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Distanzmessung

Distanzmessung

Unter Abstandsmessung oder Entfernungsmessung versteht man die Bestimmung des kürzesten Abstandes zweier Punkte im Raum durch direkten oder indirekten Vergleich mit einem Längenmaß wie beispielsweise dem Meter. Der Bereich möglicher Längen beginnt bei der sogenannten Planck-Länge von rund

10^

Meter. Das ist die kleinste Länge in die sich der Raum einteilen lässt. Der physikalisch relevante Bereich beginnt bei

10^

Metern, der Größe der Elementarteilchen, und reicht bis

10^

Meter. Er überspannt damit immerhin 44 Größenordnungen. Daraus ergibt sich, dass eine sehr große Zahl unterschiedlicher Verfahren notwendig sind um Entfernungen zu messen. Das folgende Schaubild gibt einen Überblick über die Einheitenzusätze, enthält Beispiele für die Größenbereiche und ordnet die jeweiligen Messprinzipien zu. # Entfernungsskala von Dr. Schorsch # 27. September 2005 ImageSize = width:700 height:213 PlotArea = width:96% height:80% left:2% bottom:18% Colors = id:lightgrey value:rgb(0.8588,0.9059,0.9647) #legend:test id:darkgrey value:gray(0.40) #legend:grau id:geraet value:rgb(0.4667,0.8627,0.251) #legend:Gerät id:methode value:rgb(1,0.6824 ,0.3294) legend:Messmethoden id:markcolor value:rgb(1,0,0) #legend:Marke id:vergl value:rgb(0.4667,0.8627,0.251) legend:Größenbeispiele id:pref1 value:rgb(1,0.9059,0.4078) legend:Präfixe id:pref2 value:rgb(1,0.9412,0.8196) legend:Präfixe_ # Legendenformat Legend = orientation:vertical left:20 top:200 # Definitionen für Textoffsets # Vertikale Verschiebung der Beispiele untere Zeile Define $bsu = -3 # Vertikale Verschiebung der Beispiele obere Zeile Define $bso = -3 # Vertikale Verschiebung der Methodennamen Define $msv = -3 # Vertikale Verschiebung der Präfixe Define $psv = -3 # Balkenbreite Define $width = width:15 BackgroundColors = canvas:lightgrey bars:lightgrey # Datumsachse enthält die Größenordnung DateFormat = yyyy Period = from:-18 till:27 AlignBars = early TimeAxis = orientation:horizontal format:yyyy ScaleMajor = gridcolor:darkgrey unit:year increment:3 start:-18 BarData = # Reihenfolge der Balken # bar:Messschieber # bar:Mikroskop # bar:Geo600 # bar:Raster # bar:Trenner1 #Methoden bar:Rotver bar:Parallaxe bar:RadioInter bar:Triang bar:Laufzeit bar:Direkt bar:Interferometrie # bar:Trenner2 #Größenvergleiche bar:verglo bar:verglu # Die Präfixe sind immer ganz unten bar:prefix PlotData = # Trennlinien color:darkgrey $width # bar:Trenner1 from:start till:end # bar:Trenner2 from:start till:end # Geraeteliste color:geraet $width # bar:Mikroskop from:-7 till:-3 align:center text:Mikroskop # bar:Geo600 from:-18 till:-6 align:center text:optisches Interferometer Geo600 # bar:Raster from:-12 till:-6 align:center text:Rastertunnelmikroskop # bar:Messschieber from:-4 till:0 align:center text:Messschieber #Methoden color:methode bar:Rotver from:18 till:26 align:center shift:(0,$msv) text:Rotverschiebung bar:Triang from:-6 till:19 align:center shift:(0,$msv) text:Triangulation bar:Parallaxe from:15 till:26 align:center shift:(0,$msv) text:Parallaxe bar:Laufzeit from:-2 till:12 align:center shift:(0,$msv) text:Laufzeitmessung bar:Direkt from:-6 till:2 align:center shift:(0,$msv) text:direkte_Messung bar:Interferometrie from:-18 till:3 align:center shift:(0,$msv) text:optische Interferometrie # Das ist noch geraten: bar:RadioInter from:-1 till:18 align:center shift:(0,$msv) text:Radiointerferometrie # Die Praefixe color:pref1 fontsize:S bar:prefix from:-18 till:-15 shift:(0,$psv) text:Atto align:center color:pref2 bar:prefix from:-15 till:-12 shift:(0,$psv) text:Femto align:center color:pref1 bar:prefix from:-12 till:-9 shift:(0,$psv) text:Pico align:center color:pref2 bar:prefix from:-9 till:-6 shift:(0,$psv) text:Nano align:center color:pref1 bar:prefix from:-6 till:-3 shift:(0,$psv) text:Mikro align:center color:pref2 bar:prefix from:-3 till:0 shift:(0,$psv) text:Milli align:center color:pref1 bar:prefix from:0 till:3 shift:(0,-5) fontsize:M text:Meter align:center color:pref2 bar:prefix from:3 till:6 shift:(0,$psv) text:Kilo align:center color:pref1 bar:prefix from:6 till:9 shift:(0,$psv) text:Mega align:center color:pref2 bar:prefix from:9 till:12 shift:(0,$psv) text:Giga align:center color:pref1 bar:prefix from:12 till:15 shift:(0,$psv) text:Tera align:center color:pref2 bar:prefix from:15 till:18 shift:(0,$psv) text:Peta align:center color:pref1 bar:prefix from:18 till:21 shift:(0,$psv) text:Exa align:center color:pref2 bar:prefix from:21 till:24 shift:(0,$psv) text:Zetta align:center color:pref1 bar:prefix from:24 till:27 shift:(0,$psv) text:Jotta align:center #Größenvergleiche color:vergl mark:(line,markcolor) fontsize:S width:16 # bar:vergl at:-35 align:center text:Planck-Länge # Hintergrundbalken bar:verglo from:start till:end bar:verglu from:start till:end bar:verglo at:-15 align:right shift:(0,$bso) text:Quark bar:verglu at:-14 align:right shift:(0,$bsu) text:Proton bar:verglo at:-13 align:left shift:(2,$bso) text:Atomkern bar:verglu at:-10 align:right shift:(0,$bsu) text:Atom bar:verglo at:-9 align:left shift:(2,$bso) text:Molekül bar:verglu at:-8 align:right shift:(0,$bsu) text:DNA bar:verglo at:-6 align:left shift:(2,$bso) text:Zelle bar:verglu at:-5 align:right shift:(0,$bsu) text:Mikrobe bar:verglo at:-4 align:left shift:(2,$bso) text:Haar bar:verglu at:-2 align:right shift:(0,$bsu) text:Münze bar:verglo at:0 align:left shift:(2,$bso) text:Mensch bar:verglu at:1 align:right shift:(0,$bsu) text:Haus bar:verglo at:3 align:left shift:(2,$bso) text:Berg bar:verglu at:4 align:right shift:(0,$bsu) text:Stadt bar:verglo at:6 align:left shift:(2,$bso) text:Rhein bar:verglu at:7 align:right shift:(0,$bsu) text:Erde bar:verglo at:9 align:left shift:(2,$bso) text:Sonne bar:verglu at:11 align:left shift:(2,$bsu) text:Erde-Sonne bar:verglo at:16 align:right shift:(0,$bso) text:Lichtjahr bar:verglu at:17 align:left shift:(2,$bsu) text:Parsec bar:verglu at:20 align:left shift:(2,$bsu) text:Supernova bar:verglo at:21 align:right shift:(0,$bso) text:Milchstraße bar:verglu at:24 align:left shift:(2,$bsu) text:Virgo bar:verglo at:26 align:right shift:(0,$bso) text:Universum TextData= # Zentrierter Tabulator tabs:(372-center) pos:(0,4) fontsize:M text:^10_hoch_x_Meter

Messprinzipien

Direkte Messung

Die unmittelbarste Form der Entfernungsmessung ist die sogenannte direkte Messung. Darunter versteht man den direkten Vergleich der zu bestimmenden Entfernung mit einem Maßstab. Diese Art der Messung ist nur in einem begrenzten Längenbereich möglich, da Vergleichsmaßstäbe nicht beliebiger Größe hergestellt werden können. Die kleinsten Maßstäbe werden mit lithographischen Methoden erzeugt und sind nur wenige Mikrometer groß. Sie können unter einem Mikroskop wie ein normales Maßband benutzt werden. Die längsten Maßstäbe werden aus flexiblem Stahlband in Längen bis über 100 Meter hergestellt. Alle Maßstäbe müssen vor ihrer Verwendung auf ein Längennormal zurückgeführt werden. Diesen Prozess bezeichnet man als Eichung. Das ermöglicht die weltweite Vergleichbarkeit von Längenmessungen.

Indirekte Messung

Die direkte Messung kann in vielen Fällen nicht eingesetzt werden. Schon bei der Bestimmung des Abstandes zweier Inseln vom Festland aus scheitert sie, da die beiden Punkte nicht zugänglich sind. Universeller und meist auch komfortabler einzusetzen sind indirekte Methoden. Alle indirekten Methoden haben gemeinsam, dass sie nicht die Entfernung selbst messen sondern eine von der Entfernung abhängige Größe wie die Helligkeit eines Sterns, die Laufzeit eines Echos oder die Richtung einer Peilung. Indirekte Messungen müssen durch den Vergleich mit bekannten Maßstäben kalibriert werden, damit die Vergleichbarkeit mit anderen Messungen gewährleistet bleibt. Im Folgenden werden die wichtigsten indirekten Messprinzipien beschrieben.

Hodometrie

kalibriert Die Hodometrie, oft auch nach dem Englischen als Odometrie bezeichnet, ist eine sehr einfache und alte Methode der indirekten Wegmessung, die eingeschränkt auch für die Entfernungsmessung verwendet werden kann. Dabei werden die Umdrehungen eines Rades mit bekanntem Umfang gezählt das auf der Messstrecke abgerollt wird. Die Anzahl der Umdrehungen, multipliziert mit dem Umfang ergibt die gemessene Wegstrecke. Im Alltag wird diese Methode beispielsweise für Kilometerzähler von Autos eingesetzt.

Inertialnavigation

Eine Bewegung die nicht gleichförmig ist, ist immer mit einer Beschleunigung des bewegten Objektes verbunden. Integriert man alle Beschleunigungen die ein Objekt erfahren hat richtungsabhängig über der Zeit, kann man daraus nach der einfachen Formel Geschwindigkeit gleich Beschleunigung mal Zeit und Weg gleich Geschwindigkeit mal Zeit die zurückgelegte Wegstrecke berechnen (zweimalige numerische Integration). Dieses Verfahren setzt man in Fahr- und Flugzeugen aller Art ein, um eine umgebungsunabhängige Wegmessung zu ermöglichen. Allerdings summieren sich über der Zeit auch die Messfehler auf, weshalb die Position in regelmäßigen Abständen mit Informationen aus anderer Quelle abgeglichen werden muss.

Triangulation

Integriert Bei der Triangulation peilt man den Messpunkt von zwei verschiedenen Standpunkten mit bekanntem Abstand mit Hilfe eines Theodolits oder eines anderen Winkelmessers an. Der Objektpunkt P und die beiden Standpunkte bilden ein Dreieck, dessen Basislänge

b

und dessen Basiswinkel

\alpha

und

\beta

man kennt. Damit kann man alle anderen Größen im Dreieck berechnen. Die Basislänge bildet dabei den Maßstab der Triangulation. Bereits im Alterum wurde die Triangulation zur Landvermessung eingesetzt und wird bis auf technische Neuerungen auch heute noch dafür verwendet. Hinzugekommen sind Verfahren der optischen Messtechnik wie die Streifenprojektion und die Photogrammetrie die andere Anwendungsbereiche erschlossen haben.

Trilateration

Die Trilateration ist kein Messverfahren, sondern basiert auf anderen direkten oder indirekten Entfernungsmessungen und dient im wesentlichen dazu, die räumliche Lage von Messpunkten zueinander auf der Basis von einfachen Abstandsmessungen zu bestimmen. Aus der räumlichen Lage zweier Punkte kann wiederum ihr Abstand berechnet werden. Die Trilateration misst somit keine Entfernungen, sondern dient der Übertragung von bekannten Entfernungen auf noch nicht vermessene Punkte.

Laufzeitmessung

Trilateration Die Laufzeitmessung beruht darauf, dass sich elektromagnetische und akkustische Wellen mit endlicher, bekannter Geschwindigkeit ausbreiten. Sendet man ein Signal zu einem Messobjekt von dem es reflektiert wird und misst die Zeit die es für den Hin- und Rückweg benötigt, so kann man aus der Laufzeit

\Delta t

und der Ausbreitungsgeschwindigkeit

c

des Signals, das ist die Gruppengeschwindigkeit der Welle, die Objektentfernung

r

berechnen: :

r = \frac

Fledermäuse nutzen Ultraschallsignale um die Entfernung von Hindernissen und Beutetieren zu bestimmen. In der Messtechnik findet sich das Verfahren im Echolot für die Tiefenmessung unter Schiffen und im Sonar für die Entfernungsmessung unter Wasser, meist in U-Booten, oder auch bei Ultraschallabstandssensoren. Radaranlagen nutzen elektromagnetische Wellen zur Entfernungsmessung. Auch Licht ist für dieses Verfahren geeignet. Es muss dabei aber beachtet werden, dass die Geschwindigkeit vom Medium in dem sich die Welle ausbreitet und dessem Zustand (z.B. Temperatur) empfindlich abhängt.

Interferometrie

Die Interferometrie mit kohärenten Wellen ist sehr präzise bei der Messung von Längenänderungen. Die Genauigkeit hängt im wesentlichen von der benutzen Wellenlänge ab. In der Praxis werden Licht- und Radiowellen genutzt. Um mit einem Interferometer auch Entfernungen messen zu können, werden das Phasenschiebeverfahren oder die Weißlichtinterferometrie eingesetzt.

Parallaxe

Zur Bestimmung von Entfernungen die über den Maßstab des Sonnensystems hinausgehen, werden verschiedene Parallaxenmethoden verwendet. Das Wort „Parallaxe“ wird hier im Sinne von „Entfernung“ gebraucht. Man unterscheidet dabei zwischen den folgenden:

Trigonometrische Parallaxe

Parallaxe Die trigonometrische Parallaxe ist die Veränderung der Blickrichtung zu einem Objekt gegenüber dem Himmelshintergrund der durch die jährliche Bewegung der Erde um die Sonne hervorgerufen wird. Die trigonometrische Parallaxe basiert somit auf der Triangulation, ihre Basislänge ist der Durchmesser der Erdbahn. Darüber hinaus spricht man auch von der täglichen Parallaxe die durch die Rotation der Erde hervorgerufen wird. Je weiter das Objekt entfernt ist, desto kleiner ist die Parallaxe. Aus ihr lässt sich direkt die Entfernung berechnen: :

r=1 / \pi

wobei hier die Entfernung r in Parsec und die Parallaxe

\pi

in Bogensekunden angegeben ist. Die erste Parallaxenmessung eines Sterns konnte 1838 von Friedrich Wilhelm Bessel für den Stern 61 Cygni durchgeführt werden. Er bestimmte einen Wert von etwa 0,3′′ und somit eine Entfernung von etwa 3,3 pc. Proxima Centauri, der Stern der der Erde am nächsten ist, hat eine Parallaxe von 0,762′′ was einer Entfernung von etwa 1,31 pc entspricht. Normalerweise lässt sich die Trigonometrische Parallaxe bis zu Entfernungen von etwa 100 pc bestimmen. Mit modernen Methoden sind heute aber auch schon Parallaxen von einigen Millibogensekunden gemessen worden. Zwischen 1989 und 1993 hat der Satellit HIPPARCOS etwa 100000 Sterne bis zu einer Helligkeit von 9 mag vermessen und ihre Parallaxen bestimmt. Er erreichte dabei einen Fehler von nur 0,001′′. Die bisher (2005) kleinste Parallaxe konnte für den Pulsar B1508+55 mit einem Radioteleskop bestimmt werden: sie betrug 0,415 Millibogensekunden (=0,000415′′) - das entspricht einer Entfernung von rund 2400 pc oder etwa 7800 Lichtjahren [http://www.nrao.edu/pr/2005/fastpulsar/].

Spektroskopische Parallaxe

Bei der spektroskopischen oder photometrischen Parallaxe wird nicht wie bei der trigonometrischen Parallaxe die Richtung des Lichtes untersucht, sondern die Qualität. Neben der Temperatur eines Sterns hängt die Intensität des bei uns ankommenden Lichts natürlich auch von der Entfernung ab wodurch es auch möglich ist, die Entfernung zu messen. Natürlich ist die Helligkeit eines Sternes, die direkt beobachtet werden kann, nur die sogenannte scheinbare Helligkeit m. Ein sehr heller Stern, der weit entfernt ist und ein sehr naher Stern, der aber nur schwach leuchtet können uns beide gleich hell erscheinen. Deswegen ist es notwendig, die absolute Helligkeit M zu definieren: sie entspricht der scheinbaren Helligkeit, die ein Objekt hätte wenn es genau 10 pc von der Erde entfernt wäre. Zwischen scheinbarer und absoluter Helligkeit besteht folgender Zusammenhang: :

m-M = -5 + 5\cdot\log r

wobei die Entfernung r in Parsec angegeben werden muss. Ist die absolute Helligkeit eines Objekts bekannt, lässt sich die Entfernung sofort aus der gemessenen scheinbaren Helligkeit berechnen. Die absolute Helligkeit lässt sich durch den Vergleich von Spektren bestimmen. Dabei wird das Spektrum des Objekts mit bekannter Entfernung als Maßstab verwendet - d.h. die spektroskopische Parallaxe baut direkt auf der trigonometrischen Parallaxe auf.

Dynamische Parallaxe

Die dynamische Parallaxe wird zur Entfernungsbestimmung von visuellen Doppelsternen verwendet. Dazu muss die Bahngeschwindigkeit

v

, die sich spektroskopische ermittlen lässt, bekannt sein; aus dem scheinbaren Abstand der beiden Sterne

a

und der Umlaufperiode

T

der Sterne um ihren Massenmittelpunkt kann man nun die Entfernung

r

berechnen.

Rotverschiebung

Die Entfernungsbestimmung mit Hilfe der Rotverschiebung des Lichts wird ausschließlich bei sehr weit entfernten Objekten wie Galaxien oder Pulsaren angewandt, da der Effekt nur bei sehr großen Entfernungen auftritt. Für die Rotverschiebung müssen bekannte Spektrallinien im Spektrum einer Galaxie identifiziert werden und ihre genaue Wellenlänge vermessen werden. Aus der Wellenlängendifferenz zwischen der rotverschobenen und der unverschobenen Spektrallinie kann man die relative Geschwindigkeit des Himmelskörpers berechnen. Aus der Geschwindigkeit lässt sich schließlich unter Kenntnis der Hubble-Konstante

H_0

mit der folgenden Formel die Entfernung

r

berechnen: :

r = z  \cdot c\cdot \frac

Die Rotverschiebung wird durch

z

angegeben,

c

bezeichnet die Lichtgeschwindigkeit. Auch dieses Verfahren muss mit Objekten bekannten Abstandes geeicht werden.

Messmittel

Für jeden Entfernungsbereich werden geeignete Messmittel benötigt. Im Folgenden wird ein Überblick über Messmittel für die verschiedenen Bereiche gegeben.

Alltag

Im menschlichen Alltag begegnen uns Entfernungen zwischen 0,1 Millimeter und 40000 Kilometer.

Direkte Messung

geeicht)]] Die direkte Messung ist die gebräuchlichste Methode der Entfernungsmessung im Alltag. Man vergleicht die zu messende Entfernung mit einem Vielfachen des Längennormals. Das erfolgt üblicherweise nicht mit einem Replikat des rechts dargestellten Urmeters, sondern mit einem preiswerten und handlichen Gliedermaßstab, Maßband oder Lineal. Mit diesen Messmiteln können auch längere Strecken bestimmt werden, indem man die Maßstäbe mehrfach hintereinander setzt. Dadurch vergrößert sich natürlich auch der Messfehler. Für sehr kleine Längen von 0,1 Millimeter bis 200 Millimeter verwendet man mechanische Präzisionsmessinstrumente wie Messschieber oder Mikrometerschrauben.

Hodometer

Die Entfernungsmessung mit dem Hodometer ist den meisten Menschen geläufig, wenn sie sie nicht sogar selbst schon durchgeführt habe. Fast jedes Kraftfahrzeug verfügt über ein Hodometer: der Kilometerzähler. Durch Zählen der Radumdrehungen wird die gefahrene Strecke ermittelt. Das Verfahren erzeugt zwar Ungenauigkeiten von einigen Prozent der Wegstrecke, das genügt aber für die typischen Entfernungen zwischen 100 Meter und 1.000.000 Kilometer.

Triangulation

Bei Strecken von einigen Kilometern wie man sie in der Landvermessung bestimmen muss greift man zur Triangulation. Hierbei entscheidet die Genauigkeit der Winkelmessung und die Länge des Vergleichsmaßstabes über die erreichbare Messgenauigkeit. Ein Triangulationsnetz kann bis auf ein Millionstel (0, 000 001) der gemessenen Länge genau sein. Eine Vermessung von Deutschland, das rund 1000 Kilometer groß ist, würde also einen Fehler von rund einem Meter aufweisen.

Radar

Radar Mit Radaranlagen wie der rechts dargestellten können Entfernungen zwischen wenigen hundert Metern und mehreren zehntausend Kilometern gemessen werden. Die Antenne sendet kurze Impulse bei einer Frequenz von einigen Gigahertz (

10^9

Hertz) und misst die Zeit bis zum Empfang des vom Messobjekt reflektierten Signals. Neben der Entfernung können auch noch die Geschwindigkeit und die Richtung des Objektes gemessen werden.

Nano- und Mikrowelt

Die sichtbare Welt ist durch die Wellenlänge des sichtbaren Lichts beschränkt. Dinge die kleiner sind als die Lichtwellenlänge von etwa einem Mikrometer sind nicht mehr direkt beobachtbar. Bis zu dieser Grenze kann man aber noch sehr gut direkte Messungen für vornehmen. Dazu verwendet man Messmikroskope und mikroskopische Maßstäbe die man mit der Objektgröße vergleicht. Die optische Messtechnik bietet viele verschiedene Verfahren die im Bereich bis ein Mikrometer und sogar deutlich darunter praktikabel sind. Das Phasenschiebeverfahren ermöglicht genauso Abstandsmessungen bis zu einem Hundertstel der Lichtwellenlänge, wie Interferometer oder Weißlichtinterferometer.

Atome und Elementarteilchen

Atome und Elementarteilchen füllen den Raum unterhalb von einem Nanometer (

10^

Meter). Die Größe von Atomen und Elementarteilchen bestimmen die Physiker mit Hilfe von Streuexperimenten oder so ausgefeilten Instrumenten wie Rasterkraftmikroskopen. Geht es aber um so kleine Längenänderungen, auch bei sehr großen Referenzstrecken, so lassen sich die Methoden der Interferometrie soweit verfeinern, wie das beim GEO600-Experiment geschehen ist, das damit einer Genauigkeit von nur

6\cdot 10^

Metern bei einer Referenzstrecke von 600 Metern zu den genauesten Messinstrumenten der Welt gehört.

Unser Sonnensystem

Für sehr großen Entfernungen die über unsere Erde hinausreichen hat die Astronomie eine große Fülle von Messverfahren entwickelt, die teilweise auf sehr spezielle Anwendungsfälle zugeschnitten sind.

Entfernung des Mondes

Astronomie Astronomie Der Mond nimmt bei der Entfernungsmessung unter den Himmelskörpern in unserem Sonnensystem eine Sonderstellung ein. Seit der ersten Mondlandung 1969 ist eine äußerst exakte Entfernungsbestimmung möglich. Von der Besatzung der Apollo 11 wurde damals ein Laser Reflektor (""lunar laser ranging retroreflector array.") auf der Mondoberfläche (im Mare Tranquillitatis) aufgestellt (siehe Bild). Dadurch ist es möglich die Entfernung des Mondes auf ein paar Zentimeter genau zu bestimmen. Dazu wird von der Erdoberfläche ein Laserstrahl ausgesandt (siehe Bild) der genau auf den Reflektor auf der Mondoberfläche gerichtet ist. Durch dessen Struktur wird der Laserstrahl wieder exakt zum Sender zurückgeworfen. Im Normalfall kommen vom ausgesandten Signal nur wenige Photonen (manchmal nur ein einziges!) zurück, die dort detektiert werden können. Aus der Zeit, die zwischen Aussendung und der Rückkehr des reflektierten Signals vergeht, lässt sich dann die Entfernung genau bestimmen. Neben dem Reflektor der Apollo 11 Mission wurden später auch 3 weitere Laserspiegel auf der Mondoberfläche aufgestellt. Zwei durch die NASA während der Apollo 14 (1971 im Krater Fra Mauro) und der Apollo 15 Mission (1971 in der Hadley-Rille); zusätzlich enthielt das sowjetische Mondfahrzeug Lunochod 2 das 1973 während der unbemannten Mondmission Luna 21 auf dem Mond im Le Monnier Krater stationiert wurde eine Laser Reflektor. Durch die seit mehr als 35 Jahren andauernden Messungen konnte nicht nur die Mondentfernung äußerst exakt bestimmt werden, sondern es wurden auch Erkenntnisse über viele anderen Gebiete gewonnen. So konnte z.b. festgestellt werden das sich der Mond um etwa 3,8 cm pro Jahr von der Erde weg bewegt - Grund dafür ist die Gezeitenreibung die den Drehimpuls der Erde verringert. Durch die genau Messung des Abstandes konnte auch der numerische Wert der Gravitationskonstante sehr genau errechnet werden. Seit Beginn der Messungen unterscheiden sich die so bestimmten Werte nur um eine Faktor von

10^

. Auch die Gültigkeit der allgemeinen Relativitätstheorie lies sich durch die exakten Abstandsmessungen bestätigen. Im Jahr 2003 wurde die APOLLO ("Apache Point Observatory Lunar Laser-ranging Operation") geründet: mit dem 3,5 Meter Teleskops der Apache Point Sternwarte in New Mexico ist es jetzt möglich, die Entfernung des Mondes auf ein paar Millimeter genau zu bestimmen!

Radarmessungen

Für die inneren Planeten Merkur, Venus und Mars, sowie die Asteroiden können die Astronomen aktive Laufzeitmessungen verwenden. Dabei greifen sie auf eine verfeinerte Radar-Entfernungsmessung zurück. Bei weiter entfernten Objekten versagt das aber, da die Signallaufzeit zu lange und die reflektierte Energie zu klein wird.

Die Milchstraße

Bei Entfernungen die über unser Sonnensystem hinausreichen hilf zunächst ein Verfahren das auch in der Landvermessung gebräuchlich ist: Die Triangulation die in der Astronomie als Trigonometrische Parallaxe bezeichnet wird. Mit ihr sind Entfernungen bis

10^

Meter bestimmbar. Das genügt um die Entfernung der benachbarten Regionen der Milchstraße zu vermessen.

Die Galaxien und das Weltall

Für Entfernungen über 100 Exameter (rund 100.000 Lichtjahre) jenseit unserer Milchstraße benutzen die Astronomen die fotometrische Parallaxe. Um diese Verfahren zu Eichen werden sogenannte „Standardkerzen“, also bestimmte Sterne die eine bekannte Relation von Helligkeit und Entfernung besitzen verwendet. Dies trifft beispielsweise bei den Cepheiden zu. Um schließlich die Ausdehnung des Universums zu vermessen wird die Rotverschiebung der Galaxien bestimmt. So wird ein Bereich bis rund

10^

Meter erfasst.

Literatur

- Fritz Deumlich, Rudolf Staiger: Instrumentenkunde der Vermessungstechnik, 9. Aufl., Wichmann, Heidelberg, 2001, ISBN 3-87907-305-8
- Walter Grossmann: Winkel- und Streckenmessgeräte, de Gruyter, Berlin - New York 1983, ISBN 3-11-009601-3
- Karl Kraus: Photogrammetrie. de Gruyter, 2004, ISBN 3-11-017708-0
- Thomas Luhmann: Nahbereichsphotogrammetrie. Wichmann, Heidelberg, 2003, ISBN 3-87907-398-8
- McGlone, Mikhail, Bethel (Hrsg.): Manual of Photogrammetry, 5th edition. ASPRS, 2004, ISBN 1-57083-071-1
- Rudolf Sigl: Geodätische Astronomie, Wichmann, Karlsruhe 1975, ISBN 3-87907-041-5
- Hans Zetsche: Elektronische Entfernungsmessung, Konrad Wittwer, Stuttgart 1979, ISBN 3-87919-127-1 Kategorie:Geodäsie Kategorie:Fotografie Kategorie:Navigation Kategorie:Messtechnik Kategorie:Optische Messtechnik Kategorie:Astronomie

Längenmaß

Unter einem Längenmaß versteht man eine Einheit zur Messung der Länge eines Körpers, einer Strecke oder Linie in einer Dimension (siehe Längenmessung). International genormte Grundeinheit der Länge ist das Meter. Es ist die durch das Internationale Einheitensystem festgelegte gesetzliche Maßeinheit in den meisten Staaten und zudem auch eine SI-Basiseinheit. Von ihm sind weitere Einheiten abgeleitet. Durch Vorsätze (Präfixe) wird angegeben, mit welchem Faktor der Meter multipliziert werden muss, siehe Liste der Vorsilben für Maßeinheiten. Definiert ist das Meter nicht mehr in Krypton-Wellenlängen, sondern über die Lichtgeschwindigkeit (im Vakuum c = 299 792 458 m/s), es hängt somit von der Definition der Sekunde ab. Einheiten und Umrechnung
- Kilometer: 1 km = 1000 m = 10³ m
- Hektometer: 100 m = 10² m
- Dekameter: 10 m = 10¹ m
- Meter: 1 m = 1000 mm = 10⁰ m
- Dezimeter: 1 dm = 100 mm = 10^-1 m
- Zentimeter: 1 cm = 10 mm = 10^-2 m
- Millimeter: 1 mm = 1000 µm = 10^-3 m
- Mikrometer: 1 µm = 1000 nm = 10^-6 m
- Nanometer: 1 nm = 1000 pm = 10^-9 m
- Picometer: 1 pm = 1000 fm = 10^-12 m
- Femtometer: 1 fm = 1000 am = 10^-15 m
- Attometer: 1 am = ... = 10^-18 m Die SI-Präfixe für mehr als 10³ werden aus Tradition üblicherweise nicht benutzt. Neben diesen Derivaten der SI-Grundeinheit Meter waren und sind zum Teil noch heute weitere Einheiten in Gebrauch, beispielsweise
- Linie ~= 2,2 mm (Pariser L., bis heute für Teilung von Libellen)
- Zoll 1 in = 1" = 2,54 cm (engl. inch)
- Fuß (engl. foot, Pl. feet), 1 ft = 12 in = 0,3048 m. Die globale Einführung des Fuß als Höhenmaß der Luftfahrt (um 1980) ist eigentlich ein Verstoß gegen die SI-Konvention
- Elle (Länge je nach Region und Epoche unterschiedlich)
- Klafter ~= 1,90 m (ausgestreckte Männerarme)
- Seemeile oder nautische Meile, 1 sm = 1,852 km (entspricht 1' Breitendifferenz in der Navigation)
- Meile 1 mi > 1 km (Landmeile, engl. Mile; Länge je nach Region und Epoche unterschiedlich)
Heute am wichtigsten ist die Statute Mile der USA mit 1,609344 km.
- Werst 1066,8 m (Russland)
- Sun 1 sun = 1000/33 m (Japan)
- Astronomische Einheit 1 AE = 149,597870691 · 10⁹ m, auch AU (mittl. Distanz Erde-Sonne)
- Lichtjahr 1 Lj = 9,460528 · 10¹⁵ m = 63240 AE, auch ly und lyr (in der Astronomie)
- Parsec 1 pc = 30,856776 · 10¹⁵ m = 206264,8 AE (in der Astronomie)
- Ångström 1 Å = 10^-10 m (früher zur Angabe des Atomradius)
- Punkt 1 P = 0,375 mm, 1 p = 0,376 065 mm oder 1 pt = 0,352 778 mm = 1/72 in (im Druckereigewerbe)
- Stich (in der Schuhbranche), z. B. 1 franz. Stich = 2/3 cm
- Rute (landwirtschaftliches Längenmaß), Preußen: 1 R. = 3,7663 m, Sachsen: 1 R. = 4,2951 m
- Leuge (antikes keltisches Längenmaß), 2.220 m
- Stadion (antikes griechisches Längenmaß) = 600 Fuß, regional unterschiedlich zwischen 158,5 und 211 Meter. Die auf dem Inch (") basierenden Einheiten Fuß (ft), Yard usw., die in der Beziehung zum Meter genormt sind, werden weiter im täglichen Leben in den USA verwendet. Die Wissenschaft ist schon längst zu den metrischen Einheiten übergegangen.

Siehe auch

- Flächenmaß, Raummaß
- Geschichte von Maßen und Gewichten, Alte Maße und Gewichte
- Größenordnung (Länge), Physikalische Größen und ihre Einheiten, Meterkonvention
- Lichtgeschwindigkeit
- Erdmessung

Weblinks

- [http://www.marco-burmeister.de/index_frameaufbau.html?helferlein_laengenmasse Umrechnung von Längenmaßen (Online)]
- [http://calc.skyrocket.de/de Online Einheiten Umrechner: Umrechnung sehr vieler Einheiten] Kategorie:Einheitenumrechnung

Meter

Das Meter (v. griech.: μέτρον/métron = Maß, -messer) – auch der Meter, in der Schweiz und Österreich immer der Meter – ist die SI-Basiseinheit der Länge. Das Einheitenzeichen des Meters lautet m und das Formelzeichen der Länge l.

Aktuelle Definition

Das Meter ist definiert als die Strecke, die das Licht im Vakuum in einer Zeit von 1/299.792.458 Sekunde zurücklegt. Zur Umstellung von der Länge eines standardisierten Messstabes auf die zeitbasierte kam es, weil die Messung von Zeiten zwischenzeitlich wesentlich genauer erfolgt, als die Messung von Längen.

Alte Definitionen

Der Definition des Meters gingen einige Vorschläge voraus, eine universelle Längeneinheit zu definieren, die nicht – wie damals üblich – von den Abmessungen der Gliedmaßen des jeweiligen Herrschers abgeleitet war. So schlug der Abt Jean Picard zum Beispiel 1668 vor, als Längeneinheit die Länge eines Pendels zu verwenden, das eine halbe Periodendauer von einer Sekunde hatte (Sekundenpendel). Ein solches Pendel hat die Länge von 0,994 m und käme damit der heutigen Definition eines Meters ziemlich nahe. Der Begriff Meter für diese Längeneinheit wurde allerdings zum ersten Mal von Tito Livio Burattini im Jahr 1675 verwendet. Er bezeichnete die Länge des Sekundenpendels als Metro Cattolico (katholischer Meter). 1675 Im Jahr 1793 wurde der Meter dann als der 40-millionste Teil der Länge des Erdmeridians, auf dem Paris liegt, also auf den zehnmillionsten Teil der Entfernung vom Pol zum Äquator, festgelegt. Im Jahr 1795 wurde ein Prototyp dieses Meters in Messing, im Jahr 1799 schließlich als Urmeter in Platin gegossen. Zur Bestimmung der Länge des Urmeters dienten die Ergebnisse der von Jean-Baptiste Joseph Delambre und Pierre Méchain zwischen 1792 und 1799 vorgenommenen Vermessung des Meridianbogens zwischen Dünkirchen und Barcelona. Genauere Vermessungen der Erde kamen später allerdings zu dem Ergebnis, dass das Urmeter ein wenig zu kurz geraten war. 1889 wurde vom zwischenzeitlich gegründeten BIPM ein neuer Standard eingeführt. Dazu wurde der internationale Meterprototyp angefertigt, ein Stab mit kreuzförmigem Querschnitt aus einer Platin-Iridium-Legierung im Verhältnis 90:10 und ein Meter wurde festgelegt als der Abstand der Mittelstriche zweier Strichgruppen bei einer Temperatur von 0 °C. Damit richtete sich das Meter nicht mehr nach der Vermessung der Erde. Kopien dieses Meterprototyps wurden an die Eichinstitute in vielen Ländern vergeben. Von 1960 bis 1983 war das Meter das 1.650.763,73-fache der Wellenlänge der sich im Vakuum ausbreitenden Strahlung, die von Atomen des Nuklids Krypton-86 beim Übergang vom Zustand 5d5 zum Zustand 2p10 ausgesandt wird. Seit 1983 wird das Meter als die Strecke definiert, die das Licht im Vakuum in einer Zeit von 1/299.792.458 Sekunde zurücklegt. Der Grund für diese Neudefinition ist, dass mittlerweile die Zeit (mit Atomuhren) viel genauer messbar ist als Strecken. Dies hat auch zur Folge, dass die Lichtgeschwindigkeit nun nicht mehr gemessen werden kann, sondern als Konstante festgelegt ist mit 299.792.458 m/s.

Abgeleitete Maßeinheiten

Im folgenden werden einige Beispiele für verschiedene Längen beschrieben. Zu den Vorsilben siehe auch die Liste der Vorsilben für Maßeinheiten.

Bekannte

Kilometer

Ein Kilometer, abgekürzt km, entspricht 1.000 Metern: 1 km = 10³ m.

Zentimeter

Ein Zentimeter (veraltet auch Centimeter), abgekürzt cm, entspricht dem Hundertstel eines Meters: 1 cm = 10^-2 m oder 0,01 m. Der Zentimeter ist die cgs-Einheit der Länge. Siehe auch: inch

Millimeter

Ein Millimeter, abgekürzt mm, entspricht dem Tausendstel eines Meters: 1 mm = 10^-3 m oder 0,001 m.

Mikrometer

Ein Mikrometer (veraltet auch Mikron nach seiner alten Bezeichnung, oder My nach dem griechischen Buchstaben µ), abgekürzt µm, entspricht dem Millionstel eines Meters: 1 µm = 10^-6 m = 0,000 001 m. Oder 1 µm = 10^-3 mm, also ein eintausendstel Millimeter. My bezeichnet darüber hinaus im umgangssprachlichen Gebrauch oft kleinste Längen, die gerade noch erkennbar sind, obwohl ein Mikrometer eigentlich nicht mit freiem Auge wahrgenommen werden kann. Die Messschraube, ein Längenmessgerät, wird wegen ihrer Genauigkeit oft Mikrometerschraube oder kurz Mikrometer genannt.

Nanometer

Ein Nanometer, abgekürzt nm, entspricht dem Milliardstel eines Meters: 1 nm = 10^-9 m. Oder 1 nm = 10^-6 mm, also ein millionstel Millimeter. Ein Nanometer entspricht in einen Stück Metall ungefähr einer Strecke von vier benachbarten Atomen. Die kleinsten mit einem Lichtmikroskop erkennbaren Strukturen sind etwa 500 nm groß. Zur Untersuchung von Strukturen unterhalb von 500 nm verwendet man Rasterelektronenmikroskope, Rastertunnelmikroskope oder Rasterkraftmikroskope. siehe auch: Nanotechnologie

Pikometer

Ein Pikometer (veraltet auch Picometer), abgekürzt pm, entspricht dem Billionstel eines Meters: 1 pm = 10^-12 m. Der Pikometer ist geeignet für Messungen innerhalb der Atomhüllen. Ein Atom hat einen Durchmesser zwischen 50 und 600 pm. Der Durchmesser eines Atomkerns liegt um 0,01 pm. 100 pm = 1 Ångström.

Femtometer

Ångström Ein Femtometer (Einheitenzeichen: fm), ist das Billiardstel eines Meter:und ein Billionstel von einen Millimeter 1 fm = 10^-15 m. Der Femtometer wurde früher in der Atom- und Kernphysik auch als Fermi bezeichnet; seine Verwendung führt zu übersichtlichen Zahlenwerten bei der Angabe von Atomkern-Durchmessern. Denn der Durchmesser eines Atomkerns beträgt etwa 10 fm. Protonen und Neutronen haben einen Durchmesser von etwa 1,6 fm . Die kleinsten Atomradien messen 51000 fm = 51 pm.

Weniger bekannte

- Ein Megameter, abgekürzt Mm, entspricht 1.000 Kilometern = 10⁶ m.
- Ein Myriameter entspricht 10.000 m = 10 km = 10⁴ m. Der Gebrauch der Vorsilbe myria ist jedoch seit 1960 nicht mehr zulässig.
- Ein Hektometer abgekürzt hm, entspricht 100 m = 10² m.
- Ein Dekameter abgekürzt dam, entspricht 10 m = 10¹ m.
- Ein Dezimeter, abgekürzt dm, entspricht dem Zehntel eines Meters: 1 dm = 10^-1 m.
- Ein Attometer, abgekürzt am, entspricht dem Trillionstel eines Meters: 1 am = 10^-18 m.
- Ein Zeptometer, abgekürzt zm, entspricht dem Trilliardstel eines Meters: 1 zm = 10^-21 m.
- Ein Yoktometer, abgekürzt ym, entspricht dem Quadrillionstel eines Meters: 1 ym = 10^-24 m.

Siehe auch

- SI-Einheiten
- -metrie
- -meter
- Metrik
- Meterstab
- Maßeinheiten
- Längenmaß

Weblinks

- [http://www.ptb.de/de/wegweiser/einheiten/_index.html Die Physikalisch-Technische Bundesanstalt PTB als "Hüterin der Einheiten"] Kategorie:SI-Einheit ja:メートル ko:미터 ms:Meter simple:Metre th:เมตร

Elementarteilchen

Elementarteilchen sind die kleinsten bekannten Bausteine der Materie. Ihre Eigenschaften lassen sich nicht anschaulich beschreiben, da sie aufgrund ihrer geringen Größe quantenmechanischen Gesetzmäßigkeiten gehorchen. Nachdem die Atomtheorie des Demokrit sich durch die Entwicklung der Chemie im 18. Jahrhundert bestätigte, galten die Atome als 'elementare' Teilchen. Anfang des 20. Jahrhunderts entdeckte man, dass Atome aus einem Atomkern (bestehend aus Nukleonen, also Protonen und Neutronen) und einer Hülle (bestehend aus Elektronen) aufgebaut sind. Das Neutron ist kein stabiles Elementarteilchen, da es außerhalb des Atomkerns radioaktiv zerfällt. Protonen und Elektronen gelten als stabil. Nach der Entdeckung der Elementarteilchen, die das Atom aufbauen, wurde eine Vielzahl weiterer Teilchen (Pion, Neutrino) sowie Antiteilchen entdeckt.

Einteilung der Elementarteilchen

Elementarteilchen haben eine Reihe von Eigenschaften: Masse, verschiedene Ladungen, Spin. Daneben unterscheidet man zusammengesetzte von unteilbaren Elementarteilchen. Solche Eigenschaften erlauben eine Einteilung der bekannten Elementarteilchen.

Einteilung nach "Funktion"

Drei der Grundkräfte der Physik sind für die Elementarteilchen relevant:
- Die Starke Wechselwirkung
- Die Schwache Wechselwirkung
- Die Elektromagnetische Wechselwirkung Diese Wechselwirkungen werden in Quantenfeldtheorien (Quantenchromodynamik, Glashow-Weinberg-Salam-Modell der elektroschwachen Wechselwirkung, Quantenelektrodynamik) beschrieben. Die Gravitation kann man, aufgrund ihrer relativ geringen Stärke, im Wirkungsraum des Inneren eines Atoms vernachlässigen. Je nach der Wechselwirkung, der ein Elementarteilchen unterliegt, wird ihm eine Ladung (starke Ladung (oder Farbladung), schwache Ladung, elektrische Ladung) zugeordnet. Die Wechselwirkung innerhalb jeder dieser drei Typen wird von wechselwirkungsspezifischen Austauschteilchen oder Botenteilchen, so genannten Eichbosonen, vermittelt. Diese auch "intermediäre Bosonen" genannten Teilchen zeichnen sich immer durch einen ganzzahligen Spin aus. In diesem Sinne unterscheidet man zwischen den eigentlichen "Bausteinen" der Materie und den zwischen diesen Bausteinen vermittelnden Elementarteilchen. Beispiele für erstere sind Atombausteine (Proton, Neutron, Elektron). Eine ausführlichere Behandlung folgt weiter unten. Die Eichbosonen der drei Wechselwirkungen sind das Gluon (starke Wechselwirkung), die Z- und W-Bosonen (schwache Wechselwirkung) und das Photon (elektromagnetische Wechselwirkung). Interessanterweise tragen die Gluonen selbst wieder eine starke Ladung, so dass sie nicht nur Träger der starken Wechselwirkung sind, sondern ihr auch unterliegen. Die W-Bosonen der schwachen Wechselwirkung tragen eine elektrische Ladung und wechselwirken demnach auch elektromagnetisch.

Einteilung nach Wechselwirkung

Die kleinsten Bausteine der Materie lassen sich am einfachsten in zwei Gruppen unterteilen: Teilchen, die der starken Wechselwirkung unterliegen, und Teilchen, die der starken Wechselwirkung nicht unterliegen. Teilchen, die der starken Wechselwirkung unterliegen, werden als Hadronen bezeichnet. Nach der Theorie der Quantenchromodynamik sind sie aus elementaren Quarks zusammengesetzt, die durch die Träger der starken Wechselwirkung, die Gluonen, zusammengehalten werden. Insofern sind Quarks die grundlegenden stark wechselwirkenden Materiebausteine; sie besitzen den Spin 1/2 und gehören damit der Gruppe der Fermionen an. Hadronen werden weiter unterteilt in Mesonen (Bestehen aus einem Quark und einem Antiquark (dem Antiteilchen eines Quarks)) und Baryonen (Bestehen aus drei Quarks, (bzw. Antibaryonen aus jeweils drei Antiquarks)). Nur Baryonen können Atomkerne bilden. Bekannte Baryonen sind das Proton und das Neutron. Teilchen, die der starken Wechselwirkung nicht unterliegen, werden als Leptonen bezeichnet. Die Theorie der Elektroschwachen Wechselwirkung behandelt die Leptonen als elementare Teilchen. Bekannte Leptonen sind das Elektron, das Myon und die Neutrinos. Alle Leptonen besitzen den Spin 1/2 und gehören damit der Gruppe der Fermionen an.

Unteilbare und zusammengesetzte Elementarteilchen

Die unteilbaren Elementarteilchen sind hinreichend, alle bekannten Elementarteilchen zu erklären. Man betrachtet heute Quarks und Leptonen sowie Eichbosonen als unteilbar. Quarks und Leptonen haben alle einen Spin von 1/2; alle Eichbosonen besitzen einen Spin von 1. Zusammengesetzte Elementarteilchen entstehen aus der Kombination dreier Quarks (Baryon, Spin 1/2 oder 3/2) oder aus der Kombination eines Quarks mit einem Antiquark (Meson, Spin 0 oder 1). Das Proton und das Neutron sind Baryonen, das Pion und das Kaon sind Mesonen.

Einteilung nach Spin

Systeme von Elementarteilchen zeigen unterschiedliches (statistisches) Verhalten, je nachdem, ob sie halb- oder ganzzahligen Spin besitzen. Elementarteilchen mit ganzzahligem Spin (Eichbosonen, Mesonen) werden als Bosonen bezeichnet. Elementarteilchen mit halbzahligem Spin (Leptonen, Baryonen) werden als Fermionen bezeichnet.

Einteilung - Zusammenfassung

Die Quantenfeldtheorien beschreiben die Wechselwirkung der 'elementarsten' bekannten Elementarteilchen (Quarks, Leptonen) durch Austauschteilchen (Photon, Gluon, Z-Boson, W-Boson). Innerhalb der Quantenfeldtheorien können sich Elementarteilchen nach bestimmten Regeln (Erhaltung von Energie, Ladung, Spin) ineinander umwandeln.

Bekannte Elementarteilchen

Leptonen und Quarks

c

ist dabei die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum. Die oben genannten Quarks kommen in jeweils drei "Ausführungen" vor, die sich durch die Farbladung unterscheiden, jeweils ein rotes, blaues und grünes (die Farbladung hat nichts mit der sichtbaren Farbe zu tun). Da Quarks niemals frei sondern nur in Verbindung mit anderen Quarks als Mesonen oder Baryonen vorkommen, sind die Quarkmassen nur sehr ungenau bestimmt. Für top- und bottom-Quark waren auch die Namen truth- und beauty-Quark gebräuchlich. Zu jedem der oben genannten Fermionen gibt es ein Antiteilchen. Das Antiteilchen des Elektrons heißt Positron, bei den anderen Teilchen wird einfach die Silbe "Anti-" vor den Namen gesetzt (bzw. bei Neutrinos vor das Wort "Neutrino", also z.B. Myon-Antineutrino, nicht Antimyon-Neutrino). Beim Neutrino könnte es jedoch auch sein, dass es mit seinem Antiteilchen identisch ist. Wenn dies der Fall ist, sollte es einen neutrinolosen doppelten Betazerfall geben.

Eichbosonen

(in Klammern: Teilchen vermutet, noch nicht gefunden) Es gibt insgesamt 8 Gluonen, die sich in ihrer Farbladung unterscheiden. Das Antiteilchen eines Gluons ist ein anderes Gluon. Von den anderen elementaren Bosonen gibt es jeweils nur eines. W⁺ ist das Antiteilchen zu W^-, die ungeladenen Bosonen sind ihre eigenen Antiteilchen.

Das Higgs-Boson

Das Higgs-Boson ist ein bislang nicht nachgewiesenes, hypothetisches Elementarteilchen. Es wird aufgrund theoretischer Überlegungen mit einer Masse von etwa 110 bis 250 GeV vom Standardmodell der Elementarteilchenphysik vorausgesagt. Das Higgs-Boson (oder Verallgemeinerungen desselben in erweiterten Theorien) ist notwendiger Bestandteil heute akzeptierter Theorien. Ohne das Higgs-Boson kann die Masse der Leptonen und Quarks nicht verstanden werden.

Mesonen (Auswahl)

Keine Elementarteilchen im eigentlichen Sinne, da aus anderen Elementarteilchen aufgebaut. In der Spalte Quarks werden Anti-Quarks überstrichen und rot dargestellt.
Das neutrale Pion stellt quantenmechanisch eine Überlagerung zweier verschiedener Quark-Kombinationen dar. Neutrales Kaon und Anti-Kaon kommen jeweils in zwei Versionen mit unterschiedlicher Lebensdauer vor. Neutrales Pion, Jot-Psi und Ypsilon sind jeweils ihr eigenes Anti-Teilchen.

Baryonen (Auswahl)

Keine Elementarteilchen im engeren Sinne, da nicht unteilbar, sondern aus anderen Elementarteilchen bestehend!

Quellen und Weblinks

- Datenquelle zu Leptonen und Quarks, Eichbosonen:
- Massen größtenteils aus http://www.teilchenphysik.org/temp_tpthemen_elementart.htm
- Datenquellen zu Mesonen, Baryonen:
- Kleine Enzyklopädie Physik, Leipzig, 1986, ISBN 3-323-00011-0
- dtv-Atlas zur Physik 2, München, 1988, ISBN 3-423-03227-8
- Harald Fritzsch: Quarks, München, 2001, ISBN 3-492-21655-2
- [http://www.kworkquark.net KworkQuark - DESYs Teilchenphysik-Online]
- Englischsprachige Datenquellen:
- [http://pdg.lbl.gov/ Particle Data Group]
- Weitere Weblinks:
- [http://www.didaktik.physik.uni-erlangen.de/grundl_d_tph/titelseite.html Grundlagen der Teilchenphysik]
- [http://www.teilchenphysik.org Deutsche Teilchenphysik Outreach und Info Seiten]
- [http://alephwww.physik.uni-siegen.de/~brandt/abend/index.html Siegmund Brandt: Auf der Suche nach den kleinsten Dingen]
- [http://www.cern.ch Kernforschungszentrum CERN] !Elementarteilchen Kategorie:Teilchenphysik ja:基本粒子 ko:기본입자

GEO600

GEO600 ist ein Gravitationswellendetektor auf Basis eines Michelson-Interferometer mit 600m Schenkellänge in Ruthe bei Hannover, der Gravitationswellen messen und dadurch neue Einblicke ins Universum ermöglichen soll. GEO 600 wurde 1995 eingerichtet, Testläufe fanden im Sommer 2002 und Ende 2003 statt. 2005/06 soll der reguläre Betrieb aufgenommen werden. Betrieben wird GEO600 vom Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik (Albert-Einstein-Institut) in Potsdam, gemeinsam mit der Universität Hannover und britischen Forschern von den Universitäten Cardiff und Glasgow. Von außen sieht GEO600 recht spartanisch aus. Zu sehen sind drei Containerhütten (in ihnen verbirgt sich hochmoderne Lasertechnik) und zwei, jeweils 600 m langen, mit Wellblech abgedeckte Gräben. Da GEO600 mit einem Budget von nur 6 Mio. Euro auskommen muss - rund einem Zehntel der üblichen Summe -, konzentriert man sich hier auf das Wesentliche. Mit innovativen Ideen, viel Eigenbau und der begeisterten Mitarbeit von Studenten und Doktoranden entstand in einfacher Hülle ein physikalisches Großexperiment ersten Ranges. Die großen Herausforderungen bestehen darin, die vielen Störquellen, die ein Signal verdecken würden, auszuschalten. Dazu gehören z.B. Luftdruck- und Temperaturschwankungen sowie Bodenerschütterungen aller Art. Die bisher verfügbaren Technologien wurden an ihre Grenzen getrieben und weiterentwickelt: Laserstabilisierung, absorptionsfreie Optik, Regelungstechnik, Schwingungdämpfung und Datenverarbeitung (pro Tag fallen ca. 50-60 GB an Daten an) erhielt durch die GEO600-Wissenschaftler ganz neue Impulse. Eine Spezialität ist beispielsweise die Verstärkung von Laserlicht und Signal (Duales Recycling): Durch zusätzliche Spiegel werden sowohl Laserlicht als auch Signal jeweils mehrfach konstruktiv mit sich selbst überlagert und so verstärkt. Zu den wegweisenden Entwicklungen von GEO600 gehört außerdem die Aufhängung der Spiegel an Glasfasern. Weiterhin werden die Endspiegel durch aktive Schwingungsdämpfer und durch eine dreistufige Pendelaufhängung von seismischen Störungen isoliert.

Funktionsweise

Das Experiment besteht aus zwei 600 m langen Röhren, dem Michelson-Interferometer, einem Filterbauteil und einem starken Laser. Letzter schickt einen fast 20 Watt starken Lichstrahl über einen Strahlteiler durch die im Winkel von 90 Grad angeordneten Röhren. An deren Ende werden die Strahlen reflektiert und laufen in der Fotodiode des Interferometers wieder zusammen. Die Laufzeitunterschiede des Lichts aus den beiden Röhren geben über die Stauchungen der Raumzeit Auskunft. Die Messungen müssen sehr genau sein, um die winzigen Schwankungen in der Raumzeit feststellen zu können. Geo 600 ist Teil einer internationalen, aus fünf Instrumenten bestehenden Einrichtung namens LIGO Scientific Collaboration, die als Vorstufe eines Weltraumgravitationswellendetektors (Laser Interferometer Space Antenna LISA) mit erheblich größerer Empfindlichkeit gesehen werden.

Einstein@home

Die LIGO Scientific Collaboration betreibt zur Auswertung ihrer Daten ein Distributed Computing Projekt namens Einstein@home, ähnlich dem SETI Projekt, an dem jeder teilnehmen kann.

Technische Daten

Vakuumrohr: 2 x 600 m Länge, 60 cm Durchmesser, 0,8 mm Dicke Vakuum: Druck <

10^

mbar Laser: diodengepumpter Nd:YAG-Laser bei 1064 nm Laserleistung: 10 W Ausgangsleistung (Einmodenbetrieb) Leistungsverstärkung: bis zu 10 kW Signalverstärung: bis zu 100fach Optik: Quarzglaspiegel mit 25 cm Durchmesser Frequenzbereich: 50 Hz bis 2 kHz, Bandbreite 60 Hz bis 1 kHz Relative Empfindlichkeit:

10^

für pulsförmige Signale

Weblinks

- [http://www.geo600.uni-hannover.de www.geo600.uni-hannover.de] - GEO600 Homepage
- [http://www.aei.mpg.de www.aei.mpg.de] - Homepage des Albert-Einstein-Instituts (englisch)
- [http://einstein.phys.uwm.edu einstein.phys.uwm.edu] - Einstein@home Webseite
- [http://www.ligo.org www.ligo.org] - LIGO Scientific Collaboration
- [http://maps.google.com/maps?ll=52.246827,9.808216&spn=0.022515,0.055610&t=k GEO600 at Google Maps] Kategorie:bodengebundenes Observatorium Kategorie:astronomische Beobachtungseinrichtung Kategorie:Gravitation

Messschieber

] Der Messschieber ist ein Längenmessgerät. Für die Messung von Außen- und Innenmaßen besitzt der Messschieber jeweils zwei Messflächen. Außerdem verfügt er meist über eine weitere Messfläche zur Tiefenmessung. Die klassische Ausführung des Messschiebers hat zur Steigerung der Ablesegenauigkeit einen Nonius. Varianten, bei denen der Messwert von einer Rundskale abgelesen werden kann, werden ebenfalls verwendet. Inzwischen werden aber fast nur noch Messschieber mit einer digitalen Ziffernanzeige eingesetzt. Diese weisen zwar keine höhere Messgenauigkeit auf, lassen sich aber besser ablesen. Auch die Übertragung der Messdaten zum Computer für eine Auswertung ist möglich. Da der Messschieber ein Messgerät und keine Lehre ist, wurden die früher verwendeten Bezeichnungen Schieblehre oder Schublehre in der Ausbildung zu technischen Berufen durch den Begriff Messschieber ersetzt. Noch früher wurde umgangssprachlich vor allem in Süddeutschland auch der Begriff "Kaliber" verwendet. Das Wort Messschieber kann sich jedoch in der Umgangssprache nur langsam durchsetzen. In Österreich hat sich dieser Begriff überhaupt nie durchgesetzt. Es wird auch an den technischen Schulen nach wie vor die Bezeichnung Schiebelehre unterrichtet. Die meisten Messschieber haben auf der Rückseite eine Tabelle, auf der man die Bohrlochgröße zum Gewindebohren ablesen kann. Einige Tabellen sind allerdings nicht aktuell. Der Bohrlochdurchmesser für M8 Gewinde beträgt 6,8 mm. Daran erkennt man die richtige Tabelle. Im Gegensatz zur Messschraube wird beim Messschieber das abbesche Komparatorprinzip nicht eingehalten. Der dadurch bedingte Kippfehler 1. Ordnung führt zu einer, im Aufbau des Messschiebers begründeten, prinzipiell nicht vermeidbaren Messungenauigkeit. Weitere Fehlermöglichkeiten sind Parallaxe, Führungsfehler, Anlagefehler an das zu messende Objekt und Verschleiß (Beschädigung, Verschmutzung). Das Messen mit dem Messschieber gehört zu den direkten Messverfahren, da Eingangsgröße und Ausgangsgröße identisch sind (in diesem Fall die Länge). Vorteile des Messschiebers gegenüber anderen Messeinrichtungen sind:
- robuste Bauart
- schnelle Messung möglich
- Messschieber sind preiswert
- Messschieber sind einfach zu bedienen
- Messschieber sind mobil einsetzbar Nachteile sind:
- Bei Messschiebern ist die Messunsicherheit größer als die Auflösung der Anzeige.

typischer Aufbau eines Messschiebers

- fester Messschenkel
- beweglicher Messschenkel
- schneidenförmige Messflächen
- Messflächen für Außenmessung
- Schieber
- Nonius
- Feststelleinrichtung
- Schiene mit Hauptteilung
- Tiefenmessstange
- Messflächen für Tiefenmessung

Typen von Messschiebern

- Präzisions-Taschen-Messschieber mit Linearskala und Nonius
- Präzisions-Werkstatt-Messschieber mit Linearskala
- Messschieber mit Rundskala
- Digitaler Präzisions-Messschieber (kapazitives Messsystem)
- Digitaler Werkstatt-Messschieber mit LCD-Anzeige und Feinstelleinrichtung
- Präzisions-Zahnmess-Messschieber
- Tiefenmessschieber
- Höhenmessschieber

Weblinks

- http://www.sign-lang.uni-hamburg.de/TLex/Lemmata/L4/L432.htm
- siehe auch: Liste der Messwerkzeuge Kategorie:Messgerät

Triangulation

]] Triangulation (von lat. Triangulum, Dreieck) ist:
- In der Trigonometrie und elementaren Geometrie, ein Verfahren den Abstand zu einem Punkt zu finden, indem eine Seite eines Dreiecks unter Kenntnis zweier Winkel und der Länge der von diesen eingeschlossenen Seite berechnet wird. Diese Methode ist Grundlage für viele Anwendungen und technische Verfahren, wie
- In der Geodäsie ein Verfahren zur Erstellung eines Dreiecksnetzes aus mehreren Winkelmessungen: siehe Triangulation (Geodäsie), Netz (Geodäsie)
- In der Messtechnik ein Verfahren zur Entfernungsmessung und Formerfassung: siehe Triangulation (Messtechnik)
- Bestimmung von Gelenkstellungen in der Robotik
- In der höheren Mathematik ein Verfahren, um aus einer vorgegebenen Punktmenge ein Dreiecksnetz (Simplices) zu erstellen. Siehe Delaunay-Triangulation und Digitales Geländemodell (Insbesondere die Teilung einer Ebene in Dreiecke, woher der Name rührt).
- Das von der Europäischen Zentralbank (EZB) vorgeschriebene Verfahren zur Umrechnung der europäischen Währungen mit Einführung des Euro. Soll ein Betrag in der Währung eines Teilnehmerlandes in die eines anderen Teilnehmerlandes umgerechnet werden, so ist der Ausgangswert immer zuerst über den fixierten Wechselkurs in Euro umzurechnen und dann vom Euro in die Zielwährung.
- In der empirischen Sozialforschung die Anwendung mehrerer empirischer Methoden (qualitativer und quantitativer Art) nebeneinander. Dient zur Festigung oder Relativierung sozialwissenschaftlicher Ergebnisse. Gründet auf der Absicht einer Vielfalt von Methoden bzw. Perspektiven.
- Eine spezielle Art der Veredelung (Pflanzen) (dreikantiges Pfropfen)

Laufzeitmessung

Laufzeitmessung ist eine Verfahren zur indirekten Entfernungsmessung durch Messung der Zeit, die ein Signal für das Durchlaufen der Messstrecke benötigt.

Anwendungen

Die wichtigsten Anwendungen sind:
- Analyse elektrischer Laufzeiten zur Optimierung von Systemen der Elektrotechnik und Informatik
- Labormessungen in der Physik zur Bestimmung von Materialeigenschaften (Brechungsindex optischer Medien, geophysikalische Wellenausbreitung in Gesteinen ...) oder zur Eichung von Verfahren und Maßstäben
- Distanzmessungen in der Geodäsie, Astronomie, Navigation etc. aus der Laufzeit von Schall- oder elektromagnetischen Wellen.

Technische Umsetzung

Navigation Da elektromagnetische Wellen sich mit Lichtgeschwindigkeit Ausbreiten, sind die Laufzeiten bei kurzen Strecken extrem klein. Die Zeitmessung erfolg daher mit speziellen Kurzzeitmessern oder Intervallzählern. Erste Anwendungen waren Entfernungen mittels Laufzeitdifferenz von Licht und Schall (Blitz-Donner, Kanonenschüsse) und die Bestimmung der Lichtgeschwindigkeit. Bei Distanzmessungen geht der Entfernungsbereich von einigen Metern (Handlaser für Bauwesen etc.) über einige km (EDM für Vermessung und Geowissenschaften bis Millionen von Kilometern in Astronomie und Raumfahrt. Die Laufzeitmessung verwendet hauptsächlich: # elektrische Signale, Schwing- und Regelkreise (für Labor- und Zeitmessungen, Elektrotechnik, Computer usw.) # Schall oder Ultraschall, beispielsweise für Tiefenmessung mit Echolot # Lichtwellen und Infrarot für Distanzmessungen, oft in Form von Laserstrahlen # Radiowellen mit Wellenlängen einiger cm (beispielsweise Radar) bis Meter. Über größere Strecken (2,3) werden oft Echoverfahren oder Reflektoren verwendet, um ausreichend starke Meßsignale zu erhalten. Bei Radiowellen (4) ist auch aktive Beantwortung mit Transpondern in Gebrauch. Für reflektierte Signale folgt die Distanz aus

D=c\cdot t/2

, wobei die Ausbreitungsgeschwindigkeit

c

von der Brechzahl des Mediums abhängt (für Licht in Bodennähe etwa 1,0003).

Weblinks

- http://vorsam-server.physik.uni-ulm.de/Versuche/O/html/O_106V00.htm (Labor)
- http://www.fesg.tu-muenchen.de/bv/seiten/forschung/lunar.html (Geodäsie, Mond)
- http://www.eas.iis.fraunhofer.de/phw/darts/index_de.html (Satelliten-Funk) Kategorie:Messtechnik

Planck-Einheiten

Die Planck-Einheiten markieren eine Grenze für die Gültigkeit der bekannten Gesetze der Physik. Man muss davon ausgehen, dass für Distanzen kleiner als die Planck-Länge (ca. 10^-35 m) und Zeiten kürzer als die Planck-Zeit (ca. 10^-43 s) Raum und Zeit ihre uns vertrauten Eigenschaften als Kontinuum verlieren. Jedes Objekt, das kleiner wäre als die Planck-Länge, hätte aufgrund der sog. Unschärferelation so viel Energie bzw. Masse, dass es zu einem Schwarzen Loch kollabieren würde (s. u.). Die Suche nach einer entsprechenden Theorie der so genannten Quantengravitation gehört zu den größten Herausforderungen der physikalischen Grundlagenforschung. Die Planck-Einheiten bilden ein natürliches System von Einheiten für Länge, Zeit und Masse, das sich aus den drei grundlegendsten Naturkonstanten herleitet, der Gravitationskonstante G, der Lichtgeschwindigkeit c und dem planckschen Wirkungsquantum h. Es ist durchaus angemessen und auf dem Gebiet der Quantengravitation auch üblich, die Planck-Einheiten selbst als die fundamentalen Naturkonstanten zu interpretieren und G, c und h als die abgeleiteten. Die Planck-Einheiten werden von Physikern gelegentlich halb scherzhaft „Einheiten Gottes“ genannt.

Definitionen und Zahlenwerte

Die Planck-Einheiten ergeben sich aus einer einfachen Dimensionsbetrachtung, das heißt einer Suche nach einem mathematischen Ausdruck von der Dimension einer Länge, Zeit bzw. Masse, der nur Produkte und Quotienten von geeigneten Potenzen von G, c und

\hbar

enthält, wobei

2\pi \hbar = h

: Neben diesen drei Grundgrößen werden auch folgende abgeleitete Größen verwendet: Dabei ist k_B die Boltzmann-Konstante. Die Planck-Fläche spielt insbesondere in Stringtheorien und bei Überlegungen zur Entropie Schwarzer Löcher in Zusammenhang mit dem holografischen Prinzip eine wichtige Rolle.

Rolle als Einheitensystem

Löst man die ersten drei Gleichungen nach G, c und

\hbar

auf, so erhält man Ausdrücke, die analog nur Potenzen von l_p, t_p und m_p enthalten, aber keine Zahlenfaktoren. Die Naturkonstanten G, c und

\hbar

haben daher in Planck-Einheiten jeweils den Zahlenwert 1. Formuliert man Gleichungen, die diese Naturkonstanten enthalten, in Planck-Einheiten, so können sie daher entfallen, was in bestimmten Disziplinen der theoretischen Physik die Gleichungen deutlich vereinfacht, wie beispielsweise in der allgemeinen Relativitätstheorie und in den verschiedenen Ansätzen für eine Quantengravitation. Die Gravitationskonstante ist mit einem relativen Fehler von etwa 1/7000 vergleichsweise ungenau bekannt. Da sich diese Ungenauigkeit auf die Kenntnis der Planck-Einheiten überträgt, sind sie als Einheitensystem für die Experimentalphysik von untergeordneter Bedeutung. Dazu trägt auch ihre geringe Größe bei, die selbst bei den kleinsten derzeit zugänglichen Messwertbereichen zu extrem großen Zahlenwerten führen würde.

Planck-Einheiten und die Grenzen naturwissenschaftlicher Erkenntnis

Die Planck-Länge l_P ist ca. 10²⁰ mal kleiner als der Durchmesser des Protons und damit weit jenseits einer direkten experimentellen Zugänglichkeit. Wollte man derartig kleine Strukturen mit einem Teilchenbeschleuniger untersuchen, so müsste die De-Broglie-Wellenlänge der verwendeten Teilchen vergleichbar mit l_P sein, bzw. ihre Energie vergleichbar mit E_P. Die über E = mc² zugeordnete Masse wäre über 10¹⁶ mal größer als die Masse des schwersten bekannten Elementarteilchens, des Top-Quarks. Ein entsprechender Beschleuniger hätte mindestens den Durchmesser unseres Sonnensystems. Diese Überlegung markiert eine bedeutende Grenze für die derzeit absehbaren Möglichkeiten der Experimentalphysik. Der einzige denkbare Prozess, bei dem vergleichbare Energien aufgetreten sein könnten, ist das Universum ungefähr eine Planck-Zeiteinheit nach dem hypothetischen Urknall. Die Planck-Einheiten lassen sich daher als ein Indiz dafür werten, dass eine Vereinigung von Quanten- und Relativitätstheorie sowie ein erschöpfendes Verständnis des Urknalls und damit des Universums und seiner Existenz sich jenseits der praktischen Möglichkeiten naturwissenschaftlicher Erkenntnis befinden könnten.

Die Planck-Einheiten als Grenze der Gültigkeit der bekannten Physik

Wie oben bereits angedeutet, führt die gleichzeitige Anwendung der Gesetze der Quantenmechanik und der Allgemeinen Relativitätstheorie bei hinreichend kleinen räumlichen und zeitlichen Abständen zu Problemen, wie die folgende Überlegung zeigt: Befindet sich ein Objekt oder Teilchen in einem Raumgebiet mit dem Durchmesser x, so hat es aufgrund der Unschärferelation einen Impuls p, dessen Größenordnung sich über

x p \approx \hbar

. abschätzen lässt. Selbst für ein Teilchen ohne Ruhemasse ist damit eine Energie E und daher auch eine Mindestmasse m verbunden, wobei

m c^2 = E = p c = \frac

. Befindet sich die Masse m in einem Raumgebiet mit einem Radius kleiner als ihr Schwarzschildradius

r = \frac

, so wird sie zum Schwarzen Loch. Das ist durch die Wahl eines hinreichend kleinen x erreichbar, denn mit einer Verkleinerung von x wächst p und damit auch m und r bis schließlich r ≈ x wird. Diese Situation entzieht sich jedoch einer Beschreibung durch die bekannte Physik. Man erhält die Formel für die Planck-Länge und Planck-Masse, indem man r = x setzt und die beiden letzten Gleichungen nach x und m auflöst. Da es sich um eine grobe Abschätzung handelt, kann der Faktor 2 in der Formel für r vernachlässigt werden. Zum gleichen Konflikt führt auch die Vorstellung eines Vorganges, der kürzer als die Planck-Zeit wäre. Die Planck-Zeit ist die Zeit, die das Licht benötigt, um die Strecke einer Planck-Länge zurückzulegen. Da sich nichts schneller als das Licht bewegen kann, müsste ein solcher Vorgang in einem Objekt stattfinden, das kleiner als die Planck-Länge wäre. Die Vermutung, dass die Gesetze der konventionellen Physik im Bereich der Planck-Einheiten ihre Gültigkeit verlieren, wird auch dadurch gestützt, dass die Renormierungsprozesse in der Quantenfeldtheorie nur unter der Annahme wohldefiniert sind, dass die Vorstellung von Raum und Zeit als Kontinuum nur bis zu einer gewissen mikroskopischen Grenze gültig ist. Ein Versagen der Kontinuums-Theorie würde letztlich die Zenonschen Paradoxien auf eine naturwissenschaftliche Basis stellen.

Geschichte

Max Planck, einer der Mitbegründer der Quantentheorie, entdeckte die letzte zur Definition der Planck-Einheiten erforderliche Naturkonstante, das nach ihm benannte Wirkungsquantum. Er erkannte die Möglichkeit, damit ein universell gültiges System von Einheiten zu definieren und erwähnte diese bereits im Mai 1899 in seiner Publikation mit dem Titel „Über irreversible Strahlungsvorgänge“ in Sitzungsberichte der Preußischen Akademie der Wissenschaften (Band 5, S. 479, 1899). Zu dieser Zeit war die Quantenmechanik noch gar nicht entdeckt. Erst im Dezember 1900 publizierte er seine Arbeit zur Theorie der Strahlung eines Schwarzen Körpers, in der die später nach ihm benannte Konstante erstmals mit h bezeichnet wurde, und für die er 1919 den Nobelpreis für Physik für das Jahr 1918 erhielt. Das folgende Zitat vermittelt einen Eindruck von dem Stellenwert, den Planck diesen Einheiten einräumte: : ...ihre Bedeutung für alle Zeiten und für alle, auch außerirdische und außermenschliche Culturen nothwendig behalten und welche daher als „natürliche Maaßeinheiten“ bezeichnet werden können...

Weblinks

- Real Video: [http://www.br-online.de/cgi-bin/ravi?v=alpha/centauri/v/&g2=1&f=040721.rm Was ist die Planck-Welt?] (Aus der Fernsehsendung Alpha Centauri) Kategorie:Physik ja:自然単位系

Quark (Physik)

Quarks sind die elementaren Bestandteile (Elementarteilchen), aus denen Hadronen aufgebaut sind. Zusammen mit den Leptonen gelten sie heute als die fundamentalen Bausteine, aus denen alle Materie aufgebaut ist. 1964 postulierte der Caltech-Physiker Murray Gell-Mann zusammen mit seinem Kollegen Georg Zweig die Existenz der Quarks, deren Bezeichnung er auch prägte. Den Namen Quark entnahm er dem (Nonsens-)Satz "three quarks for Muster Mark" in James Joyces "Finnegans Wake" (Joyce wiederum scheint den "Quark" aus Goethes Faust zu haben: "In jeden Quark begräbt er seine Nase"). Gell-Manns Kollege Richard Feynman wollte die Teilchen partons (Partonen) - wie in Dolly Parton - nennen, wurde jedoch überstimmt. Gell-Mann erhielt 1969 den Nobelpreis für Physik. Quarks tragen einen Spin von 1/2 und sind damit Fermionen.

Quark Flavors

Die folgenden sechs verschiedenen Quark-Arten bezeichnet man auch als Quark-Flavors (Geschmacksrichtung, engl. flavor). Die Zuordnung der Massen ist nicht eindeutig. Man unterscheidet in diesem Zusammenhang Konstituentenquarks und Stromquarks. Die hier angegebenen Massen sind die der Stromquarks. Anmerkung: in der Teilchenphysik wird oft in natürlichen Einheiten gerechnet, wobei Massen in der Einheit der Energie eV angegeben werden.

Eigenschaften

Zu allen Quarks existiert ein entsprechendes Antiteilchen, Antiquark genannt, mit entgegengesetzter elektrischer Ladung. Nur die Quarks der ersten Generation bilden Nukleonen und somit die "normale" Materie. Nukleonen Die Elektrische Ladung der Quarks ist –1/3 oder +2/3 der Elementarladung. Die Theorie der Quantenchromodynamik (QCD) postuliert, dass Quarks nicht isoliert auftreten können, sondern sich immer derart vereinen, dass nach aussen nur ganzzahlige elektrische Ladungen sichtbar sind. Der Grund hierfür ist laut QCD die nur bei den Quarks (bzw. Antiquarks und Gluonen) zusätzlich wirkende Farbladung, die mit 'rot', 'grün', 'blau', (bzw. 'antirot', 'antigrün' und 'antiblau' für Antiquarks) bezeichnet wird. Diese hat aber mit den normalen Farben nichts zu tun. Die Farbladung bewirkt, dass einzelne "farbige" Quarks niemals auftreten können. Stattdessen müssen sie sich zu zusammengesetzten "farblosen" Teilchen gruppieren, entweder zu drei Quarks (Baryonen), drei Antiquarks (Antibaryonen) oder Quark-Antiquark Paare (Mesonen). Als Ursache der Farbladung gelten die Gluonen, die Austauschteilchen (Bosonen) der starken Wechselwirkung (vgl. auch Confinement). Obwohl anhand von Streuexperimenten eine drittelzahlige Ladungsverteilung in Nukleonen indirekt gemessen wurde, konnte man trotz intensiver Suche bis heute noch nie drittelzahlige Elementarladungen direkt beobachten (zur Bestimmung der Elementarladung siehe auch Millikan-Versuch). In jüngerer Zeit (2003) haben sich experimentelle Hinweise für ein Teilchen verdichtet, welches einen gebundenen Zustand aus fünf Quarks darstellen könnte (vier Quarks und ein Anti-Quark, Pentaquark). Auch solche Teilchen haben ganzzahlige Ladungen, sie können (nach ihrer so genannten Baryonenzahl) als Baryonen aufgefasst werden, oder als Verbindung von einem Baryon mit einem Meson. Im Rahmen einer "Thermodynamik der QCD" wird für Quarks ein Zustand vorausgesagt, in welchen sich die Quarks wie quasi-freie Teilchen verhalten, das Quark-Gluon-Plasma. Der zugehörige Phasenübergang wird bei einer Temperatur erwartet, die einer Energie von 200 MeV und der ein- bis dreifachen Dichte von Atomkernen entspricht. Eine direkte Beobachtung des Quark-Gluon-Plasmas ist bisher nicht möglich; Experimente am CERN und BNL liefern jedoch Indizien für dessen Existenz. Quarks unterliegen, im Unterschied zu den Leptonen, allen Grundkräften der Physik:
- Starke Wechselwirkung
- Schwache Wechselwirkung
- Elektromagnetische Wechselwirkung
- Gravitation

Weblinks

- [http://pdg.lbl.gov/ "Particle Data Group"] - Aktuelle Massen aller Quarks
- [http://particleadventure.org/particleadventure/ "The Particle Adventure"] - Gute Einführung in die Welt der Quarks
- Real Video: [http://www.br-online.de/cgi-bin/ravi?v=alpha/centauri/v/&g2=1&f=040818.rm Was sind Quarks?] (Aus der Fernsehsendung Alpha Centauri)
- [http://www.jlab.org/div_dept/dir_off/public_affairs/news_releases/2005/gzero.html Spontanie Entstehung von Strange-Quark-Paaren in Protonen] (englisch) Kategorie:Elementarteilchen Kategorie:Kernphysik ja:クォーク ko:쿼크 simple:Quark

Proton

Das Proton ist ein langlebiges, elektrisch positiv geladenes Elementarteilchen mit dem Formelzeichen p. Protonen bestehen aus zwei u-Quarks und einem d-Quark (Formel uud). Diese drei Valenzquarks werden von einem "See" aus Gluonen und Quark-Antiquark Paaren umgeben. Das Proton ist, wie das Neutron, ein Baryon und bildet mit jenen die Bausteine der Atomkerne, die Nukleonen. Die Anzahl der Protonen im Atomkern bestimmt die Ordnungszahl eines Elements und legt dieses somit fest. Das Proton unterliegt folgenden Grundkräften der Physik:
- Starke Wechselwirkung
- Schwache Wechselwirkung
- Elektromagnetische Wechselwirkung
- Gravitation Momentan ist noch nicht klar, ob das Proton stabil ist, da die Große Vereinheitlichte Theorie eine Halbwertzeit von 10³¹ Jahren vorhersagt, jedenfalls ist es das einzige langlebige Hadron. Experimente am Kamiokande lassen auf eine Halbwertzeit von mindestens 10³² Jahren schliessen (siehe auch Protonenzerfall). In der Chemie werden auch Wasserstoffionen (H⁺-Ionen) als Protonen bezeichnet (z.B. bei der Protolyse), da nach Abtrennung des einzigen Elektrons nur der aus einem einzigen Proton und keinem, einem oder zwei Neutronen bestehende Kern übrig bleibt. Wasserstoffkerne mit einem Neutron heißen Deuteron (siehe Deuterium), mit zwei Neutronen Triton (siehe Tritium). Siehe auch: Physikalische Konstanten

Weblinks

- [http://physics.nist.gov/cuu/Constants/index.html Tabellenwerte vom CODATA/NIST ]
- [http://www.wissenschaft.de/wissen/news/256985.html www.wissenschaft.de: Das seltsame Innenleben des Protons] Das Proton hat sehr viel mehr Strange-Quark-Anteile als bisher angenommen Kategorie:Elementarteilchen Kategorie:Kernphysik ja:陽子 ko:양성자

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