Naturwissenschaft

Von seiten vieler Naturwissenschaftler heißt es, die Naturphilosophie sei nicht (mehr) nötig bzw. sinnvoll, da die modernen Naturwissenschaften ihre Rolle übernommen hätten. Verschiedene Philosophen sind hingegen der Ansicht, dass die Wirklichkeit (das „Buch der Natur") nicht rein naturwissenschaftlich-mathematisch zu verstehen sei. Während sich das Materialobjekt von Naturwissenschaft und Naturphilosophie größtenteils deckt, zeigt das Formalobjekt deutlich die Unterschiede. Die Naturwissenschaften untersuchen nicht die Natur "als solche", sondern erforschen – vor allem mit Hilfe von Beobachtung und Experiment – die Gesetzmäßigkeiten der Naturvorgänge. Die Naturphilosophie dagegen arbeitet auf einer höheren Abstraktionsstufe, indem sie bis zum "innersten Wesen" sowie den Bedingungen der Möglichkeit des Natürlichen aufsteigt. Naturphilosophie bedeutet eine Rückführung auf allgemeinste Prinzipien und damit eine ausdrückliche Bindung an die Metaphysik. Eine solche metaphysische Betrachtung wird von der empirischen Naturwissenschaft abgelehnt, da sie zu nicht falsifizierbaren und damit unter wissenschaftlichen Gesichtspunkten sinnlosen Behauptungen führe.

Abgrenzung

Die Philosophie der Natur ist nicht zu verwechseln mit Philosophie der Wissenschaften von der Natur, also der Philosophie der Naturwissenschaften. Man kann die Naturphilosophie in die Untersuchung der belebten und der unbelebten Natur unterteilen.

Literatur


- Michael Esfeld: Einführung in die Naturphilosophie. WBG, Darmstadt 2002, ISBN 3-534-15461-4
- Hans-Dieter Mutschler: Naturphilosophie. Kohlhammer, Stuttgart 2002, ISBN 3-17-016814-2
- Uwe Meixner (Hrsg.): Schwerpunkt: Geschichte der Naturphilosophie. Mentis, Paderborn 2004, ISBN 3-89785-156-3
- Michael Drieschner: Moderne Naturphilosophie. Eine Einführung. Mentis, Paderborn 2002, ISBN 3-89785-260-8
- Gerhard Vollmer: Die Erkenntnis der Natur. Beiträge zur modernen Naturphilosophie. 3. Aufl. Hirzel, Stuttgart 2003, ISBN 3-7776-1249-9
- Nicole C. Karafyllis: Biologisch, Natürlich, Nachhaltig. Philosophische Aspekte des Naturzugangs im 21. Jahrhundert. Francke, Tübingen und Basel 2001, ISBN 3-7720-2624-9
- Gernot Böhme und Gregor Schiemann: Phänomenologie der Natur. Suhrkamp, Frankfurt am Main, ISBN 3-518-28925-X

Siehe auch


- Mechanistische Naturphilosophie, Naturphilosophie bei Isaac Newton
- [http://www.latein-pagina.de/iexplorer/turkey/vorsokrat/vorsokrat.htm Christoph Horst: Die vorsokratische Naturphilosophie] ! ja:自然哲学

Dalton

Dalton (Abkürzung Da) ist eine nach dem englischen Naturforscher John Dalton benannte, nicht SI-konforme Masseeinheit, die vor allem in der Biochemie weitverbreitet ist und in den USA auch in der organischen Chemie gebraucht wird. Ein Dalton entspricht in etwa der Masse eines Wasserstoffatoms (1,66 · 10-24 g) und ist gleich der atomaren Masseneinheit u. Gebräuchlich ist auch die abgleitete Einheit kDa = Kilo Dalton = 1000 Dalton. Der Begriff Dalton wird ebenfalls in der Membranfiltration verwendet. Er ist hier ein Maß für die Abscheidefähigkeit einer Membran. Ein Vergleich zwischen Dalton und Porengröße geben folgende Anhaltswerte für bestimmte Filtrationsverfahren:

Beispiele


- 1 Kohlenstoffatom des Isotops 12C hat die Masse 12 Dalton
- 1 Methanmolekül hat die mittlere Molmasse von 16,038 Dalton. Kategorie:Angloamerikanische Einheit

Boltzmann

Ludwig Boltzmann (
- 20. Februar 1844 in Wien, † 5. September 1906 in Duino bei Triest) war ein österreichischer Physiker und Philosoph. Boltzmann studierte in Wien und wurde 1867 Assistent an der dortigen Universität bei Josef Stefan. 1869 nahm er eine Professur für Theoretische Physik in Graz an. Über München, Wien und Leipzig gelangte er schließlich 1902 auf den Lehrstuhl von Josef Stefan in Wien. Das Lebenswerk Boltzmanns war die Neuaufstellung der Thermodynamik. Dabei begründete er mit James Clerk Maxwell die Statistische Mechanik (Boltzmann-Statistik) und deutete die Entropie als eine mikroskopische Größe: Die Zunahme der Entropie ist ein Übergang in einen Makrozustand mit einer größeren Zahl möglicher Mikrozustände. Boltzmann war ein Verfechter der atomistischen Vorstellung. Er hatte dabei zahlreiche Fachgenossen seiner Zeit als Gegner, unter ihnen Wilhelm Ostwald und Max Planck. Dieser griff jedoch bei seinem Planckschem Strahlungsgesetz auf die Vorstellungen Boltzmanns zurück. Das Stefan-Boltzmann-Gesetz (die ausgestrahlte Leistung ist der 4. Potenz der absoluten Temperatur proportional) ist ein Sonderfall des Planckschen Gesetzes. Siehe auch Stefan-Boltzmann-Konstante. Ab 1870 beschäftigte sich Boltzmann auch mit Problemen der Luftfahrt, so interessierten ihn auch die Flugversuche von Otto Lilienthal. Boltzmann konnte mit beißender Ironie seine Mitmenschen traktieren, wurde jedoch als Mensch mit eigentlich gütigem Wesen beschrieben. Er liebte Musik. Die letzten Lebensjahre waren durch sein körperliches Leiden geprägt, dem er ein gewaltsames Ende bereitete. Auf seinem Grabstein am Wiener Zentralfriedhof ist die von ihm gefundene fundamentale Beziehung eingraviert: S=k \cdot \log W Die in heutiger Nomenklatur S=k_B \cdot \ln \Omega lautet. Die Entropie ist dem Logarithmus der Möglichkeiten proportional, oder, alternativ formuliert: Die Entropie ist dem Maß der Unordnung proportional. k_B ist dabei die Boltzmann-Konstante, die universelle Gültigkeit hat, sie hat die Dimension Energie/Temperatur. Ludwig Boltzmann wurde in Alfred Besters Zeitreise-Kurzgeschichte Die Mörder Mohammeds auf bezaubernde Weise ein literarisches Denkmal gesetzt. Folgende Eponyme leiten sich von von Ludwig Boltzmann ab: Boltzmann-Konstante, Boltzmann-Faktor, Boltzmann-Gleichung, Boltzmann-Maschine, Boltzmann-Verteilung und Boltzmann-Institute.

Weblinks


-
-
- [http://www.ludwigboltzmann.at www.ludwigboltzmann.at] - Ludwig Boltzmann Gesellschaft
- [http://www.univie.ac.at/bim www.univie.ac.at] - Ludwig Boltzmann Institut für Menschenrechte
- [http://www.physik.uni-augsburg.de/did/content_german/other/anecdotes.htm www.physik.uni-augsburg.de] - Anekdoten berühmter Physiker (u.a. Ludwig Boltzmann) Boltzmann, Ludwig Boltzmann, Ludwig Boltzmann, Ludwig Boltzmann, Ludwig Boltzmann, Ludwig Boltzmann, Ludwig ja:ルートヴィッヒ・ボルツマン ko:루트비히 볼츠만

Spektroskopie

Spektroskopie ist ein Sammelbegriff für eine Klasse experimenteller Verfahren, die untersuchen, wie eine Probe Energie aufnehmen oder abgeben kann. Historisch bezeichnet der Begriff in erster Linie solche Verfahren, die die Absorption oder Emission von Licht untersuchen. Mit Hilfe eines Spektrometers wird dabei ein Lichtspektrum, das ist die Intensität des absorbierten oder ausgestrahlten Lichts in Abhängigkeit von der Wellenlänge, gemessen. Neben dem Bereich des sichtbaren Lichts deckt die Spektroskopie heute einen großen Teil des elektromagnetischen Spektrums ab, von den Radiowellen bis zur Gammastrahlung. Teilweise werden zur Spektroskopie auch solche Verfahren gezählt, bei denen die Wechselwirkung der Probe mit Teilchen, zum Beispiel Elektronen, abhängig von deren Energie, untersucht wird. Ziel der Spektroskopie ist es, aus dem erzielten Spektrum Rückschlüsse auf die Probe zu ziehen, zum Beispiel auf deren innere Struktur, stoffliche Zusammensetzung oder Dynamik. Die analytische Spektroskopie erkennt Atome oder Moleküle an der charakteristischen Form ihrer Spektren. Die Präzisionsspektroskopie setzt sich zum Ziel, aus der genauen Lage oder der Stärke von Spektrallinien physikalische Größen, zum Beispiel Naturkonstanten zu bestimmen oder Hypothesen über Naturgesetze zu testen.

Spektroskopiearten und -methoden in der Analytik


- 1. Atomspektroskopie
  - Atomabsorptionsspektroskopie (AAS/OAS)
    - Flammentechnik
    - Graphitrohrtechnik
    - Hydridtechnik
  - Atomemissionsspektroskopie (AES/OES)
    - Induktiv gekoppeltes Plasma (ICP-AES)
    - Mikrowellen-Plasmafackel-AES (MPT-AES)
  - Atomfluoreszenzspektroskopie (AFS)
  - Gammaspektroskopie
  - Elektronenspektroskopie
    - Photoelektronenspektroskopie mit Röntgenstrahlen (XPS)
    - Photoelektronenspektroskopie mit UV-Licht (UPS)
      - Photoelektronenspektroskopie mit UV-Licht winkelaufgelöst (ARUPS)
    - Auger-Elektronen-Spektroskopie (AES)
  - Röntgenspektroskopie (XRS)
    - Röntgenfluoreszenzanalyse (RFA)
    - Röntgenbeugungsspektroskopie
    - Röntgenabsorptionsspektroskopie
  - Glimmentladungsspektroskopie (GDOS)
- 2. Molekülspektroskopie
  - Fluoreszenzspektroskopie
  - Schwingungsspektroskopie
    - Infrarotspektroskopie (IR)
    - Ramanspektroskopie
    - ATR-Spektroskopie
  - Kernresonanzspektroskopie (NMR, auch Hochfrequenzspektroskopie)
  - Elektronenspinresonanz (ESR/EPR)
  - Mikrowellenspektroskopie
  - UV/VIS-Spektroskopie (UV/Vis)
  - Einzelmolekülspektroskopie
- 3. Massenspektroskopie (MS) Die Massenspektroskopie (auch Massenspektrometrie genannt) ist kein Spektroskopie-Verfahren im eigentlichen Sinne. Dennoch wird sie in diesem Zusammenhang häufig genannt, weil sie in der Analytik einen ähnlichen Zweck erfüllt.
- 4. Ultrakurzzeit-Spektroskopie
- 5. Laserspektroskopie
- 6. IR-Spektroskopie (IR)
- 7. Impedanzspektroskopie
- 8. Ionen-Spektroskopie
  - Ionen-Streuungs-Spektroskopie (ISS)
  - Sekundärionen-Massenspektrometrie (SIMS)

Astronomie


- Astrospektroskopie

Weblinks


- [http://www.ansci.de/isas_cms/index.php?id=14&L=2 Grundlagenforschung im Bereich der Spektroskopie]
- [http://www.3sat.de/nano/cstuecke/67372/index.html Maßgeschneiderte Medikamente per Laser Fluoreszenz-Korrelations-Spektroskopie (FCS) Universität Bonn] Kategorie:Beobachtungsmethode der Astronomie Kategorie:Physikalisches Analyseverfahren ! ja:分光法

Klassische Physik

Unter der klassischen Physik versteht man alle Theorien, die auf der klassischen Teilchenvorstellung und/oder der klassischen Feldvorstellung aufbauen. Es handelt sich insbesondere um die folgenden Theorien:
- klassische Mechanik
- klassische Feldtheorie (insbesondere Elektrodynamik)
- Relativitätstheorie Üblicherweise gibt es zu jeder klassischen Theorie eine zugehörige Quantentheorie (Quantenmechanik, Quantenfeldtheorie/Quantenelektrodynamik). Nur bei der allgemeinen Relativitätstheorie (ART) sind bisher alle Quantisierungsversuche (Quantengravitation) gescheitert. Der derzeit aktuelle Versuch, ART und Quantentheorie zu vereinigen, ist die Stringtheorie (auch M-Theorie genannt). Die Statistische Mechanik unterscheidet nicht zwischen klassischer und quantenmechanischer Theorie, sondern benutzt den selben Namen für beides. Wenn der Unterschied herausgestellt werden soll, spricht man explizit von "klassischer Statistik" und "Quantenstatistik". Siehe auch: Portal:Physik Kategorie:Physik

Exotisches Atom

Als exotische Atome werden atomähnliche Bindungszustände bezeichnet, bei denen wenigstens eines der beteiligten Teilchen keines der Teilchen ist, aus denen Atome gewöhnlich aufgebaut sind: Protonen, Neutronen und Elektronen. Die wichtigsten exotischen Atome sind #Myonische Atome, in denen ein Hüllen-Elektron durch ein Myon ersetzt ist. Aufgrund der hohen Masse des Myons befindet es sich sehr nahe am Atomkern, Spektroskopie von myonischen Atomen ermöglicht daher Untersuchungen der Kernstruktur. #Positronium, bestehend aus einem Elektron und einem Positron #Mesonischer Wasserstoff, ein Bindungszustand aus Proton und negativem Meson, z.B. Pion oder Kaon #Anti-Wasserstoff, bestehend aus einem Anti-Proton und einem Positron Die Untersuchung von Anti-Wasserstoff-Atomen am europäischen Forschungszentrum CERN soll den bisher präzisesten Test der Symmetrie von Materie und Antimaterie liefern. Während myonische Atome und Positronium in der Natur als Folgeprodukte der Höhenstrahlung in geringen Mengen vorkommen, können Anti-Wasserstoff, pionische oder kaonische Atome nur an Teilchenbeschleunigern erzeugt werden. Kategorie:Atomphysik ja:異種原子

Ionenfalle

In einer Ionenfalle werden Ionen, also elektrisch geladene Atome oder Moleküle, festgehalten. Die Speicherung der Ionen erfolgt im Vakuum und ohne Kontakt zu einer Oberfläche. Es gibt zwei verschiedene Ausführungen der Ionenfalle: die Paul-Falle und die Penning-Falle. In der Paul-Falle, benannt nach dem Physiker Wolfgang Paul, wird ein zeitlich veränderliches elektromagnetisches Feld verwendet um Ionen festzuhalten. Hat dieses Feld die Form eines Quadrupols, wird die Falle auch als Quadrupol-Falle bezeichnet. Die Paul-Falle ist eng verwandt mit dem Quadrupol-Massenspektrometer. Die andere Form der Ionenfalle ist die Penning-Falle. Bei dieser führt eine Kombination von zeitlich konstantem elektrischem Feld und ebenfalls zeitlich konstantem Magnetfeld zu einer Speicherung der Ionen. Ionenfallen haben Anwendungen in der Massenspektrometrie, in der optischen Präzisions-Spektroskopie und beim Bau von Quantencomputern. Kategorie:Spektroskopie Kategorie:Massenspektrom