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SchulheftPh12

2026-01-27T10:16:47Z

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[[Physik]]  [[GWPh7]]  [[GWPh8]]  [[GWPh9]]  [[GWPh10]]  [[SchulheftPh8]]  [[SchulheftPh9]]  [[SchulheftPh10]]  [[SchulheftPh11]]
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[[Bild:Physiklogo.jpg|link=Physik|right]]
==0. Wiederholung==
(''siehe [[SchulheftPh11|Schulheft Ph 11]] und [[GWPh10|Grundwissen Physik 10]] oder [http://www.leifiphysik.de/ LeiFi-Physik]'')

[https://www.leifiphysik.de/elektrizitaetslehre/elektromagnetische-wellen/grundwissen/ausbreitung-elektromagnetischer-wellen Ausbreitung elektromagnetischer Wellen bei LeiFi-Physik]

[https://www.leifiphysik.de/mechanik/mechanische-wellen/ausblick/huygenssches-prinzip-zur-beschreibung-von-mechanischen-wellen Huygenssches Prinzip zur Ausbreitung von Wellen bei LeiFi-Physik]

[https://www.leifiphysik.de/optik/elektromagnetisches-spektrum Elektromagnetisches Spektrum bei LeiFi-Physik]

[https://phet.colorado.edu/sims/html/waves-intro/latest/waves-intro_de.html Wellen Einführung bei PhET]

[https://phet.colorado.edu/sims/html/wave-interference/latest/wave-interference_de.html Wellen Interferenz bei PhET]

==== Interferenz am Doppelspalt ====

[https://www.youtube.com./watch?v=koZ2c_Olieg&list=PLXILMmupC2416mokyASiJ5x1OdYi9YBm-&index=31 Interferenz LeiFi-Physik Erklärvideo bei Youtube.com]

[https://www.youtube.com./watch?v=bJNbj6gOacM&list=PLXILMmupC2416mokyASiJ5x1OdYi9YBm-&index=28 Doppelspalt LeiFi-Physik Erklärvideo bei Youtube.com]

[[Datei:Interferenzamdoppelspalt.jpg|800px]]

Bedingung für Maxima bzw. Minima:

{| border="1" cellspacing="0" cellpadding="0"
|<math>\Delta s = k\cdot \lambda</math>
|<math>\Delta s = (2k-1)\cdot \frac{\lambda}{2}</math>
|}

Es gilt:

{| border="1" cellspacing="0" cellpadding="5"
|<math>sin(\alpha) = \frac{\Delta s}{b}</math>
|<math>tan(\alpha) = \frac{d}{2a}</math>
|}

Für kleine Winkel gilt:

{| border="1" cellspacing="0" cellpadding="5"
|<math>sin(\alpha) \approx tan(\alpha)</math>
|<math>\frac{\Delta s}{b} \approx \frac{d}{2a}</math>
|}

[https://www.youtube.com/watch?v=abC-Gai9-aY Physik LK 40 - Beugung und Interferenz am Doppelspalt von Benno Köhler bei youtube.com]

[https://www.isb.bayern.de/download/10773/abiturpruefung_2012.pdf Abitur Physik 2012 Bayern]

[https://www.isb.bayern.de/download/20715/ph_2018_aufgaben.pdf Abitur Physik 2018 Bayern]

==1. Quantenobjekte==

=== 1.1 Teilchencharakter von Photonen ===

[https://www.leifiphysik.de/quantenphysik/quantenobjekt-photon Quantenobjekt Photon bei LeiFi-Physik]

[https://www.br.de/mediathek/video/die-physik-albert-einsteins-der-photoeffekt-1-8-av:5bec3e3c5773f10017e894b7 Die Physik Albert Einsteins Der Photoeffekt bei BR Mediathek]

==== Äußerer Photoeffekt ====

[https://phet.colorado.edu/de/simulation/legacy/photoelectric Der photoelektrische Effekt bei PhET]

[https://www.leifiphysik.de/quantenphysik/quantenobjekt-photon/versuche/gegenfeldmethode Gegenfeldmethode bei LeiFi-Physik]

==== Zusammenhang zwischen Photonenenergie und Frequenz ====

Das '''plancksche Wirkungsquantum''' <math>h</math> ist eine fundamentale Naturkonstante:

{| border="1" cellspacing="0" cellpadding="5"
|<math>h = 6,626\cdot 10^{-34}~Js</math>
|}

Gleichung der '''Einstein-Geraden''':

{| border="1" cellspacing="0" cellpadding="5"
|<math>E_{kin} = h\cdot f - W_{A}</math>
|}

'''Energie eines Photons''':

{| border="1" cellspacing="0" cellpadding="5"
|<math>E = h\cdot f = h\cdot \frac{c}{\lambda}</math>
|}

'''Grenzfrequenz''', um Photoelektronen ablösen zu können:

{| border="1" cellspacing="0" cellpadding="5"
|<math>f_G = \frac{W_A}{h}</math>
|}

[https://www.isb.bayern.de/download/20390/2011.pdf Abitur Physik 2011 Bayern]

[https://www.isb.bayern.de/download/12838/abiturpruefung_physik_2013.pdf Abitur Physik 2013 Bayern]

[https://www.isb.bayern.de/download/16168/physik_2015_aufgaben.pdf Abitur Physik 2015 Bayern]

[https://www.leifiphysik.de/quantenphysik/quantenobjekt-photon/aufgabe/quiz-zum-photoeffekt Quiz zum Photoeffekt bei LeiFi-Physik]

==== Photon als Teilchen mit Energie und Impuls ====

'''Masse eines Photons''':

{| border="1" cellspacing="0" cellpadding="5"
|<math>m = \frac{h\cdot f}{c^2} = \frac{h}{c\cdot \lambda}</math>
|}

'''Impuls eines Photons''':

{| border="1" cellspacing="0" cellpadding="5"
|<math>p = m\cdot c = \frac{E}{c} = \frac{h\cdot f}{c} = \frac{h}{\lambda}</math>
|}

[https://www.leifiphysik.de/quantenphysik/quantenobjekt-photon/ausblick/photonenpendel Photonenpendel bei LeiFi-Physik]

[https://www.leifiphysik.de/elektrizitaetslehre/bewegte-ladungen-feldern/aufgabe/sonnenwind Sonnenwind bei LeiFi-Physik]

[https://www.br.de/mediathek/video/alpha-centauri-20082019-was-ist-der-sonnenwind-av:5c1add44945a0100189bedae alpha-Centauri Was ist der Sonnenwind? bei BR Mediathek]

[https://www.youtube.com/watch?v=5IhhvCvEUQM Reinhard Genzel über "Das supermassereiche Schwarze Loch in der Milchstraße" bei Spektrum der Wissenschaft bei YouTube.com]

=== 1.2 Wellencharakter von Elektronen ===

[https://www.didaktik.physik.uni-muenchen.de/elektronenbahnen/elektronenbeugung/einfuehrung/versuchsaufbau.php Elektronenbeugungsröhre bei LMU München]

[https://www.weltderphysik.de/fileadmin/user_upload/Redaktion/Broschueren_PDF/Highlights_der_Physik/2008_HdP_Quantenspruenge.pdf Quantensprünge bei weltderphysik.de]

'''De-Broglie Wellenlänge''' eines Quantenobjekts:

{| border="1" cellspacing="0" cellpadding="5"
|<math>\lambda = \frac{h}{m\cdot v} = \frac{h}{p}</math>
|}

[https://www.leifiphysik.de/quantenphysik/quantenobjekt-elektron/versuche/doppelspaltversuch-von-joensson Doppelspaltversuch von Joensson bei LeiFi-Physik]

[https://www.leifiphysik.de/quantenphysik/quantenobjekt-elektron/aufgaben Aufgaben Quantenobjekt Elektronen bei LeiFi-Physik]

'''Relativistische Energie-Impuls-Beziehung''':

{| border="1" cellspacing="0" cellpadding="5"
|<math>p^2 = \frac{E^2-E_0^2}{c^2}</math>
|}

[https://www.isb.bayern.de/download/19503/physik_2017_a.pdf Abitur Physik 2017 Bayern]

[https://www.isb.bayern.de/download/22982/physik_2020_aufgaben_1.pdf Abitur Physik 2020 Bayern]

=== 1.3 Beschreibung von Quantenobjekten ===
Photonen, Elektronen und viele andere Objekte aus der Mikrowelt verhalten sich weder wie klassische Teilchen noch wie klassische Wellen. Man bezeichnet sie als '''Quantenobjekte''', mit denen sich die '''Quantenphysik''' beschäftigt. Im Gegensatz dazu stehen '''makroskopische Objekte''', die keine Interferenz zeigen und als Teilchen auf konkreten Bahnen unterwegs sind.

'''Quantenobjekte'''
*haben etwas Welliges (Ausbreitung, Interferenz)
*haben etwas Körniges (Teilchen, Ort)
*haben etwas Stochastisches (Wahrscheinlichkeitsaussagen)
*bewegen sich nicht auf Bahnen
*sind keine kleinen Kügelchen.

In der '''Quantemechanik''' wird jedes Quantenobjekt durch eine komplexwertige Wellenfunktion <math>\Psi(x,y,z) \ </math> beschrieben, deren Betragsquadrat <math>|\Psi(x,y,z)|^2 \ </math> als Aufenthaltswahrscheinlichkeit <math>P(x,y,z) \ </math> des Quantenobjekts gedeutet und im Experiment bestimmt werden kann.

Anders als in der klassischen Physik trifft man in der Quantenphysik im Allgemeinen nur Wahrscheilichkeitsaussagen.

[https://www.youtube.com/watch?v=H8wYruB1kzA Das geheimnisvolle Reich der Quanten bei YouTube.com]

[https://www.youtube.com/watch?v=FwNV_e-Xz68 Quantenmechanik mit Harald Lesch bei YouTube.com]

'''Heisenberg'sche Unschärferelation''':

{| border="1" cellspacing="0" cellpadding="5"
|<math>\Delta x \cdot \Delta p_{x} \geq \frac{h}{4\pi}</math>
|}

[https://www.leifiphysik.de/quantenphysik/quantenobjekt-elektron/grundwissen/unschaerferelation Unschärferelation bei LeiFi-Physik]

[https://www.br.de/mediathek/video/alpha-centauri-was-ist-die-unschaerferelation-av:5d7b990b2a2b92001a7b8d05 alpha-Centauri Was ist die Unschärferelation? bei BR Mediathek]

[https://www.br.de/mediathek/video/alpha-centauri-welche-bedeutung-hat-die-unschaerferelation-av:5c55f07e12c30800175a00fd alpha-Centauri Welche Bedeutung hat die Unschärferelation? bei BR Mediathek]

==2. Atommodell der Quantenphysik==

[https://www.youtube.com/watch?v=-4Us5PTb4J8&list=PLi01XoE8jYoi5fLBY64f6ZUuktgTFb2H3&index=5 Frühe Atommodelle (Dalton, Thomson, Rutherford, Bohr) von Socratica bei YouTube.com]

[https://www.leifiphysik.de/atomphysik/atomaufbau/grundwissen/atomaufbau Atommodelle bei LeiFi-Physik]

==== Atomare Größen ====

'''Avogadro-Konstante''':

{| border="1" cellspacing="0" cellpadding="5"
|<math>N_A = 6,0221367\cdot 10^{23}</math>
|}

'''Atomare Masseneinheit''':

{| border="1" cellspacing="0" cellpadding="5"
|<math>1 u = 1,66054\cdot 10^{-27}~kg</math>
|}

'''Atomradius''':

{| border="1" cellspacing="0" cellpadding="5"
|<math>r_{Atom} = 10^{-10}~m</math>
|}

'''Kernradius''':

{| border="1" cellspacing="0" cellpadding="5"
|<math>r_{Kern} = 1,4\cdot 10^{-15}~m\cdot \sqrt[3]{A}</math>
|}

=== Wichtige Atommodelle ===

==== Atommodell von Rutherford (1911) ====
* Sehr kleiner Kern, in dem fast die ganze Masse und die positive Ladung konzentriert ist.
* Die fast masselosen Elektronen bewegen sich aufgrund der elektrischen Anziehungskräfte auf Bahnen um den Atomkern.
* Atom besteht also hauptsächlich aus leerem Raum.

; Kritik
: Nach den Gesetzen der klassischen Physik wäre das "Rutherford-Atom" instabil. Die Linienspektren der Elemente lassen sich damit nicht erklären.

[https://www.leifiphysik.de/atomphysik/atomaufbau/grundwissen/streuversuch-und-atommodell-von-rutherford Atommodell von Rutherford bei LeiFi-Physik]

==== Atommodell von Bohr (1913) ====
* Es gibt im Atom diskrete Energiezustände der Elektronen ("Quantenbahnen"), auf denen sie strahlungslos umlaufen.
* Die Energieänderung im Atom geschieht durch einen Sprung eines Elektrons von einer Bahn auf eine andere. Dabei gilt:

{| border="1" cellspacing="0" cellpadding="5"
|<math> \Delta E = h\cdot f = h\cdot \frac{c}{f}</math>
|}

* Die Quantenbedingung von Bohr legt die Bahnradien fest: <math> 2\pi r_n\cdot m_e\cdot v_n = n\cdot h </math> (mit Quantenzahl <math> n \ </math>).

; Kritik
: Das Bohrsche Modell führt nur beim Wasserstoffatom zu richtigen Ergebnissen. Die Quantenbahnen stehen im Widerspruch zur Unschärferelation. Die Bohrschen Postulate erscheinen willkürlich im Rahmen der klassischen Physik.

[https://www.leifiphysik.de/atomphysik/bohrsches-atommodell/grundwissen/atommodell-von-bohr Atommodell von Bohr bei LeiFi-Physik]

[https://www.youtube.com/watch?v=cG770N48Hzk&list=PLMRuqWRlK1n2uQb-YS86z6OsmlrLP508e&index=3 Atommodell nach Niels Bohr bei YouTube.com]

=== Linienspektren ===

'''Diskrete Energieniveaus im Wasserstoffatom:'''
{| border="1" cellspacing="0" cellpadding="5"
|<math> E_{n} = -13,6~eV\cdot \frac{1}{n^2}</math>
|}

[https://www.leifiphysik.de/atomphysik/atomarer-energieaustausch Atomarer Energieaustausch bei LeiFi-Physik]

[https://phet.colorado.edu/de/simulation/legacy/discharge-lamps Entladungslampen bei PhET]

=== 2.1 Das quantenmechanische Atommodell (Schrödinger, um 1930) ===

Die verschiedenen energetischen Zustände der Elektronen in der Atomhülle werden hier als '''Orbitale''' dargestellt.

Ein Orbital beschreibt dabei die Wahrscheinlichkeit, das Elektron in einem bestimmten Raumbereich nachzuweisen.

Genauer gesagt wird das Elektron als im Atom stehende, räumliche de-Broglie-Welle aufgefasst, deren Amplitudenquadrat zur Aufenthaltswahrscheinlichkeit des Elektrons proportional ist.

[https://www.orbitals.com/orb/index.html Atomic Orbitals bei orbitals.com]

[https://fr.wikipedia.org/wiki/Orbitale_atomique#Orbitales_r%C3%A9elles Orbitales réelles bei fr.wikipedia.org]

[https://phet.colorado.edu/de/simulation/legacy/hydrogen-atom Modelle des Wasserstoffatoms bei PhET]

[https://www.leifiphysik.de/atomphysik/quantenmech-atommodell Quantenmechanisches Atommodell bei LeiFi-Physik]

[http://pages.swcp.com/~jmw-mcw/Parsing%20the%20spdf%20electron%20orbital%20model.htm PARSING THE spdf ELECTRON ORBITAL MODEL von Joel M Williams]

[https://seilnacht.com/Lexikon/psval.htm Periodensystem mit Elektronenkonfiguration bei seilnacht.com]

[https://www.youtube.com/watch?v=ZapVVYLr5K8 Die geheimnisvolle Ordnung hinter den Dingen bei Youtube.com]

=== 2.2 Elektronen im Potentialtopf ===

'''Energiewerte eines Teilchens im unendlich hohen eindimensionalen Potentialtopf:'''
{| border="1" cellspacing="0" cellpadding="5"
|<math> E_{n} = \frac{h^2}{8mL^2}\cdot n^2</math>
|}

[https://www.leifiphysik.de/atomphysik/quantenmech-atommodell/grundwissen/linearer-potentialtopf Potentialtopf bei Leifi-Physik]

[https://www.br.de/mediathek/video/sendungen/alpha-centauri/alpha-centauri-tunneleffekt-2003-100.html alpha-Centauri Was ist der Tunneleffekt? bei BR Mediathek]

[https://www.isb.bayern.de/download/10773/abiturpruefung_2012.pdf Abitur Physik 2012 Bayern]

[https://www.isb.bayern.de/download/16168/physik_2015_aufgaben.pdf Abitur Physik 2015 Bayern]

[https://www.isb.bayern.de/download/20715/ph_2018_aufgaben.pdf Abitur Physik 2018 Bayern]

=== 2.3 Laser ===

'''Laser''' ('''L'''ight '''a'''mplification by '''s'''timulated '''e'''mission of '''r'''adiation) nutzen die sogenannte '''induzierte Emission''' von Photonen, bei der die Emission durch Photonen gleicher Energie stimuliert wird.

[[Datei:Laser DSC09088.JPG]]

Laserlicht hat folgende Eigenschaften:

*nahezu paralleles Licht
*monochromatisch (Licht einer Wellenlänge)
*hohe Leistungsdichte
*hohe Kohärenz (Phasengleichheit)
*linear polarisiert (schwingt in einer Ebene)

[https://www.leifiphysik.de/atomphysik/laser Laser bei Leifi-Physik]

[https://phet.colorado.edu/de/simulation/legacy/lasers Laser bei PhET]

[https://www.isb.bayern.de/download/22982/physik_2020_aufgaben_1.pdf Abitur Physik 2020 Bayern]

=== 2.4 Franck-Hertz-Versuch ===

1913 konnten James Franck und Gustav Hertz experimentell zeigen, dass die Vorstellung von Bohr, Atome nähmen nur ganz bestimmte Anregungsenergien auf und würden dadurch zum Leuchten kommen, zutrifft.

'''Aufbau und U-I-Diagramm:'''

[[Datei:FranckHertz.png]]

'''Erkenntnis:'''

Atome besitzen diskrete Energieniveaus (Energiezustände). Durch Absorption wird ein Atom in einen angeregten Zustand höherer Energie versetzt. Solche angeregten Atome emittieren dann Photonen der entsprechenden Energie.

[https://www.leifiphysik.de/atomphysik/atomarer-energieaustausch/versuche/franck-hertz-versuch Franck-Hertz-Versuch bei LeiFi-Physik]

[https://www.youtube.com/watch?v=yb4Tj26YxrQ Animation Franck-Hertz-Versuch bei YouTube.com]

[https://www.isb.bayern.de/download/20390/2011.pdf Abitur Physik 2011 Bayern]

[https://www.isb.bayern.de/download/18028/physik_2016_a.pdf Abitur Physik 2016 Bayern]

=== 2.5 Röntgenstrahlen ===
[[Bild:Roentgenswifeshand.png|thumb|right|Röntgenaufnahme der Hand Röntgens Frau]]

[https://www.youtube.com/watch?v=tkOljp8dXeY Röntgenstrahlung] von Karlheinz Meier bei YouTube.com

[https://www.youtube.com/watch?v=QOW_rgfBNvc Was ist Röntgenstrahlung?] von GRS Deutschland bei YouTube.com

[https://www.youtube.com/watch?v=VOg3IhpVwic RÖNTGENSTRAHLUNG ganz einfach erklärt!] von Der Physiklehrer bei YouTube.com

Treffen schnelle Elektronen auf eine Metallanode, so entstehen '''Röntgenstrahlen''' (nach W.C.Röntgen, 1895), deren Energie viel größer ist als die des sichtbaren Lichts (Energie der Röntgenstrahlung liegt zwischen 10 keV und 1 MeV, die zugehörige Wellenlänge liegt zwischen 1 nm und 10 pm). Deswegen können sie Materie durchdringen, Stoffe ionisieren, Zellen schädigen, Fluoreszenz erzeugen oder einen Film schwärzen.

Röntgenröhre: [[Bild:Roentgenroehre.svg|400px|Röntgenröhre]]

(K: Glühkathode, A: Metallanode, C: Kühlung, X: Röntgenstrahlen, Ua: Beschleunigungsspannung, Uh: Heizspannung)

(''siehe [https://www.leifiphysik.de/atomphysik/roentgen-strahlung/versuche/erzeugung-von-roentgen-strahlung Erzeugung von Röntgenstrahlung] bei LeiFi-Physik'')

Man unterscheidet bei Röntgenstrahlen die sogenannte '''Bremsstrahlung''' (Elektronen werden im Anodenmaterial abgelenkt und abgebremst und dabei werden Photonen emittiert) und die '''charakteristische Strahlung''' (Inneres Hüllenelektron wird herausgeschlagen und beim Zurückfallen der Elektronen äußerer Schalen werden Photonen emittiert).

(''siehe [https://www.leifiphysik.de/atomphysik/roentgen-strahlung/grundwissen/bremsstrahlung Bremsstrahlung] und [https://www.leifiphysik.de/atomphysik/roentgen-strahlung/grundwissen/charakteristische-roentgen-strahlung Charakteristische Röntgenstrahlung] bei LeiFi-Physik'')

Den Begriff '''"Röntgen"''' (oder auch: Radiographie) verwendet man mittlerweile für ein weitverbreitetes medizinisches Verfahren zur bildlichen Darstellung von Körperstrukturen wie Knochen, Gefäße und innere Organe. Seit Entdeckung der Röntgenstrahlen wurde es permanent weiterentwickelt und wird nach wie vor in nahezu allen Bereichen der Medizin genutzt (''siehe auch [https://www.leifiphysik.de/atomphysik/roentgen-strahlung/ausblick/roentgen-computertomographie Röntgen-Computertomographie] bei LeiFi-Physik'').

Insgesamt kann man sagen: Röntgenspektren (Röntgenstrahlung) geben Auskunft über die Verhältnisse in den inneren Schalen der Atomhülle, während optische Spektren (Infrarot, sichtbares Licht und UV-Strahlung) nur über die Verhältnisse an der Oberfläche der Atomhülle informieren.

==3. Aufbau der Materie==

Alle Stoffe bestehen aus Atomen. Materie ist aus Atomen aufgebaut, von denen es etwa 115 Atomarten - genannte '''Elemente''' - gibt.

Der Durchmesser von Atomen liegt in einer Größenordnung von <math>10^{-10}~m</math>. Die Masse eines Atoms liegt bei etwa <math>10^{-25}~kg</math> (je nach Element).

====Modellvorstellung eines Atoms====
[[Bild:Atommodell.jpg]]

Fast die ganze Masse (ca. 99,99 %) des Atoms ist auf kleinsten Raum im Atomkern konzentriert. Der Atomkern ist im Vergleich zur Atomhülle winzig klein!

Die Atomhülle besteht aus negativ geladenen '''Elektronen''' (Ladung <math>q=-e \ </math>, Masse <math>m_{e}=9,10938\cdot 10^{-31}~kg=0,00054858~u \ </math>), der Atomkern aus positiv geladenen '''Protonen''' (Ladung <math>q=+e \ </math>, Masse <math>m_{p}=1,67262\cdot 10^{-27}~kg=1,007276~u \ </math>) und ungeladenen '''Neutronen''' (Ladung <math>q=0 \ </math>, Masse <math>m_{n}=1,67493\cdot 10^{-27}~kg=1,008665~u \ </math>). Diese Kernbausteine werden auch '''Nukleonen''' genannt.

(''siehe [https://www.leifiphysik.de/atomphysik/atomaufbau Atomaufbau] bei LeiFi-Physik'')

Die Anzahl der Nukleonen in einem Atomkern wird als '''Massenzahl''' <math>\ A</math> bezeichnet, da man mit ihr die Atommasse näherungsweise bestimmen kann:

{| border="1" cellspacing="0" cellpadding="10"
|Masse Atom = <math>A \cdot 1,6605\cdot 10^{-27}~kg</math>
|}

Die Massenzahl ergibt sich aus der '''Protonenzahl''' <math>\ Z</math> und der '''Neutronenzahl''' <math>\ N</math> des Atomkerns. <math>\ Z</math> wird auch '''Kernladungszahl''' oder '''Ordnungszahl''' genannt. Es gilt:

{| border="1" cellspacing="0" cellpadding="10"
|<math>A = Z + N\ </math>
|}

Symbolische Schreibweise für Atomkerne:

{| border="1" cellspacing="0" cellpadding="10"
|<math>^{A}_{Z}X\ </math>
|}

zum Beispiel: <math>^{23}_{11}Na,\ ^{1}_{1}H,\ ^{4}_{2}He,\ ^{210}_{84}Po,\ ^{238}_{92}U</math>

Die Atomkernsorten nennt man auch '''Nuklide''', die in einer '''Nuklidkarte''' zusammenfassend aufgelistet werden.

(''siehe [https://www.leifiphysik.de/kern-teilchenphysik/radioaktivitaet-einfuehrung/grundwissen/nuklidkarte Nuklidkarte] bei LeiFi-Physik'')

Nuklide mit gleicher Protonenzahl <math>\ Z</math> aber verschiedener Massenzahl <math>\ A</math> nennt man '''Isotope''' (z.B. Uran-Isotope <math>^{235}_{92}U,\ ^{238}_{92}U,\ ... </math> )

Alle in der Natur vorkommenden Elemente sind meist eine Mischung verschiedener Isotope dieses Elements.

[https://www.youtube.com/watch?v=oZ7nEKrG63M 10 Hoch Reise durch den Mikro- und Makrokosmos mit Harald Lesch bei youtube.com]

[http://atom.kaeri.re.kr/ Nuklidkarte bei kaeri.re.kr]

[https://www.marcoschwarz-online.de/picture/upload/pdf/nukliddaten.zip Nuklidkarte Download "Nukliddaten" Freeware-Programm nur geeignet für Windows von Holger Werner]

====Das Standardmodell zur Struktur der Materie====

Protonen und Neutronen sind aus '''Quarks''' (Größenordnung <math> 10^{-18}~m </math>) zusammengesetzt:

Proton: [[Bild:Quarksproton.svg|200px]] Neutron: [[Bild:Quarksneutron.svg|200px]]

u: up-Quark ( Ladung <math>Q=+\frac{2}{3}e</math> ), d: down-Quark ( Ladung <math>Q=-\frac{1}{3}e</math> ).

Es gibt neben den Elektronen, Protonen und Neutronen noch eine '''Vielzahl weiterer Teilchen''' und zu jedem Teilchen gibt es auch ein '''Antiteilchen''' mit gleicher Masse und entgegengesetzter Ladung.

Die Elementarteilchen der Materie sind (nach heutigem Kenntnisstand) '''Quarks''' und '''Leptonen'''. Alle Hadronen (Baryonen und Mesonen) sind Teilchen, die aus Quarks zusammengesetzt sind.

[https://www.leifiphysik.de/kern-teilchenphysik/teilchenphysik Teilchenphysik bei LeiFi-Physik]

[[Datei:Standard Model of Elementary Particles-de.png|800px]]

[https://www.leifiphysik.de/kern-teilchenphysik/teilchenphysik/grundwissen/elementarteilchen Elementarteilchen des Standardmodells bei LeiFi-Physik]

====Die fundamentalen Wechselwirkungen zwischen den Elementarteilchen====

{| class="wikitable"
! Wechselwirkung
! wirkt auf
! Austauschteilchen
! Relative Stärke in Bezug auf starke WW
! Reichweite
|-
| '''Gravitation'''
| alle Teilchen (wegen der Masse)
| Graviton (postuliert)
| 10−40
| ∞, nimmt mit 1/r² ab
|-
| '''Elektromagnetische Wechselwirkung'''
| elektrisch geladene Teilchen (wegen el. Ladung)
| Photon
| 10−2
| ∞, nimmt mit 1/r² ab
|-
| '''Schwache Wechselwirkung'''
| auf alle Teilchen (wegen der schwachen Ladung)
| W- und Z-Boson
| < 10−13
| ≈ 10−17 m
|-
| '''Starke Wechselwirkung'''
| auf Quarks, Nukleonen (wegen Farbladung)
| Gluon
| 1
| ≈ 10−15 m
|}

[https://www.leifiphysik.de/kern-teilchenphysik/teilchenphysik/grundwissen/die-vier-fundamentalen-wechselwirkungen Die vier fundamentalen Wechselwirkungen bei LeiFi-Physik]

[https://www.youtube.com/watch?v=gro-xoGXbt4 Elementarteilchen - Bis(s) ins Innere des Protons (Science Slam) Boris Lemmer bei youtube.com]

[https://www.br.de/mediathek/video/alpha-centauri-was-ist-ein-higgs-teilchen-2005-av:5bd8af9b04b1ca001864141c alpha-Centauri: Was ist ein Higgs-Teilchen? bei BR Mediathek]

[https://www.youtube.com/watch?v=be74-C1hJ2c Der LHC, das Higgs-Teilchen und die Weltformel bei youtube.com]

==4. Atomkernmodell der Quantenphysik==

Im Atomkern werden Protonen und Neutronen auf kleinstem Raum durch die sehr starken Kernkräfte (Starke Wechselwirkung) zusammengehalten. Sie sind bei einer Reichweite von nur etwa <math>10^{-15}~m</math> etwa 100mal stärker als die elektromagnetischen Abstoßungskräfte zwischen den Protonen, was die '''hohe Stabilität der Atomkerne''' zur Folge hat.

==== Dichte der Kernmaterie ====

[https://physikunterricht-online.de/jahrgang-12/atomkerne-und-ihre-bausteine/ Atomkerne und ihre Bausteine bei physikunterricht-online.de]

[https://www.leifiphysik.de/kern-teilchenphysik/kernmodelle/grundwissen/kernkraft Kernkraft bei LeiFi-Physik]

Für den '''Kernradius''' eines Nuklids mit der Massenzahl (Nukleonenzahl) <math>A</math> gilt näherungsweise:

{| border="1" cellspacing="0" cellpadding="5"
|<math>r_{Kern} = 1,4\cdot 10^{-15}~m\cdot \sqrt[3]{A}</math>
|}

Da die Masse der Nukleonen ungefähr <math>1,67\cdot 10^{-27}~kg</math> ist, kann die '''Dichte der Kernmaterie''' folgendermaßen abgeschätzt werden:

<math>\rho_{Kernmaterie} = \frac{1,67\cdot 10^{-27}~kg\cdot A}{4/3\cdot \pi\cdot (1,4\cdot 10^{-15}~m)^3\cdot A} = 1,5\cdot 10^{17}~\frac{kg}{m^3}</math>

(''Aufgaben dazu: Buch S. 119 Nr. 1, 2, 3'')

==== Massendefekt und mittlere Bindungsenergie je Nukleon ====

[https://physikunterricht-online.de/jahrgang-12/aufbau-und-energie-der-kerne/ Aufbau und Energie der Kerne bei physikunterricht-online.de]

[https://www.leifiphysik.de/kern-teilchenphysik/kernreaktionen/grundwissen/bindungsenergie Bindungsenergie bei LeiFi-Physik]

[https://www.leifiphysik.de/kern-teilchenphysik/kernreaktionen/grundwissen/masse-energie-beziehung Masse-Energie-Beziehung bei LeiFi-Physik]

Die '''Bindungsenergie''' <math>E_{B}</math> '''eines Atomkerns''' entspricht dem '''Massendefekt''' <math>\Delta m</math>, der auftritt, wenn man den Kern aus einzelnen Nukleonen zusammenbauen würde:

{| border="1" cellspacing="0" cellpadding="5"
|<math>E_{B} = \Delta m\cdot c^2</math>
|}

Die Masse des Atomkerns ist stets kleiner als die Massen seiner Nukleonen (Z: Protonenzahl, N: Neutronenzahl) zusammen:

{| border="1" cellspacing="0" cellpadding="5"
|<math>\Delta m = m_{Kern} - Z\cdot m_{Proton} - N\cdot m_{Neutron} < 0 </math>
|}

(''Aufgaben dazu: Buch S. 119 Nr. 9, S. 120 Nr. 11, siehe auch Beispiel auf S. 109'')

Um die Bindungsenergie für Atomkerne verschiedener Elemente vergleichen zu können, gibt man meist die '''mittlere Bindungsenergie je Nukleon''' <math>\frac{E_{B}}{A}</math> an.

[[Datei:Mittlerebindungsenergie.jpg|800px]]

[[File:Atomkernbindungsenergie RK01.png|Atomkernbindungsenergie RK01|800px]]

Es gibt zwei Arten durch Kernprozesse Energie freizusetzen:

*'''Kernspaltung''':

[[File:Kernspaltung.png|Kernspaltung|800px]]

Durch Aufspalten schwerer Atomkerne in leichtere Atomkerne oder Abspalten von Kernteilchen wird Energie frei (ca. 1 MeV pro Nukleon).

Dieser Vorgang wird in Atomkraftwerken genutzt und geschieht bei natürlichen radioaktiven Zerfällen.

[https://physikunterricht-online.de/jahrgang-12/kernspaltung/ Kernspaltung bei physikunterricht-online.de]

[https://www.leifiphysik.de/kern-teilchenphysik/kernspaltung-und-kernfusion/grundwissen/kernspaltung Kernspaltung bei LeiFi-Physik]

*'''Kernfusion''':

[[Datei:Kernfusion.png]]

Durch Zusammenfügen leichter Atomkerne oder Teilchen zu schweren Atomkernen wird Energie frei (ca. 7 MeV pro Nukleon).

Dieser Prozess findet im Inneren von Sternen oder bei der Explosion einer Wasserstoffbombe statt.

[https://physikunterricht-online.de/jahrgang-12/kernfusion/ Kernfusion bei physikunterricht-online.de]

[https://www.leifiphysik.de/kern-teilchenphysik/kernspaltung-und-kernfusion/grundwissen/kernfusion Kernfusion bei LeiFi-Physik]

(''Aufgaben dazu: Buch S. 119 Nr. 8, S. 120 Nr. 12, 13, 14, 15, siehe auch Beispiel auf S. 111'')

==== Erhaltungssätze und Reaktionsenergie bei Kernreaktionen ====

'''ERHALTUNGSSATZ'''
{| border="1" cellspacing="0" cellpadding="10"
|In einem abgeschlossenen System ist die '''Gesamtenergie''' <math>E </math>, der '''Gesamtimpuls''' <math>\vec p </math> und die '''gesamte Ladung''' '''konstant'''.
|}

(Der Masse <math>m </math> aller vorhandenen Teilchen ist dabei die Energie <math>mc^2 </math> zuzuordnen.)

Bei einer Kernreaktion gilt also (Energieerhaltung):

<math>E_{vor} + m_{vor}c^2 = E_{nach} + m_{nach}c^2 </math>

<math>\Leftrightarrow E_{vor} - E_{nach} = m_{nach}c^2 - m_{vor}c^2 </math>

<math>\Leftrightarrow \underbrace{E_{nach} - E_{vor}}_{=:Q} = m_{vor}c^2 - m_{nach}c^2 </math>

<math>{E_{nach} - E_{vor}}</math> wird '''Reaktionsenergie''' <math>Q </math> genannt. Es gilt:

{| border="1" cellspacing="0" cellpadding="10"
|<math>Q = (m_{vor} - m_{nach})\cdot c^2 </math>
|}

Ist <math>Q > 0 </math>, wird bei der Reaktion '''Energie frei''', es ist eine '''exotherme''' Reaktion.

Ist <math>Q < 0 </math>, läuft die '''endotherme''' Reaktion nur unter '''Zufuhr von Energie''' ab.

Neben der freigesetzten Energie ist häufig auch von Interesse, wie sich die Energie auf die Zerfallsprodukte verteilt.

Um diese Frage zu beantworten, muss neben dem Energieerhaltungssatz auch der '''Impulserhaltungssatz''' angewendet werden:

{| border="1" cellspacing="0" cellpadding="10"
|<math>\vec p_{vor} = \vec p_{nach} </math>
|}

(Hier ist jeweils der Summenvektor der einzelnen Impulse vorher bzw. nachher gemeint.)

(''Aufgaben dazu: Buch S. 140-142 lesen, S. 159 Nr. 17, S. 160 Nr. 19, 20, 21, 22, 25'')

==== Das Potentialtopfmodell des Atomkerns ====

[[Datei:Kernpotential.png|800px]]

[https://physikunterricht-online.de/jahrgang-12/potentialtopfmodell/ Das Potentialtopfmodell bei physikunterricht-online.de]

[https://www.leifiphysik.de/kern-teilchenphysik/kernmodelle/grundwissen/einfache-kernmodelle Kernmodelle bei LeiFi-Physik]

(Beides bitte lesen und anschauen!)

Nukleonen können im Atomkern (im Modell: Potentialtopf) nur bestimmte Energiezustände einnehmen (Belegung nach Pauli-Prinzip!). Dabei muss man zwischen '''Protonen''' (auf sie wirkt Kernkraft-und Coulombpotential) und '''Neutronen''' (auf sie wirkt nur das Kernkraftpotential) unterscheiden.

Der Potentialtopf für die Neutronen ist etwas tiefer, da auf die Protonen die Coulomb-Abstoßungskräfte wirken, so dass ihre Bindungsenergie im Kern geringer ist als die der Neutronen.

Die höchsten noch besetzten Neutronen- und Protonenniveaus haben energetisch etwa den gleichen Wert (--> '''Fermienergie'''), ansonsten kommt es zu Kernumwandlungsreaktionen (<math>\beta^-, \beta^+\ </math>-Zerfälle).

Stabile Kerne haben also bis zur Fermienergie besetzte Energiezustände. Sie haben meist etwas mehr Neutronen als Protonen.

Mit Hilfe des Potentialtopfmodells des Atomkerns lässt sich die frei werdende Bindungsenergie (negative potentielle Energie der Nukleonen!) und das Zusatndekommen der <math>\alpha , \beta\ </math> und <math>\gamma \ </math> -Strahlung erklären (''siehe Buch S. 113 bis 115'').

Das '''Energiespektrum''' des <math>\alpha\ </math> -Zerfalls und des <math>\gamma\ </math> -Zerfalls ist '''diskret''', da sich für das jeweilige Nuklid charakteristische Energieübergänge zwischen den Energieniveaus im Kern ergeben.

Das '''Energiespektrum''' des <math>\beta\ </math> -Zerfalls ist dagegen '''kontinuierlich''', da sich die frei werdende Energie dabei auf Elektron bzw. Positron '''und''' Antineutrino bzw. Neutrino verteilt.

[https://www.isb.bayern.de/download/18028/physik_2016_a.pdf Abitur Physik 2016 Bayern]

[https://www.isb.bayern.de/download/20715/ph_2018_aufgaben.pdf Abitur Physik 2018 Bayern]

(''Aufgaben dazu: Buch S. 120 Nr. 18, 19 und 20; zusätzlich Buch S. 116 lesen'')

==5. Radioaktivität und Kernreaktionen==

[https://br.de/s/sYDUMJ Was ist Radioaktivität? bei BR alpha-Centauri mit Harald Lesch]

[https://www.kernd.de/kernd-wAssets/docs/service/018basiswissen.pdf Kernenergie Basiswissen bei kernd.de]

====Arten radioaktiver Strahlung====

{| border="1" cellspacing="0" cellpadding="3"
|  
| '''<math>\alpha</math>-Strahlung'''
| '''<math>\beta</math>-Strahlung'''
| '''<math>\gamma</math>-Strahlung'''
|-
| '''Strahlung'''
| Zweifach positiv geladene Heliumkerne (<math>\alpha</math>-Teilchen)
| Elektronen (<math>\beta^{-}</math>-Strahlung) oder Positronen (<math>\beta^{+}</math>-Strahlung)
| Energiereiche elektromagnetische Strahlung
|-
| '''Reaktion'''
| <math>^{226}_{88}Ra \rightarrow ^{222}_{86}Rn^{2-} + ^{4}_{2}He^{2+}</math>
| <math>\beta^{-} \ </math>: <math>^{137}_{55}Cs \rightarrow ^{137}_{56}Ba^{+} + ^{\ 0}_{-1}e^{-} + ^{0}_{0}\overline{\nu_{e}} \ </math> <math>\beta^{+} \ </math>: <math>^{30}_{15}P \rightarrow ^{30}_{14}Si^{-} + ^{\ 0}_{+1}e^{+} + ^{0}_{0}{\nu_{e}} \ </math>
| <math>^{137}_{56}Ba^{*} \rightarrow ^{137}_{56}Ba + \gamma</math>
|-
| '''In der Nuklidkarte'''
| diagonal zwei nach links unten
| diagonal eins nach links oben (<math>\beta^{-}</math>) diagonal eins nach rechts unten (<math>\beta^{+}</math>)
| -
|-
| '''Geschwindig- keit'''
| bis 10 % der Lichtgeschwindigkeit
| bis 99 % der Lichtgeschwindigkeit
| Lichtgeschwindigkeit 300000 km/s
|-
| '''Reichweite in Luft'''
| einige Zentimeter
| einige Meter
| viele Meter
|-
| '''Abschirmung'''
| Blatt Papier
| Aluminiumplatte
| dicke Bleiplatte
|-
| '''Vorgang im Kern'''
| Kern stößt <math>\alpha</math>-Teilchen aus
| Neutron --> Elektron und Proton (<math>\beta^{-}</math>) Proton --> Positron und Neutron (<math>\beta^{+}</math>)
| Änderung des Energiezustandes
|-
| '''Ablenkung im Magnetfeld'''
| ja, da positiv geladen
| ja, da negativ geladen (<math>\beta^{-}</math>) ja, da positiv geladen (<math>\beta^{+}</math>)
| nein
|-
| '''Ablenkung im elektr. Feld'''
| ja, zur negativen Platte
| ja, zur positiven Platte (<math>\beta^{-}</math>) ja, zur negativen Platte (<math>\beta^{+}</math>)
| nein
|}

(''siehe auch [https://www.leifiphysik.de/kern-teilchenphysik/radioaktivitaet-einfuehrung/grundwissen/ueberblick-ueber-die-strahlungsarten Überblick über die Strahlungsarten bei LeiFi-Physik]'')

==== <math>\alpha</math>-Strahlung ====
[[Bild:Alpha_zerfall.png|right]]
Zwei Protonen und zwei Neutronen bilden zusammen ein <math>\alpha</math>-Teilchen, das unter Nutzung des Tunneleffektes den Atomkern verlässt und also nichts anderes als ein zweifach positiv geladener Heliumkern ist.

Allgemeine Reaktionsgleichung:

{| border="1" cellspacing="0" cellpadding="5"
|<math>^{m}_{n}X \rightarrow ^{m-4}_{n-2}Z^{2-} + ^{4}_{2}He^{2+}</math>
|}
zum Beispiel: <math>^{176}_{79}Au \rightarrow ^{172}_{77}Ir^{2-} + ^{4}_{2}He^{2+}</math>

(''siehe auch [https://www.leifiphysik.de/kern-teilchenphysik/radioaktivitaet-einfuehrung/grundwissen/alphazerfall-und-alphastrahlung Alphazerfall und Alphastrahlung bei LeiFi-Physik]'')

 

==== <math>\beta^{-}</math>-Strahlung ====
[[Bild:Beta-minus Decay.png|300px|right]]

Bei <math>\beta^{-}</math>-Strahlung handelt es sich um schnell bewegte Elektronen, die aus dem Kern herausgeschossen werden, nachdem sich dort ein Neutron in ein Proton, ein Elektron und ein Antineutrino umgewandelt hat.

Allgemeine Reaktionsgleichung:

{| border="1" cellspacing="0" cellpadding="5"
|<math>^{m}_{n}X \rightarrow ^{m}_{n+1}Z^{+} + ^{\ 0}_{-1}e^{-} + ^{0}_{0}\overline{\nu_{e}}</math>
|}
zum Beispiel: <math>^{19}_{8}O \rightarrow ^{19}_{9}F^{+} + ^{\ 0}_{-1}e^{-} + ^{0}_{0}\overline{\nu_{e}}</math>

(''siehe auch [https://www.leifiphysik.de/kern-teilchenphysik/radioaktivitaet-einfuehrung/grundwissen/beta-minus-zerfall-und-beta-minus-strahlung Beta-Minus-Zerfall und Beta-Minus-Strahlung bei LeiFi-Physik]'')

 

==== <math>\beta^{+}</math>-Strahlung ====
[[Datei:Beta-plus Decay.png|300px|right]]

Bei <math>\beta^{+}</math>-Strahlung handelt es sich um schnell bewegte Positronen (Antiteilchen der Elektronen), die aus dem Kern herausgeschossen werden, nachdem sich dort ein Proton in ein Neutron, ein Positron und ein Neutrino umgewandelt hat.

Allgemeine Reaktionsgleichung:

{| border="1" cellspacing="0" cellpadding="5"
|<math>^{m}_{n}X \rightarrow ^{m}_{n-1}Z^{-} + ^{\ 0}_{+1}e^{+} + ^{0}_{0}{\nu_{e}}</math>
|}
zum Beispiel: <math>^{58}_{27}Co \rightarrow ^{58}_{26}Fe^{-} + ^{\ 0}_{+1}e^{+} + ^{0}_{0}{\nu_{e}}</math>

 

==== <math>\gamma</math>-Strahlung ====
[[Bild:Gamma_zerfall.png|right]]

<math>\gamma</math>-Strahlung ist sehr energiereiche elektromagnetische Strahlung mit kleiner Wellenlänge, die bei Kernumwandlungen frei wird, wenn sich dort nur der energetische Zustand der Nukleonen im Kern verringert.

Allgemeine Reaktionsgleichung:

{| border="1" cellspacing="0" cellpadding="5"
|<math>^{m}_{n}X^{*} \rightarrow ^{m}_{n}X + \gamma</math>
|}
zum Beispiel: <math>^{238}_{94}Pu^{*} \rightarrow ^{238}_{94}Pu + \gamma</math>

(''siehe auch [https://www.leifiphysik.de/kern-teilchenphysik/radioaktivitaet-einfuehrung/grundwissen/gammauebergang-und-gammastrahlung Gammaübergang und Gammastrahlung bei LeiFi-Physik]'')

 

(''Aufgaben dazu: Buch S. 113 bis 115 und S. 122 bis 124 lesen und lernen'')

==== Nachweis radioaktiver Strahlung ====

[[Datei:Geigermueller.png|500px]]

Radioaktive Strahlung hat ein hohes Ionisierungsvermögen (vor allem von Gasatomen) und schwärzt Filme ein. Dieses nutzt man in Geiger-Müller-Zählrohren, Nebelkammern, Filmdosimetern, ... usw. zum Nachweis dieser Strahlung.

(''siehe auch [https://www.leifiphysik.de/kern-teilchenphysik/radioaktivitaet-einfuehrung/grundwissen/ionisierung-durch-strahlung Ionisierung durch Strahlung bei LeiFi-Physik] und [https://www.leifiphysik.de/kern-teilchenphysik/radioaktivitaet-einfuehrung/grundwissen/geiger-mueller-zaehlrohr Geiger-Müller-Zählrohr bei LeiFi-Physik]'')

[https://www.youtube.com/watch?v=qeN1mzsGR8s Nebelkammer mit Karlheinz Meier bei youtube.com]

[https://de.wikibooks.org/wiki/Datei:Nebelkammer-LMU-1.ogv Nebelkammer Video von Michael F. Schönitzer bei wikibooks.org]

(''Aufgaben dazu: Buch S. 157 Nr. 2, 3 und vorher S. 125 lesen und lernen'')

==== Trennung und Identifizierung der Strahlungsarten ====

[[Datei:Alfabetagamma.png|500px]]
[[Datei:Nuclearradiationmagneticfield.png|500px]]

Aufgrund ihres Durchdringungsvermögens und der unterschiedlichen Ablenkung in elektrischen und magnetischen Feldern lässt sich die radioaktive Strahlung leicht trennen bzw. identifizieren.

(''Aufgaben dazu: Buch S. 157 Nr. 4, S. 158 Nr. 10 und S. 126 und S.127 lesen und lernen'')

==== Die natürlichen Zerfallsreihen ====

[[Datei:Thoriumreihe.png|300px]][[Datei:Uranradiumreihe.png|300px]][[Datei:Uranactiniumreihe.png|300px]][[Datei:Neptuniumreihe.png|300px]]

Eine '''Zerfallsreihe''' im allgemeinen Sinn ist die Abfolge der nacheinander entstehenden Produkte eines radioaktiven Zerfalls. Sie bildet sich, indem ein Radionuklid sich in ein anderes, dieses in ein drittes umwandelt usw. („zerfällt“).

Aus einer vorhandenen Menge eines instabilen Nuklids bildet sich durch Zerfall ein Gemisch der Nuklide, die ihm in der Zerfallsreihe folgen, bevor irgendwann alle Atomkerne die Reihe bis zum Endnuklid durchlaufen haben. In dem Gemisch sind Nuklide mit kurzer Halbwertszeit nur in geringer Menge vorhanden, während solche mit längerer Halbwertszeit sich entsprechend stärker ansammeln.

Praktisch und historisch wichtig sind die Zerfallsreihen der drei Radionuklide Uran-238, Uran-235 und Thorium-232, auch ''Natürlich radioaktive Familien'' genannt. Sie entstehen durch Alpha- und Beta-Zerfälle, die mehr oder weniger regelmäßig abwechselnd aufeinander folgen.

Ein Alphazerfall verringert die Massenzahl des Atomkerns um 4 Einheiten, ein Betazerfall lässt sie unverändert. Schreibt man die Massenzahl ''A'' als ''A'' = 4''n''+''m'' (dabei ist ''n'' irgendeine natürliche Zahl und ''m'' eine der Zahlen 0, 1, 2 oder 3), bleibt deshalb ''m'' innerhalb einer solchen Zerfallsreihe stets konstant. Die drei genannten Anfangsnuklide haben verschiedene Werte von ''m''. Daher erzeugt
* Uran-238 die „(4n+2)-Reihe“ oder '''Uran-Radium-Reihe''' mit dem Endnuklid Blei-206,
* Uran-235 die „(4n+3)-Reihe“ oder '''Uran-Actinium-Reihe''' mit dem Endnuklid Blei-207,
* Thorium-232 die „(4n)-Reihe“ oder '''Thorium-Reihe''' mit dem Endnuklid Blei-208.
* Eine vierte Zerfallsreihe: In der obigen (4''n''+''m'')-Systematik „fehlt“ eine Reihe mit ''m'' = 1. Da es im Massenzahlbereich von Uran und Thorium aufgrund der relativ kurzen Halbwertszeiten kein Nuklid mit ''A'' = 4''n''+1 in der Natur (mehr) gibt, kommt eine solche Zerfallsreihe in der Natur nicht (mehr) vor. Der Systematik zuliebe wird aber die Zerfallsreihe der künstlich erzeugbaren Nuklide Plutonium-241 oder Neptunium-237, die '''Neptunium-Reihe''', als diese fehlende vierte Reihe betrachtet. Nur das letzte Radionuklid dieser Reihe, Bismut-209, ist wegen seiner extrem langen Halbwertszeit noch vorhanden.

[https://www.leifiphysik.de/kern-teilchenphysik/radioaktivitaet-einfuehrung/ausblick/zerfallsreihen Zerfallsreihen bei LeiFi-Physik]

[https://www.leifiphysik.de/kern-teilchenphysik/radioaktivitaet-einfuehrung/versuche/radioaktive-zerfallsreihen-animation Radioaktive Zerfallsreihen Animation W.Fendt bei LeiFi-Physik]

(''Aufgaben dazu: Buch S. 128 lesen, S. 200 anschauen, Formelsammlung S. 66 und S.67 beachten!'')

==== Halbwertszeit, Zerfallsgesetz, Aktivität ====
[[Datei:Expzerfall.png|400px|right]]

Die Zeit, in der (bei einem radioaktiven Zerfall) die Zahl der unzerfallenen Atome auf die Hälfte gesunken ist, nennt man '''Halbwertszeit''' <math> T_{1/2}</math>.

Der radioaktive Zerfall ist ein exponentieller Zerfall:

{| border="1" cellspacing="0" cellpadding="5"
|<math>N(t) = N_{0} \cdot e^{-\lambda \cdot t} = N_{0} \cdot e^{-\frac{ln 2}{T_{1/2}} \cdot t} </math>
|}

wobei <math>N(t)</math>: Anzahl noch nicht zerfallener Atome zum Zeitpunkt <math>t</math>

und <math>N_{0}</math>: Anzahl der Atome am Anfang zur Zeit <math>t=0</math> und

{| border="1" cellspacing="0" cellpadding="5"
|<math>\lambda = \frac{ln 2}{T_{1/2}} </math>
|}
heißt '''Zerfallskonstante'''.

Es gilt also:
{| border="1" cellspacing="0" cellpadding="5"
|<math>T_{1/2} = \frac{ln 2}{\lambda } </math>
|}

[https://www.leifiphysik.de/kern-teilchenphysik/radioaktivitaet-einfuehrung/grundwissen/halbwertszeit Halbwertszeit und Zerfallsgesetz bei LeiFi-Physik]

Die '''effektive Halbwertszeit''' <math> T_{eff} \ </math> nennt man die Zeit, in der in einem biologisches System die Menge eines Radionuklids auf die Hälfte abnimmt, und zwar '''im Zusammenwirken von radioaktivem Zerfall und Aussscheidung infolge biologischer Prozesse'''.

Wenn <math> T_{1/2} \ </math> die physikalische Halbwertszeit und <math> T_{bio} \ </math> die biologische Halbwertszeit ist, so berechnet sich die effektive Halbwertszeit folgendermaßen:
{| border="1" cellspacing="0" cellpadding="5"
|<math>T_{eff} = \frac{1}{\frac{1}{T_{1/2}}+\frac{1}{T_{bio}}} </math>
|}

Die '''Aktivität''' <math>A(t) </math> einer radioaktiven Strahlungsquelle gibt die Anzahl der Zerfälle <math>Z </math> pro Zeit an, ist also gleich der Zerfallsrate:

{| border="1" cellspacing="0" cellpadding="5"
|<math>A(t) = \frac{d}{dt}Z = A_{0} \cdot e^{-\lambda \cdot t} = A_{0} \cdot e^{-\frac{ln 2}{T_{1/2}} \cdot t} </math>
|}

wobei <math>A_{0}</math>: Aktivität am Anfang zur Zeit <math>t=0</math>.

Die zugehörige Einheit <math>[A] = 1 \frac{1}{s} = 1 Bq </math> heißt "'''Becquerel'''".

[https://www.leifiphysik.de/kern-teilchenphysik/radioaktivitaet-einfuehrung/grundwissen/aktivitaet-eines-praeparats Aktivität eines Präparats bei LeiFi-Physik]

Zwischen der Anzahl <math>N(t)</math> noch nicht zerfallener Atome und der Aktivität <math>A(t) </math> jeweils zum Zeitpunkt <math>t</math> besteht folgender Zusammenhang:

{| border="1" cellspacing="0" cellpadding="5"
|<math>A(t) = -\frac{d}{dt}N(t) = - \underbrace{N_{0}\cdot e^{-\lambda \cdot t}}_{=N(t)}\cdot (-\lambda) = \lambda \cdot N(t) </math>
|}

Also gilt am Anfang zur Zeit <math>t=0</math> auch

{| border="1" cellspacing="0" cellpadding="5"
|<math>A_{0} = \lambda\cdot N_{0}</math>.
|}

Manchmal wird das Zerfallsgesetz auch mit der zum Zeitpunkt <math>t</math> noch nicht zerfallenen Masse des Präparates <math>m(t)</math> formuliert:

{| border="1" cellspacing="0" cellpadding="5"
|<math>m(t) = m_{0} \cdot e^{-\lambda \cdot t} </math>
|}

wobei <math>m_{0}</math>: Masse des zerfallenden Präparates am Anfang zur Zeit <math>t=0</math>.

Dazu sollte man wissen, dass <math>m(t) = m_{A}\cdot N(t)</math> ist und somit auch gilt: <math>m_{0} = m_{A}\cdot N_{0}</math>.

<math>m_{A} </math> ist dabei die Atommasse des zerfallenden Elements.

Damit gilt also:

{| border="1" cellspacing="0" cellpadding="5"
|<math>A_{0} = \lambda\cdot N_{0} = \lambda\cdot \frac{m_{0}}{m_{A}}</math>.
|}

Löst man das Zerfallsgesetz nach der Zeit <math>t </math> auf, erhält man:

{| border="1" cellspacing="0" cellpadding="5"
|<math>t = \frac{T_{1/2}}{ln2}\cdot ln(\frac{N_{0}}{N(t)}) = \frac{T_{1/2}}{ln2}\cdot ln(\frac{A_{0}}{A(t)}) = \frac{T_{1/2}}{ln2}\cdot ln(\frac{m_{0}}{m(t)})</math>
|}

[https://physikunterricht-online.de/jahrgang-12/halbwertszeit-und-zerfallsgesetz/ Halbwertszeit und Zerfallsgesetz bei physikunterricht-online.de]

[https://www.leifiphysik.de/kern-teilchenphysik/anwendungen-der-kernphysik/grundwissen/altersbestimmung-mit-der-radiocarbonmethode Altersbestimmung mit der Radiocarbonmethode bei LeiFi-Physik]

[https://physikunterricht-online.de/jahrgang-12/die-c14-methode/ Die C14-Methode bei physikunterricht-online.de]

(''Aufgaben dazu: Buch S. 131-132 und S. 134-135 lesen, S. 158 Nr. 11, 12, 13, 14 und [https://www.leifiphysik.de/kern-teilchenphysik/radioaktivitaet-einfuehrung/aufgabe/belastung-durch-tschernobyl-abitur-2003-gk-a4-3 Abituraufgabe 2003 Tschernobyl bei LeiFi-Physik] und [https://www.leifiphysik.de/kern-teilchenphysik/anwendungen-der-kernphysik/aufgabe/altersbestimmung-mit-der-c14-methode-abitur-2005-gk-a4-1 Abituraufgabe 2005 C14 bei LeiFi-Physik]'')

[https://www.isb.bayern.de/download/16168/physik_2015_aufgaben.pdf Abitur Physik 2015 Bayern]

[https://www.isb.bayern.de/download/19503/physik_2017_a.pdf Abitur Physik 2017 Bayern]

==== Strahlenschutz ====

{| border="1" cellspacing="0" cellpadding="10"
|'''Abstand, Abschirmung, kurzzeitig und nicht in den Körper aufnehmen!'''
|}

(''siehe [https://www.leifiphysik.de/kern-teilchenphysik/radioaktivitaet-einfuehrung/grundwissen/strahlenschutz Strahlenschutz] bei LeiFi-Physik'')

==== Strahlenbelastung ====

'''Biologische Wirkung der radioaktiven Strahlung'''
[[Bild:Strahlenexposar.png|thumb|400px|right|Strahlenbelastung in Deutschland 2004/2005]]
Je größer die Energieaufnahme pro Körpermasse, desto größer ist auch die biologische Wirkung der auf den Körper treffenden Strahlung.

'''Energiedosis''':

{| border="1" cellspacing="0" cellpadding="10"
|<math>D = \frac{E}{m} </math>
|}

wobei <math>E</math> die absorbierte Energie und <math>m</math> die Masse des bestrahlten Körpers ist.

Die Einheit der Energiedosis <math>D</math> ist: <math> 1~\frac{J}{kg} = 1~Gy </math> ("Gray")

'''Äquivalentdosis''':

{| border="1" cellspacing="0" cellpadding="10"
|<math>H = q \cdot D </math>
|}

wobei <math>q</math> der Bewertungsfaktor der jeweiligen Strahlung und <math>D</math> die Energiedosis des bestrahlten Körpers ist.

Die Einheit der Äquivalentdosis <math>H</math> ist: <math> 1~\frac{J}{kg} = 1~Sv </math> ("Sievert")

Die Äquivalentdosis wird zur Angabe der Strahlenbelastung verwendet.

(''siehe [https://www.leifiphysik.de/kern-teilchenphysik/radioaktivitaet-einfuehrung/ausblick/dosiseinheiten Dosiseinheiten] und [https://www.leifiphysik.de/kern-teilchenphysik/radioaktivitaet-einfuehrung/ausblick Strahlenbelastung] bei LeiFi-Physik'')

[https://physikunterricht-online.de/jahrgang-12/groessen-zur-erfassung-radioaktiver-strahlung/ Größen zur Erfassung der Strahlenbelastung bei physikunterricht-online.de]

(''Aufgaben dazu: Buch S. 136-137 lesen, S. 159 Nr. 16 und [https://www.leifiphysik.de/kern-teilchenphysik/radioaktivitaet-einfuehrung/aufgabe/strahlenbelastung-durch-radon Strahlenbelastung durch Radon] bei LeiFi-Physik'')

==== Kernspaltung ====

Schwere Atomkerne (Massenzahl >> 56) werden mit langsamen Neutronen beschossen. Dabei können sich diese Atomkerne in zwei Trümmerkerne und freiwerdende Neutronen '''spalten'''. Zusätzlich wird bei diesem Vorgang '''Energie frei''', die z.B. in Kernkraftwerken genutzt wird.

'''Mögliche Zerfallsgleichungen''':

<math> _{0}^{1} n + _{\ 92}^{235} U \rightarrow \ _{36}^{89} Kr + _{56}^{144} Ba + 3 \cdot _{0}^{1} n + \mathrm{Energie}</math>

<math> _{0}^{1} n + _{\ 92}^{235} U \rightarrow \ _{55}^{137} Cs + _{37}^{96} Rb + 3 \cdot _{0}^{1} n + \mathrm{Energie}</math>

Treffen diese freiwerdenden Neutronen (nach Abbremsung) wieder auf spaltbare Atomkerne, so kann es letztlich zu einer '''Kettenreaktion''' von Kernspaltungsprozessen kommen, bei der ungeheuere Mengen an Energie in kürzester Zeit frei werden.

'''Aufbau eines Kernkraftwerks mit Druckwasserreaktor''':

[[Bild:Druckwasserreaktor.png]]

(''siehe [https://www.leifiphysik.de/kern-teilchenphysik/kernspaltung-und-kernfusion Kernspaltung] bei LeiFi-Physik'')

[https://www.leifiphysik.de/kern-teilchenphysik/kernspaltung-und-kernfusion/ausblick Ausblick zur Kernspaltung und Kernfusion bei LeiFi-Physik]

[https://www.kernd.de/kernd/ Kernenergie in Deutschland Kerntechnik Deutschland e.V. Informationen zu Kernenergie, Atomenergie, Kernkraft, Atomkraft bei kernd.de]

[https://www.ausgestrahlt.de/ ausgestrahlt.de - gemeinsam gegen atomenergie]

[https://www.greenpeace.de/sites/www.greenpeace.de/files/risiko_atomkraft_2007_1.pdf Riskiko Atomkraft bei greenpeace.de]

[https://www.youtube.com/watch?v=dVKWuGdarn8 Übereilter Atomausstieg? Fukushimas Erbe] von Terra X Lesch & Co bei YouTube.com

(''Aufgaben dazu: Buch S. 143-145 lesen, S. 160 Nr. 23, 26'')

==== Kernfusion ====
[[Datei:Tokamak.jpg|640px]][[Datei:Stellarator.jpg]]

Auch durch Verschmelzung besonders leichter Atomkerne zu schweren Kernen wird sehr viel Energie frei. Dieser Vorgang wird '''Kernfusion''' genannt und läuft nur bei extrem hohen Temperaturen (> 20 Mill. °C) und extremen Druck (> 10^15 Pa) ab.

'''Mögliche Fusionsreaktionen''':

<math>4 \cdot _{1}^{1} H \rightarrow \ _{2}^{4} He + 2 \cdot _{+1}^{\ 0} e + \mathrm{Energie}</math>

<math> _{1}^{2} H + _{1}^{3} H \rightarrow \ _{2}^{4} He + _{0}^{1} n + \mathrm{Energie}</math>

(''siehe [https://www.leifiphysik.de/kern-teilchenphysik/kernspaltung-und-kernfusion Kernfusion] bei LeiFi-Physik'')

[https://www.leifiphysik.de/kern-teilchenphysik/kernspaltung-und-kernfusion/ausblick Ausblick zur Kernspaltung und Kernfusion bei LeiFi-Physik]

[https://fusionforenergy.europa.eu/what-is-fusion/ Fusion For Energy - Understanding Fusion]

[https://www.fz-juelich.de/iek/iek-4/DE/Service/Infomaterial/infomaterial_node.html Roadmap der europäischen Fusionsforschung - Infomaterial Fusion Forschungszentrum Jülich]

(''Aufgaben dazu: Buch S. 147-149 lesen, S. 160 Nr. 24, 28'')

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[[Physik]]  [[GWPh7]]  [[GWPh8]]  [[GWPh9]]  [[GWPh10]]  [[SchulheftPh8]]  [[SchulheftPh9]]  [[SchulheftPh10]]  [[SchulheftPh11]]
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SchulheftPh12

2026-01-27T10:12:18Z

Ba2282: /* Interferenz am Doppelspalt */

[[Physik]]  [[GWPh7]]  [[GWPh8]]  [[GWPh9]]  [[GWPh10]]  [[SchulheftPh8]]  [[SchulheftPh9]]  [[SchulheftPh10]]  [[SchulheftPh11]]
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[[Bild:Physiklogo.jpg|link=Physik|right]]
==0. Wiederholung==
(''siehe [[SchulheftPh11|Schulheft Ph 11]] und [[GWPh10|Grundwissen Physik 10]] oder [http://www.leifiphysik.de/ LeiFi-Physik]'')

[https://www.leifiphysik.de/elektrizitaetslehre/elektromagnetische-wellen/grundwissen/ausbreitung-elektromagnetischer-wellen Ausbreitung elektromagnetischer Wellen bei LeiFi-Physik]

[https://www.leifiphysik.de/mechanik/mechanische-wellen/ausblick/huygenssches-prinzip-zur-beschreibung-von-mechanischen-wellen Huygenssches Prinzip zur Ausbreitung von Wellen bei LeiFi-Physik]

[https://www.leifiphysik.de/optik/elektromagnetisches-spektrum Elektromagnetisches Spektrum bei LeiFi-Physik]

[https://phet.colorado.edu/sims/html/waves-intro/latest/waves-intro_de.html Wellen Einführung bei PhET]

[https://phet.colorado.edu/sims/html/wave-interference/latest/wave-interference_de.html Wellen Interferenz bei PhET]

==== Interferenz am Doppelspalt ====

[https://www.youtube.com./watch?v=koZ2c_Olieg&list=PLXILMmupC2416mokyASiJ5x1OdYi9YBm-&index=31 Interferenz LeiFi-Physik Erklärvideo bei Youtube.com]

[https://www.youtube.com./watch?v=bJNbj6gOacM&list=PLXILMmupC2416mokyASiJ5x1OdYi9YBm-&index=28 Doppelspalt LeiFi-Physik Erklärvideo bei Youtube.com]

[[Datei:Interferenzamdoppelspalt.jpg|800px]]

Bedingung für Maxima bzw. Minima:

{| border="1" cellspacing="0" cellpadding="5"
|<math>\Delta s = k\cdot \lambda</math>
|<math>\Delta s = (2k-1)\cdot \frac{\lambda}{2}</math>
|}

Es gilt:

{| border="1" cellspacing="0" cellpadding="5"
|<math>sin(\alpha) = \frac{\Delta s}{b}</math>
|<math>tan(\alpha) = \frac{d}{2a}</math>
|}

Für kleine Winkel gilt:

{| border="1" cellspacing="0" cellpadding="5"
|<math>sin(\alpha) \approx tan(\alpha)</math>
|<math>\frac{\Delta s}{b} \approx \frac{d}{2a}</math>
|}

[https://www.youtube.com/watch?v=abC-Gai9-aY Physik LK 40 - Beugung und Interferenz am Doppelspalt von Benno Köhler bei youtube.com]

[https://www.isb.bayern.de/download/10773/abiturpruefung_2012.pdf Abitur Physik 2012 Bayern]

[https://www.isb.bayern.de/download/20715/ph_2018_aufgaben.pdf Abitur Physik 2018 Bayern]

==1. Quantenobjekte==

=== 1.1 Teilchencharakter von Photonen ===

[https://www.leifiphysik.de/quantenphysik/quantenobjekt-photon Quantenobjekt Photon bei LeiFi-Physik]

[https://www.br.de/mediathek/video/die-physik-albert-einsteins-der-photoeffekt-1-8-av:5bec3e3c5773f10017e894b7 Die Physik Albert Einsteins Der Photoeffekt bei BR Mediathek]

==== Äußerer Photoeffekt ====

[https://phet.colorado.edu/de/simulation/legacy/photoelectric Der photoelektrische Effekt bei PhET]

[https://www.leifiphysik.de/quantenphysik/quantenobjekt-photon/versuche/gegenfeldmethode Gegenfeldmethode bei LeiFi-Physik]

==== Zusammenhang zwischen Photonenenergie und Frequenz ====

Das '''plancksche Wirkungsquantum''' <math>h</math> ist eine fundamentale Naturkonstante:

{| border="1" cellspacing="0" cellpadding="5"
|<math>h = 6,626\cdot 10^{-34}~Js</math>
|}

Gleichung der '''Einstein-Geraden''':

{| border="1" cellspacing="0" cellpadding="5"
|<math>E_{kin} = h\cdot f - W_{A}</math>
|}

'''Energie eines Photons''':

{| border="1" cellspacing="0" cellpadding="5"
|<math>E = h\cdot f = h\cdot \frac{c}{\lambda}</math>
|}

'''Grenzfrequenz''', um Photoelektronen ablösen zu können:

{| border="1" cellspacing="0" cellpadding="5"
|<math>f_G = \frac{W_A}{h}</math>
|}

[https://www.isb.bayern.de/download/20390/2011.pdf Abitur Physik 2011 Bayern]

[https://www.isb.bayern.de/download/12838/abiturpruefung_physik_2013.pdf Abitur Physik 2013 Bayern]

[https://www.isb.bayern.de/download/16168/physik_2015_aufgaben.pdf Abitur Physik 2015 Bayern]

[https://www.leifiphysik.de/quantenphysik/quantenobjekt-photon/aufgabe/quiz-zum-photoeffekt Quiz zum Photoeffekt bei LeiFi-Physik]

==== Photon als Teilchen mit Energie und Impuls ====

'''Masse eines Photons''':

{| border="1" cellspacing="0" cellpadding="5"
|<math>m = \frac{h\cdot f}{c^2} = \frac{h}{c\cdot \lambda}</math>
|}

'''Impuls eines Photons''':

{| border="1" cellspacing="0" cellpadding="5"
|<math>p = m\cdot c = \frac{E}{c} = \frac{h\cdot f}{c} = \frac{h}{\lambda}</math>
|}

[https://www.leifiphysik.de/quantenphysik/quantenobjekt-photon/ausblick/photonenpendel Photonenpendel bei LeiFi-Physik]

[https://www.leifiphysik.de/elektrizitaetslehre/bewegte-ladungen-feldern/aufgabe/sonnenwind Sonnenwind bei LeiFi-Physik]

[https://www.br.de/mediathek/video/alpha-centauri-20082019-was-ist-der-sonnenwind-av:5c1add44945a0100189bedae alpha-Centauri Was ist der Sonnenwind? bei BR Mediathek]

[https://www.youtube.com/watch?v=5IhhvCvEUQM Reinhard Genzel über "Das supermassereiche Schwarze Loch in der Milchstraße" bei Spektrum der Wissenschaft bei YouTube.com]

=== 1.2 Wellencharakter von Elektronen ===

[https://www.didaktik.physik.uni-muenchen.de/elektronenbahnen/elektronenbeugung/einfuehrung/versuchsaufbau.php Elektronenbeugungsröhre bei LMU München]

[https://www.weltderphysik.de/fileadmin/user_upload/Redaktion/Broschueren_PDF/Highlights_der_Physik/2008_HdP_Quantenspruenge.pdf Quantensprünge bei weltderphysik.de]

'''De-Broglie Wellenlänge''' eines Quantenobjekts:

{| border="1" cellspacing="0" cellpadding="5"
|<math>\lambda = \frac{h}{m\cdot v} = \frac{h}{p}</math>
|}

[https://www.leifiphysik.de/quantenphysik/quantenobjekt-elektron/versuche/doppelspaltversuch-von-joensson Doppelspaltversuch von Joensson bei LeiFi-Physik]

[https://www.leifiphysik.de/quantenphysik/quantenobjekt-elektron/aufgaben Aufgaben Quantenobjekt Elektronen bei LeiFi-Physik]

'''Relativistische Energie-Impuls-Beziehung''':

{| border="1" cellspacing="0" cellpadding="5"
|<math>p^2 = \frac{E^2-E_0^2}{c^2}</math>
|}

[https://www.isb.bayern.de/download/19503/physik_2017_a.pdf Abitur Physik 2017 Bayern]

[https://www.isb.bayern.de/download/22982/physik_2020_aufgaben_1.pdf Abitur Physik 2020 Bayern]

=== 1.3 Beschreibung von Quantenobjekten ===
Photonen, Elektronen und viele andere Objekte aus der Mikrowelt verhalten sich weder wie klassische Teilchen noch wie klassische Wellen. Man bezeichnet sie als '''Quantenobjekte''', mit denen sich die '''Quantenphysik''' beschäftigt. Im Gegensatz dazu stehen '''makroskopische Objekte''', die keine Interferenz zeigen und als Teilchen auf konkreten Bahnen unterwegs sind.

'''Quantenobjekte'''
*haben etwas Welliges (Ausbreitung, Interferenz)
*haben etwas Körniges (Teilchen, Ort)
*haben etwas Stochastisches (Wahrscheinlichkeitsaussagen)
*bewegen sich nicht auf Bahnen
*sind keine kleinen Kügelchen.

In der '''Quantemechanik''' wird jedes Quantenobjekt durch eine komplexwertige Wellenfunktion <math>\Psi(x,y,z) \ </math> beschrieben, deren Betragsquadrat <math>|\Psi(x,y,z)|^2 \ </math> als Aufenthaltswahrscheinlichkeit <math>P(x,y,z) \ </math> des Quantenobjekts gedeutet und im Experiment bestimmt werden kann.

Anders als in der klassischen Physik trifft man in der Quantenphysik im Allgemeinen nur Wahrscheilichkeitsaussagen.

[https://www.youtube.com/watch?v=H8wYruB1kzA Das geheimnisvolle Reich der Quanten bei YouTube.com]

[https://www.youtube.com/watch?v=FwNV_e-Xz68 Quantenmechanik mit Harald Lesch bei YouTube.com]

'''Heisenberg'sche Unschärferelation''':

{| border="1" cellspacing="0" cellpadding="5"
|<math>\Delta x \cdot \Delta p_{x} \geq \frac{h}{4\pi}</math>
|}

[https://www.leifiphysik.de/quantenphysik/quantenobjekt-elektron/grundwissen/unschaerferelation Unschärferelation bei LeiFi-Physik]

[https://www.br.de/mediathek/video/alpha-centauri-was-ist-die-unschaerferelation-av:5d7b990b2a2b92001a7b8d05 alpha-Centauri Was ist die Unschärferelation? bei BR Mediathek]

[https://www.br.de/mediathek/video/alpha-centauri-welche-bedeutung-hat-die-unschaerferelation-av:5c55f07e12c30800175a00fd alpha-Centauri Welche Bedeutung hat die Unschärferelation? bei BR Mediathek]

==2. Atommodell der Quantenphysik==

[https://www.youtube.com/watch?v=-4Us5PTb4J8&list=PLi01XoE8jYoi5fLBY64f6ZUuktgTFb2H3&index=5 Frühe Atommodelle (Dalton, Thomson, Rutherford, Bohr) von Socratica bei YouTube.com]

[https://www.leifiphysik.de/atomphysik/atomaufbau/grundwissen/atomaufbau Atommodelle bei LeiFi-Physik]

==== Atomare Größen ====

'''Avogadro-Konstante''':

{| border="1" cellspacing="0" cellpadding="5"
|<math>N_A = 6,0221367\cdot 10^{23}</math>
|}

'''Atomare Masseneinheit''':

{| border="1" cellspacing="0" cellpadding="5"
|<math>1 u = 1,66054\cdot 10^{-27}~kg</math>
|}

'''Atomradius''':

{| border="1" cellspacing="0" cellpadding="5"
|<math>r_{Atom} = 10^{-10}~m</math>
|}

'''Kernradius''':

{| border="1" cellspacing="0" cellpadding="5"
|<math>r_{Kern} = 1,4\cdot 10^{-15}~m\cdot \sqrt[3]{A}</math>
|}

=== Wichtige Atommodelle ===

==== Atommodell von Rutherford (1911) ====
* Sehr kleiner Kern, in dem fast die ganze Masse und die positive Ladung konzentriert ist.
* Die fast masselosen Elektronen bewegen sich aufgrund der elektrischen Anziehungskräfte auf Bahnen um den Atomkern.
* Atom besteht also hauptsächlich aus leerem Raum.

; Kritik
: Nach den Gesetzen der klassischen Physik wäre das "Rutherford-Atom" instabil. Die Linienspektren der Elemente lassen sich damit nicht erklären.

[https://www.leifiphysik.de/atomphysik/atomaufbau/grundwissen/streuversuch-und-atommodell-von-rutherford Atommodell von Rutherford bei LeiFi-Physik]

==== Atommodell von Bohr (1913) ====
* Es gibt im Atom diskrete Energiezustände der Elektronen ("Quantenbahnen"), auf denen sie strahlungslos umlaufen.
* Die Energieänderung im Atom geschieht durch einen Sprung eines Elektrons von einer Bahn auf eine andere. Dabei gilt:

{| border="1" cellspacing="0" cellpadding="5"
|<math> \Delta E = h\cdot f = h\cdot \frac{c}{f}</math>
|}

* Die Quantenbedingung von Bohr legt die Bahnradien fest: <math> 2\pi r_n\cdot m_e\cdot v_n = n\cdot h </math> (mit Quantenzahl <math> n \ </math>).

; Kritik
: Das Bohrsche Modell führt nur beim Wasserstoffatom zu richtigen Ergebnissen. Die Quantenbahnen stehen im Widerspruch zur Unschärferelation. Die Bohrschen Postulate erscheinen willkürlich im Rahmen der klassischen Physik.

[https://www.leifiphysik.de/atomphysik/bohrsches-atommodell/grundwissen/atommodell-von-bohr Atommodell von Bohr bei LeiFi-Physik]

[https://www.youtube.com/watch?v=cG770N48Hzk&list=PLMRuqWRlK1n2uQb-YS86z6OsmlrLP508e&index=3 Atommodell nach Niels Bohr bei YouTube.com]

=== Linienspektren ===

'''Diskrete Energieniveaus im Wasserstoffatom:'''
{| border="1" cellspacing="0" cellpadding="5"
|<math> E_{n} = -13,6~eV\cdot \frac{1}{n^2}</math>
|}

[https://www.leifiphysik.de/atomphysik/atomarer-energieaustausch Atomarer Energieaustausch bei LeiFi-Physik]

[https://phet.colorado.edu/de/simulation/legacy/discharge-lamps Entladungslampen bei PhET]

=== 2.1 Das quantenmechanische Atommodell (Schrödinger, um 1930) ===

Die verschiedenen energetischen Zustände der Elektronen in der Atomhülle werden hier als '''Orbitale''' dargestellt.

Ein Orbital beschreibt dabei die Wahrscheinlichkeit, das Elektron in einem bestimmten Raumbereich nachzuweisen.

Genauer gesagt wird das Elektron als im Atom stehende, räumliche de-Broglie-Welle aufgefasst, deren Amplitudenquadrat zur Aufenthaltswahrscheinlichkeit des Elektrons proportional ist.

[https://www.orbitals.com/orb/index.html Atomic Orbitals bei orbitals.com]

[https://fr.wikipedia.org/wiki/Orbitale_atomique#Orbitales_r%C3%A9elles Orbitales réelles bei fr.wikipedia.org]

[https://phet.colorado.edu/de/simulation/legacy/hydrogen-atom Modelle des Wasserstoffatoms bei PhET]

[https://www.leifiphysik.de/atomphysik/quantenmech-atommodell Quantenmechanisches Atommodell bei LeiFi-Physik]

[http://pages.swcp.com/~jmw-mcw/Parsing%20the%20spdf%20electron%20orbital%20model.htm PARSING THE spdf ELECTRON ORBITAL MODEL von Joel M Williams]

[https://seilnacht.com/Lexikon/psval.htm Periodensystem mit Elektronenkonfiguration bei seilnacht.com]

[https://www.youtube.com/watch?v=ZapVVYLr5K8 Die geheimnisvolle Ordnung hinter den Dingen bei Youtube.com]

=== 2.2 Elektronen im Potentialtopf ===

'''Energiewerte eines Teilchens im unendlich hohen eindimensionalen Potentialtopf:'''
{| border="1" cellspacing="0" cellpadding="5"
|<math> E_{n} = \frac{h^2}{8mL^2}\cdot n^2</math>
|}

[https://www.leifiphysik.de/atomphysik/quantenmech-atommodell/grundwissen/linearer-potentialtopf Potentialtopf bei Leifi-Physik]

[https://www.br.de/mediathek/video/sendungen/alpha-centauri/alpha-centauri-tunneleffekt-2003-100.html alpha-Centauri Was ist der Tunneleffekt? bei BR Mediathek]

[https://www.isb.bayern.de/download/10773/abiturpruefung_2012.pdf Abitur Physik 2012 Bayern]

[https://www.isb.bayern.de/download/16168/physik_2015_aufgaben.pdf Abitur Physik 2015 Bayern]

[https://www.isb.bayern.de/download/20715/ph_2018_aufgaben.pdf Abitur Physik 2018 Bayern]

=== 2.3 Laser ===

'''Laser''' ('''L'''ight '''a'''mplification by '''s'''timulated '''e'''mission of '''r'''adiation) nutzen die sogenannte '''induzierte Emission''' von Photonen, bei der die Emission durch Photonen gleicher Energie stimuliert wird.

[[Datei:Laser DSC09088.JPG]]

Laserlicht hat folgende Eigenschaften:

*nahezu paralleles Licht
*monochromatisch (Licht einer Wellenlänge)
*hohe Leistungsdichte
*hohe Kohärenz (Phasengleichheit)
*linear polarisiert (schwingt in einer Ebene)

[https://www.leifiphysik.de/atomphysik/laser Laser bei Leifi-Physik]

[https://phet.colorado.edu/de/simulation/legacy/lasers Laser bei PhET]

[https://www.isb.bayern.de/download/22982/physik_2020_aufgaben_1.pdf Abitur Physik 2020 Bayern]

=== 2.4 Franck-Hertz-Versuch ===

1913 konnten James Franck und Gustav Hertz experimentell zeigen, dass die Vorstellung von Bohr, Atome nähmen nur ganz bestimmte Anregungsenergien auf und würden dadurch zum Leuchten kommen, zutrifft.

'''Aufbau und U-I-Diagramm:'''

[[Datei:FranckHertz.png]]

'''Erkenntnis:'''

Atome besitzen diskrete Energieniveaus (Energiezustände). Durch Absorption wird ein Atom in einen angeregten Zustand höherer Energie versetzt. Solche angeregten Atome emittieren dann Photonen der entsprechenden Energie.

[https://www.leifiphysik.de/atomphysik/atomarer-energieaustausch/versuche/franck-hertz-versuch Franck-Hertz-Versuch bei LeiFi-Physik]

[https://www.youtube.com/watch?v=yb4Tj26YxrQ Animation Franck-Hertz-Versuch bei YouTube.com]

[https://www.isb.bayern.de/download/20390/2011.pdf Abitur Physik 2011 Bayern]

[https://www.isb.bayern.de/download/18028/physik_2016_a.pdf Abitur Physik 2016 Bayern]

=== 2.5 Röntgenstrahlen ===
[[Bild:Roentgenswifeshand.png|thumb|right|Röntgenaufnahme der Hand Röntgens Frau]]

[https://www.youtube.com/watch?v=tkOljp8dXeY Röntgenstrahlung] von Karlheinz Meier bei YouTube.com

[https://www.youtube.com/watch?v=QOW_rgfBNvc Was ist Röntgenstrahlung?] von GRS Deutschland bei YouTube.com

[https://www.youtube.com/watch?v=VOg3IhpVwic RÖNTGENSTRAHLUNG ganz einfach erklärt!] von Der Physiklehrer bei YouTube.com

Treffen schnelle Elektronen auf eine Metallanode, so entstehen '''Röntgenstrahlen''' (nach W.C.Röntgen, 1895), deren Energie viel größer ist als die des sichtbaren Lichts (Energie der Röntgenstrahlung liegt zwischen 10 keV und 1 MeV, die zugehörige Wellenlänge liegt zwischen 1 nm und 10 pm). Deswegen können sie Materie durchdringen, Stoffe ionisieren, Zellen schädigen, Fluoreszenz erzeugen oder einen Film schwärzen.

Röntgenröhre: [[Bild:Roentgenroehre.svg|400px|Röntgenröhre]]

(K: Glühkathode, A: Metallanode, C: Kühlung, X: Röntgenstrahlen, Ua: Beschleunigungsspannung, Uh: Heizspannung)

(''siehe [https://www.leifiphysik.de/atomphysik/roentgen-strahlung/versuche/erzeugung-von-roentgen-strahlung Erzeugung von Röntgenstrahlung] bei LeiFi-Physik'')

Man unterscheidet bei Röntgenstrahlen die sogenannte '''Bremsstrahlung''' (Elektronen werden im Anodenmaterial abgelenkt und abgebremst und dabei werden Photonen emittiert) und die '''charakteristische Strahlung''' (Inneres Hüllenelektron wird herausgeschlagen und beim Zurückfallen der Elektronen äußerer Schalen werden Photonen emittiert).

(''siehe [https://www.leifiphysik.de/atomphysik/roentgen-strahlung/grundwissen/bremsstrahlung Bremsstrahlung] und [https://www.leifiphysik.de/atomphysik/roentgen-strahlung/grundwissen/charakteristische-roentgen-strahlung Charakteristische Röntgenstrahlung] bei LeiFi-Physik'')

Den Begriff '''"Röntgen"''' (oder auch: Radiographie) verwendet man mittlerweile für ein weitverbreitetes medizinisches Verfahren zur bildlichen Darstellung von Körperstrukturen wie Knochen, Gefäße und innere Organe. Seit Entdeckung der Röntgenstrahlen wurde es permanent weiterentwickelt und wird nach wie vor in nahezu allen Bereichen der Medizin genutzt (''siehe auch [https://www.leifiphysik.de/atomphysik/roentgen-strahlung/ausblick/roentgen-computertomographie Röntgen-Computertomographie] bei LeiFi-Physik'').

Insgesamt kann man sagen: Röntgenspektren (Röntgenstrahlung) geben Auskunft über die Verhältnisse in den inneren Schalen der Atomhülle, während optische Spektren (Infrarot, sichtbares Licht und UV-Strahlung) nur über die Verhältnisse an der Oberfläche der Atomhülle informieren.

==3. Aufbau der Materie==

Alle Stoffe bestehen aus Atomen. Materie ist aus Atomen aufgebaut, von denen es etwa 115 Atomarten - genannte '''Elemente''' - gibt.

Der Durchmesser von Atomen liegt in einer Größenordnung von <math>10^{-10}~m</math>. Die Masse eines Atoms liegt bei etwa <math>10^{-25}~kg</math> (je nach Element).

====Modellvorstellung eines Atoms====
[[Bild:Atommodell.jpg]]

Fast die ganze Masse (ca. 99,99 %) des Atoms ist auf kleinsten Raum im Atomkern konzentriert. Der Atomkern ist im Vergleich zur Atomhülle winzig klein!

Die Atomhülle besteht aus negativ geladenen '''Elektronen''' (Ladung <math>q=-e \ </math>, Masse <math>m_{e}=9,10938\cdot 10^{-31}~kg=0,00054858~u \ </math>), der Atomkern aus positiv geladenen '''Protonen''' (Ladung <math>q=+e \ </math>, Masse <math>m_{p}=1,67262\cdot 10^{-27}~kg=1,007276~u \ </math>) und ungeladenen '''Neutronen''' (Ladung <math>q=0 \ </math>, Masse <math>m_{n}=1,67493\cdot 10^{-27}~kg=1,008665~u \ </math>). Diese Kernbausteine werden auch '''Nukleonen''' genannt.

(''siehe [https://www.leifiphysik.de/atomphysik/atomaufbau Atomaufbau] bei LeiFi-Physik'')

Die Anzahl der Nukleonen in einem Atomkern wird als '''Massenzahl''' <math>\ A</math> bezeichnet, da man mit ihr die Atommasse näherungsweise bestimmen kann:

{| border="1" cellspacing="0" cellpadding="10"
|Masse Atom = <math>A \cdot 1,6605\cdot 10^{-27}~kg</math>
|}

Die Massenzahl ergibt sich aus der '''Protonenzahl''' <math>\ Z</math> und der '''Neutronenzahl''' <math>\ N</math> des Atomkerns. <math>\ Z</math> wird auch '''Kernladungszahl''' oder '''Ordnungszahl''' genannt. Es gilt:

{| border="1" cellspacing="0" cellpadding="10"
|<math>A = Z + N\ </math>
|}

Symbolische Schreibweise für Atomkerne:

{| border="1" cellspacing="0" cellpadding="10"
|<math>^{A}_{Z}X\ </math>
|}

zum Beispiel: <math>^{23}_{11}Na,\ ^{1}_{1}H,\ ^{4}_{2}He,\ ^{210}_{84}Po,\ ^{238}_{92}U</math>

Die Atomkernsorten nennt man auch '''Nuklide''', die in einer '''Nuklidkarte''' zusammenfassend aufgelistet werden.

(''siehe [https://www.leifiphysik.de/kern-teilchenphysik/radioaktivitaet-einfuehrung/grundwissen/nuklidkarte Nuklidkarte] bei LeiFi-Physik'')

Nuklide mit gleicher Protonenzahl <math>\ Z</math> aber verschiedener Massenzahl <math>\ A</math> nennt man '''Isotope''' (z.B. Uran-Isotope <math>^{235}_{92}U,\ ^{238}_{92}U,\ ... </math> )

Alle in der Natur vorkommenden Elemente sind meist eine Mischung verschiedener Isotope dieses Elements.

[https://www.youtube.com/watch?v=oZ7nEKrG63M 10 Hoch Reise durch den Mikro- und Makrokosmos mit Harald Lesch bei youtube.com]

[http://atom.kaeri.re.kr/ Nuklidkarte bei kaeri.re.kr]

[https://www.marcoschwarz-online.de/picture/upload/pdf/nukliddaten.zip Nuklidkarte Download "Nukliddaten" Freeware-Programm nur geeignet für Windows von Holger Werner]

====Das Standardmodell zur Struktur der Materie====

Protonen und Neutronen sind aus '''Quarks''' (Größenordnung <math> 10^{-18}~m </math>) zusammengesetzt:

Proton: [[Bild:Quarksproton.svg|200px]] Neutron: [[Bild:Quarksneutron.svg|200px]]

u: up-Quark ( Ladung <math>Q=+\frac{2}{3}e</math> ), d: down-Quark ( Ladung <math>Q=-\frac{1}{3}e</math> ).

Es gibt neben den Elektronen, Protonen und Neutronen noch eine '''Vielzahl weiterer Teilchen''' und zu jedem Teilchen gibt es auch ein '''Antiteilchen''' mit gleicher Masse und entgegengesetzter Ladung.

Die Elementarteilchen der Materie sind (nach heutigem Kenntnisstand) '''Quarks''' und '''Leptonen'''. Alle Hadronen (Baryonen und Mesonen) sind Teilchen, die aus Quarks zusammengesetzt sind.

[https://www.leifiphysik.de/kern-teilchenphysik/teilchenphysik Teilchenphysik bei LeiFi-Physik]

[[Datei:Standard Model of Elementary Particles-de.png|800px]]

[https://www.leifiphysik.de/kern-teilchenphysik/teilchenphysik/grundwissen/elementarteilchen Elementarteilchen des Standardmodells bei LeiFi-Physik]

====Die fundamentalen Wechselwirkungen zwischen den Elementarteilchen====

{| class="wikitable"
! Wechselwirkung
! wirkt auf
! Austauschteilchen
! Relative Stärke in Bezug auf starke WW
! Reichweite
|-
| '''Gravitation'''
| alle Teilchen (wegen der Masse)
| Graviton (postuliert)
| 10−40
| ∞, nimmt mit 1/r² ab
|-
| '''Elektromagnetische Wechselwirkung'''
| elektrisch geladene Teilchen (wegen el. Ladung)
| Photon
| 10−2
| ∞, nimmt mit 1/r² ab
|-
| '''Schwache Wechselwirkung'''
| auf alle Teilchen (wegen der schwachen Ladung)
| W- und Z-Boson
| < 10−13
| ≈ 10−17 m
|-
| '''Starke Wechselwirkung'''
| auf Quarks, Nukleonen (wegen Farbladung)
| Gluon
| 1
| ≈ 10−15 m
|}

[https://www.leifiphysik.de/kern-teilchenphysik/teilchenphysik/grundwissen/die-vier-fundamentalen-wechselwirkungen Die vier fundamentalen Wechselwirkungen bei LeiFi-Physik]

[https://www.youtube.com/watch?v=gro-xoGXbt4 Elementarteilchen - Bis(s) ins Innere des Protons (Science Slam) Boris Lemmer bei youtube.com]

[https://www.br.de/mediathek/video/alpha-centauri-was-ist-ein-higgs-teilchen-2005-av:5bd8af9b04b1ca001864141c alpha-Centauri: Was ist ein Higgs-Teilchen? bei BR Mediathek]

[https://www.youtube.com/watch?v=be74-C1hJ2c Der LHC, das Higgs-Teilchen und die Weltformel bei youtube.com]

==4. Atomkernmodell der Quantenphysik==

Im Atomkern werden Protonen und Neutronen auf kleinstem Raum durch die sehr starken Kernkräfte (Starke Wechselwirkung) zusammengehalten. Sie sind bei einer Reichweite von nur etwa <math>10^{-15}~m</math> etwa 100mal stärker als die elektromagnetischen Abstoßungskräfte zwischen den Protonen, was die '''hohe Stabilität der Atomkerne''' zur Folge hat.

==== Dichte der Kernmaterie ====

[https://physikunterricht-online.de/jahrgang-12/atomkerne-und-ihre-bausteine/ Atomkerne und ihre Bausteine bei physikunterricht-online.de]

[https://www.leifiphysik.de/kern-teilchenphysik/kernmodelle/grundwissen/kernkraft Kernkraft bei LeiFi-Physik]

Für den '''Kernradius''' eines Nuklids mit der Massenzahl (Nukleonenzahl) <math>A</math> gilt näherungsweise:

{| border="1" cellspacing="0" cellpadding="5"
|<math>r_{Kern} = 1,4\cdot 10^{-15}~m\cdot \sqrt[3]{A}</math>
|}

Da die Masse der Nukleonen ungefähr <math>1,67\cdot 10^{-27}~kg</math> ist, kann die '''Dichte der Kernmaterie''' folgendermaßen abgeschätzt werden:

<math>\rho_{Kernmaterie} = \frac{1,67\cdot 10^{-27}~kg\cdot A}{4/3\cdot \pi\cdot (1,4\cdot 10^{-15}~m)^3\cdot A} = 1,5\cdot 10^{17}~\frac{kg}{m^3}</math>

(''Aufgaben dazu: Buch S. 119 Nr. 1, 2, 3'')

==== Massendefekt und mittlere Bindungsenergie je Nukleon ====

[https://physikunterricht-online.de/jahrgang-12/aufbau-und-energie-der-kerne/ Aufbau und Energie der Kerne bei physikunterricht-online.de]

[https://www.leifiphysik.de/kern-teilchenphysik/kernreaktionen/grundwissen/bindungsenergie Bindungsenergie bei LeiFi-Physik]

[https://www.leifiphysik.de/kern-teilchenphysik/kernreaktionen/grundwissen/masse-energie-beziehung Masse-Energie-Beziehung bei LeiFi-Physik]

Die '''Bindungsenergie''' <math>E_{B}</math> '''eines Atomkerns''' entspricht dem '''Massendefekt''' <math>\Delta m</math>, der auftritt, wenn man den Kern aus einzelnen Nukleonen zusammenbauen würde:

{| border="1" cellspacing="0" cellpadding="5"
|<math>E_{B} = \Delta m\cdot c^2</math>
|}

Die Masse des Atomkerns ist stets kleiner als die Massen seiner Nukleonen (Z: Protonenzahl, N: Neutronenzahl) zusammen:

{| border="1" cellspacing="0" cellpadding="5"
|<math>\Delta m = m_{Kern} - Z\cdot m_{Proton} - N\cdot m_{Neutron} < 0 </math>
|}

(''Aufgaben dazu: Buch S. 119 Nr. 9, S. 120 Nr. 11, siehe auch Beispiel auf S. 109'')

Um die Bindungsenergie für Atomkerne verschiedener Elemente vergleichen zu können, gibt man meist die '''mittlere Bindungsenergie je Nukleon''' <math>\frac{E_{B}}{A}</math> an.

[[Datei:Mittlerebindungsenergie.jpg|800px]]

[[File:Atomkernbindungsenergie RK01.png|Atomkernbindungsenergie RK01|800px]]

Es gibt zwei Arten durch Kernprozesse Energie freizusetzen:

*'''Kernspaltung''':

[[File:Kernspaltung.png|Kernspaltung|800px]]

Durch Aufspalten schwerer Atomkerne in leichtere Atomkerne oder Abspalten von Kernteilchen wird Energie frei (ca. 1 MeV pro Nukleon).

Dieser Vorgang wird in Atomkraftwerken genutzt und geschieht bei natürlichen radioaktiven Zerfällen.

[https://physikunterricht-online.de/jahrgang-12/kernspaltung/ Kernspaltung bei physikunterricht-online.de]

[https://www.leifiphysik.de/kern-teilchenphysik/kernspaltung-und-kernfusion/grundwissen/kernspaltung Kernspaltung bei LeiFi-Physik]

*'''Kernfusion''':

[[Datei:Kernfusion.png]]

Durch Zusammenfügen leichter Atomkerne oder Teilchen zu schweren Atomkernen wird Energie frei (ca. 7 MeV pro Nukleon).

Dieser Prozess findet im Inneren von Sternen oder bei der Explosion einer Wasserstoffbombe statt.

[https://physikunterricht-online.de/jahrgang-12/kernfusion/ Kernfusion bei physikunterricht-online.de]

[https://www.leifiphysik.de/kern-teilchenphysik/kernspaltung-und-kernfusion/grundwissen/kernfusion Kernfusion bei LeiFi-Physik]

(''Aufgaben dazu: Buch S. 119 Nr. 8, S. 120 Nr. 12, 13, 14, 15, siehe auch Beispiel auf S. 111'')

==== Erhaltungssätze und Reaktionsenergie bei Kernreaktionen ====

'''ERHALTUNGSSATZ'''
{| border="1" cellspacing="0" cellpadding="10"
|In einem abgeschlossenen System ist die '''Gesamtenergie''' <math>E </math>, der '''Gesamtimpuls''' <math>\vec p </math> und die '''gesamte Ladung''' '''konstant'''.
|}

(Der Masse <math>m </math> aller vorhandenen Teilchen ist dabei die Energie <math>mc^2 </math> zuzuordnen.)

Bei einer Kernreaktion gilt also (Energieerhaltung):

<math>E_{vor} + m_{vor}c^2 = E_{nach} + m_{nach}c^2 </math>

<math>\Leftrightarrow E_{vor} - E_{nach} = m_{nach}c^2 - m_{vor}c^2 </math>

<math>\Leftrightarrow \underbrace{E_{nach} - E_{vor}}_{=:Q} = m_{vor}c^2 - m_{nach}c^2 </math>

<math>{E_{nach} - E_{vor}}</math> wird '''Reaktionsenergie''' <math>Q </math> genannt. Es gilt:

{| border="1" cellspacing="0" cellpadding="10"
|<math>Q = (m_{vor} - m_{nach})\cdot c^2 </math>
|}

Ist <math>Q > 0 </math>, wird bei der Reaktion '''Energie frei''', es ist eine '''exotherme''' Reaktion.

Ist <math>Q < 0 </math>, läuft die '''endotherme''' Reaktion nur unter '''Zufuhr von Energie''' ab.

Neben der freigesetzten Energie ist häufig auch von Interesse, wie sich die Energie auf die Zerfallsprodukte verteilt.

Um diese Frage zu beantworten, muss neben dem Energieerhaltungssatz auch der '''Impulserhaltungssatz''' angewendet werden:

{| border="1" cellspacing="0" cellpadding="10"
|<math>\vec p_{vor} = \vec p_{nach} </math>
|}

(Hier ist jeweils der Summenvektor der einzelnen Impulse vorher bzw. nachher gemeint.)

(''Aufgaben dazu: Buch S. 140-142 lesen, S. 159 Nr. 17, S. 160 Nr. 19, 20, 21, 22, 25'')

==== Das Potentialtopfmodell des Atomkerns ====

[[Datei:Kernpotential.png|800px]]

[https://physikunterricht-online.de/jahrgang-12/potentialtopfmodell/ Das Potentialtopfmodell bei physikunterricht-online.de]

[https://www.leifiphysik.de/kern-teilchenphysik/kernmodelle/grundwissen/einfache-kernmodelle Kernmodelle bei LeiFi-Physik]

(Beides bitte lesen und anschauen!)

Nukleonen können im Atomkern (im Modell: Potentialtopf) nur bestimmte Energiezustände einnehmen (Belegung nach Pauli-Prinzip!). Dabei muss man zwischen '''Protonen''' (auf sie wirkt Kernkraft-und Coulombpotential) und '''Neutronen''' (auf sie wirkt nur das Kernkraftpotential) unterscheiden.

Der Potentialtopf für die Neutronen ist etwas tiefer, da auf die Protonen die Coulomb-Abstoßungskräfte wirken, so dass ihre Bindungsenergie im Kern geringer ist als die der Neutronen.

Die höchsten noch besetzten Neutronen- und Protonenniveaus haben energetisch etwa den gleichen Wert (--> '''Fermienergie'''), ansonsten kommt es zu Kernumwandlungsreaktionen (<math>\beta^-, \beta^+\ </math>-Zerfälle).

Stabile Kerne haben also bis zur Fermienergie besetzte Energiezustände. Sie haben meist etwas mehr Neutronen als Protonen.

Mit Hilfe des Potentialtopfmodells des Atomkerns lässt sich die frei werdende Bindungsenergie (negative potentielle Energie der Nukleonen!) und das Zusatndekommen der <math>\alpha , \beta\ </math> und <math>\gamma \ </math> -Strahlung erklären (''siehe Buch S. 113 bis 115'').

Das '''Energiespektrum''' des <math>\alpha\ </math> -Zerfalls und des <math>\gamma\ </math> -Zerfalls ist '''diskret''', da sich für das jeweilige Nuklid charakteristische Energieübergänge zwischen den Energieniveaus im Kern ergeben.

Das '''Energiespektrum''' des <math>\beta\ </math> -Zerfalls ist dagegen '''kontinuierlich''', da sich die frei werdende Energie dabei auf Elektron bzw. Positron '''und''' Antineutrino bzw. Neutrino verteilt.

[https://www.isb.bayern.de/download/18028/physik_2016_a.pdf Abitur Physik 2016 Bayern]

[https://www.isb.bayern.de/download/20715/ph_2018_aufgaben.pdf Abitur Physik 2018 Bayern]

(''Aufgaben dazu: Buch S. 120 Nr. 18, 19 und 20; zusätzlich Buch S. 116 lesen'')

==5. Radioaktivität und Kernreaktionen==

[https://br.de/s/sYDUMJ Was ist Radioaktivität? bei BR alpha-Centauri mit Harald Lesch]

[https://www.kernd.de/kernd-wAssets/docs/service/018basiswissen.pdf Kernenergie Basiswissen bei kernd.de]

====Arten radioaktiver Strahlung====

{| border="1" cellspacing="0" cellpadding="3"
|  
| '''<math>\alpha</math>-Strahlung'''
| '''<math>\beta</math>-Strahlung'''
| '''<math>\gamma</math>-Strahlung'''
|-
| '''Strahlung'''
| Zweifach positiv geladene Heliumkerne (<math>\alpha</math>-Teilchen)
| Elektronen (<math>\beta^{-}</math>-Strahlung) oder Positronen (<math>\beta^{+}</math>-Strahlung)
| Energiereiche elektromagnetische Strahlung
|-
| '''Reaktion'''
| <math>^{226}_{88}Ra \rightarrow ^{222}_{86}Rn^{2-} + ^{4}_{2}He^{2+}</math>
| <math>\beta^{-} \ </math>: <math>^{137}_{55}Cs \rightarrow ^{137}_{56}Ba^{+} + ^{\ 0}_{-1}e^{-} + ^{0}_{0}\overline{\nu_{e}} \ </math> <math>\beta^{+} \ </math>: <math>^{30}_{15}P \rightarrow ^{30}_{14}Si^{-} + ^{\ 0}_{+1}e^{+} + ^{0}_{0}{\nu_{e}} \ </math>
| <math>^{137}_{56}Ba^{*} \rightarrow ^{137}_{56}Ba + \gamma</math>
|-
| '''In der Nuklidkarte'''
| diagonal zwei nach links unten
| diagonal eins nach links oben (<math>\beta^{-}</math>) diagonal eins nach rechts unten (<math>\beta^{+}</math>)
| -
|-
| '''Geschwindig- keit'''
| bis 10 % der Lichtgeschwindigkeit
| bis 99 % der Lichtgeschwindigkeit
| Lichtgeschwindigkeit 300000 km/s
|-
| '''Reichweite in Luft'''
| einige Zentimeter
| einige Meter
| viele Meter
|-
| '''Abschirmung'''
| Blatt Papier
| Aluminiumplatte
| dicke Bleiplatte
|-
| '''Vorgang im Kern'''
| Kern stößt <math>\alpha</math>-Teilchen aus
| Neutron --> Elektron und Proton (<math>\beta^{-}</math>) Proton --> Positron und Neutron (<math>\beta^{+}</math>)
| Änderung des Energiezustandes
|-
| '''Ablenkung im Magnetfeld'''
| ja, da positiv geladen
| ja, da negativ geladen (<math>\beta^{-}</math>) ja, da positiv geladen (<math>\beta^{+}</math>)
| nein
|-
| '''Ablenkung im elektr. Feld'''
| ja, zur negativen Platte
| ja, zur positiven Platte (<math>\beta^{-}</math>) ja, zur negativen Platte (<math>\beta^{+}</math>)
| nein
|}

(''siehe auch [https://www.leifiphysik.de/kern-teilchenphysik/radioaktivitaet-einfuehrung/grundwissen/ueberblick-ueber-die-strahlungsarten Überblick über die Strahlungsarten bei LeiFi-Physik]'')

==== <math>\alpha</math>-Strahlung ====
[[Bild:Alpha_zerfall.png|right]]
Zwei Protonen und zwei Neutronen bilden zusammen ein <math>\alpha</math>-Teilchen, das unter Nutzung des Tunneleffektes den Atomkern verlässt und also nichts anderes als ein zweifach positiv geladener Heliumkern ist.

Allgemeine Reaktionsgleichung:

{| border="1" cellspacing="0" cellpadding="5"
|<math>^{m}_{n}X \rightarrow ^{m-4}_{n-2}Z^{2-} + ^{4}_{2}He^{2+}</math>
|}
zum Beispiel: <math>^{176}_{79}Au \rightarrow ^{172}_{77}Ir^{2-} + ^{4}_{2}He^{2+}</math>

(''siehe auch [https://www.leifiphysik.de/kern-teilchenphysik/radioaktivitaet-einfuehrung/grundwissen/alphazerfall-und-alphastrahlung Alphazerfall und Alphastrahlung bei LeiFi-Physik]'')

 

==== <math>\beta^{-}</math>-Strahlung ====
[[Bild:Beta-minus Decay.png|300px|right]]

Bei <math>\beta^{-}</math>-Strahlung handelt es sich um schnell bewegte Elektronen, die aus dem Kern herausgeschossen werden, nachdem sich dort ein Neutron in ein Proton, ein Elektron und ein Antineutrino umgewandelt hat.

Allgemeine Reaktionsgleichung:

{| border="1" cellspacing="0" cellpadding="5"
|<math>^{m}_{n}X \rightarrow ^{m}_{n+1}Z^{+} + ^{\ 0}_{-1}e^{-} + ^{0}_{0}\overline{\nu_{e}}</math>
|}
zum Beispiel: <math>^{19}_{8}O \rightarrow ^{19}_{9}F^{+} + ^{\ 0}_{-1}e^{-} + ^{0}_{0}\overline{\nu_{e}}</math>

(''siehe auch [https://www.leifiphysik.de/kern-teilchenphysik/radioaktivitaet-einfuehrung/grundwissen/beta-minus-zerfall-und-beta-minus-strahlung Beta-Minus-Zerfall und Beta-Minus-Strahlung bei LeiFi-Physik]'')

 

==== <math>\beta^{+}</math>-Strahlung ====
[[Datei:Beta-plus Decay.png|300px|right]]

Bei <math>\beta^{+}</math>-Strahlung handelt es sich um schnell bewegte Positronen (Antiteilchen der Elektronen), die aus dem Kern herausgeschossen werden, nachdem sich dort ein Proton in ein Neutron, ein Positron und ein Neutrino umgewandelt hat.

Allgemeine Reaktionsgleichung:

{| border="1" cellspacing="0" cellpadding="5"
|<math>^{m}_{n}X \rightarrow ^{m}_{n-1}Z^{-} + ^{\ 0}_{+1}e^{+} + ^{0}_{0}{\nu_{e}}</math>
|}
zum Beispiel: <math>^{58}_{27}Co \rightarrow ^{58}_{26}Fe^{-} + ^{\ 0}_{+1}e^{+} + ^{0}_{0}{\nu_{e}}</math>

 

==== <math>\gamma</math>-Strahlung ====
[[Bild:Gamma_zerfall.png|right]]

<math>\gamma</math>-Strahlung ist sehr energiereiche elektromagnetische Strahlung mit kleiner Wellenlänge, die bei Kernumwandlungen frei wird, wenn sich dort nur der energetische Zustand der Nukleonen im Kern verringert.

Allgemeine Reaktionsgleichung:

{| border="1" cellspacing="0" cellpadding="5"
|<math>^{m}_{n}X^{*} \rightarrow ^{m}_{n}X + \gamma</math>
|}
zum Beispiel: <math>^{238}_{94}Pu^{*} \rightarrow ^{238}_{94}Pu + \gamma</math>

(''siehe auch [https://www.leifiphysik.de/kern-teilchenphysik/radioaktivitaet-einfuehrung/grundwissen/gammauebergang-und-gammastrahlung Gammaübergang und Gammastrahlung bei LeiFi-Physik]'')

 

(''Aufgaben dazu: Buch S. 113 bis 115 und S. 122 bis 124 lesen und lernen'')

==== Nachweis radioaktiver Strahlung ====

[[Datei:Geigermueller.png|500px]]

Radioaktive Strahlung hat ein hohes Ionisierungsvermögen (vor allem von Gasatomen) und schwärzt Filme ein. Dieses nutzt man in Geiger-Müller-Zählrohren, Nebelkammern, Filmdosimetern, ... usw. zum Nachweis dieser Strahlung.

(''siehe auch [https://www.leifiphysik.de/kern-teilchenphysik/radioaktivitaet-einfuehrung/grundwissen/ionisierung-durch-strahlung Ionisierung durch Strahlung bei LeiFi-Physik] und [https://www.leifiphysik.de/kern-teilchenphysik/radioaktivitaet-einfuehrung/grundwissen/geiger-mueller-zaehlrohr Geiger-Müller-Zählrohr bei LeiFi-Physik]'')

[https://www.youtube.com/watch?v=qeN1mzsGR8s Nebelkammer mit Karlheinz Meier bei youtube.com]

[https://de.wikibooks.org/wiki/Datei:Nebelkammer-LMU-1.ogv Nebelkammer Video von Michael F. Schönitzer bei wikibooks.org]

(''Aufgaben dazu: Buch S. 157 Nr. 2, 3 und vorher S. 125 lesen und lernen'')

==== Trennung und Identifizierung der Strahlungsarten ====

[[Datei:Alfabetagamma.png|500px]]
[[Datei:Nuclearradiationmagneticfield.png|500px]]

Aufgrund ihres Durchdringungsvermögens und der unterschiedlichen Ablenkung in elektrischen und magnetischen Feldern lässt sich die radioaktive Strahlung leicht trennen bzw. identifizieren.

(''Aufgaben dazu: Buch S. 157 Nr. 4, S. 158 Nr. 10 und S. 126 und S.127 lesen und lernen'')

==== Die natürlichen Zerfallsreihen ====

[[Datei:Thoriumreihe.png|300px]][[Datei:Uranradiumreihe.png|300px]][[Datei:Uranactiniumreihe.png|300px]][[Datei:Neptuniumreihe.png|300px]]

Eine '''Zerfallsreihe''' im allgemeinen Sinn ist die Abfolge der nacheinander entstehenden Produkte eines radioaktiven Zerfalls. Sie bildet sich, indem ein Radionuklid sich in ein anderes, dieses in ein drittes umwandelt usw. („zerfällt“).

Aus einer vorhandenen Menge eines instabilen Nuklids bildet sich durch Zerfall ein Gemisch der Nuklide, die ihm in der Zerfallsreihe folgen, bevor irgendwann alle Atomkerne die Reihe bis zum Endnuklid durchlaufen haben. In dem Gemisch sind Nuklide mit kurzer Halbwertszeit nur in geringer Menge vorhanden, während solche mit längerer Halbwertszeit sich entsprechend stärker ansammeln.

Praktisch und historisch wichtig sind die Zerfallsreihen der drei Radionuklide Uran-238, Uran-235 und Thorium-232, auch ''Natürlich radioaktive Familien'' genannt. Sie entstehen durch Alpha- und Beta-Zerfälle, die mehr oder weniger regelmäßig abwechselnd aufeinander folgen.

Ein Alphazerfall verringert die Massenzahl des Atomkerns um 4 Einheiten, ein Betazerfall lässt sie unverändert. Schreibt man die Massenzahl ''A'' als ''A'' = 4''n''+''m'' (dabei ist ''n'' irgendeine natürliche Zahl und ''m'' eine der Zahlen 0, 1, 2 oder 3), bleibt deshalb ''m'' innerhalb einer solchen Zerfallsreihe stets konstant. Die drei genannten Anfangsnuklide haben verschiedene Werte von ''m''. Daher erzeugt
* Uran-238 die „(4n+2)-Reihe“ oder '''Uran-Radium-Reihe''' mit dem Endnuklid Blei-206,
* Uran-235 die „(4n+3)-Reihe“ oder '''Uran-Actinium-Reihe''' mit dem Endnuklid Blei-207,
* Thorium-232 die „(4n)-Reihe“ oder '''Thorium-Reihe''' mit dem Endnuklid Blei-208.
* Eine vierte Zerfallsreihe: In der obigen (4''n''+''m'')-Systematik „fehlt“ eine Reihe mit ''m'' = 1. Da es im Massenzahlbereich von Uran und Thorium aufgrund der relativ kurzen Halbwertszeiten kein Nuklid mit ''A'' = 4''n''+1 in der Natur (mehr) gibt, kommt eine solche Zerfallsreihe in der Natur nicht (mehr) vor. Der Systematik zuliebe wird aber die Zerfallsreihe der künstlich erzeugbaren Nuklide Plutonium-241 oder Neptunium-237, die '''Neptunium-Reihe''', als diese fehlende vierte Reihe betrachtet. Nur das letzte Radionuklid dieser Reihe, Bismut-209, ist wegen seiner extrem langen Halbwertszeit noch vorhanden.

[https://www.leifiphysik.de/kern-teilchenphysik/radioaktivitaet-einfuehrung/ausblick/zerfallsreihen Zerfallsreihen bei LeiFi-Physik]

[https://www.leifiphysik.de/kern-teilchenphysik/radioaktivitaet-einfuehrung/versuche/radioaktive-zerfallsreihen-animation Radioaktive Zerfallsreihen Animation W.Fendt bei LeiFi-Physik]

(''Aufgaben dazu: Buch S. 128 lesen, S. 200 anschauen, Formelsammlung S. 66 und S.67 beachten!'')

==== Halbwertszeit, Zerfallsgesetz, Aktivität ====
[[Datei:Expzerfall.png|400px|right]]

Die Zeit, in der (bei einem radioaktiven Zerfall) die Zahl der unzerfallenen Atome auf die Hälfte gesunken ist, nennt man '''Halbwertszeit''' <math> T_{1/2}</math>.

Der radioaktive Zerfall ist ein exponentieller Zerfall:

{| border="1" cellspacing="0" cellpadding="5"
|<math>N(t) = N_{0} \cdot e^{-\lambda \cdot t} = N_{0} \cdot e^{-\frac{ln 2}{T_{1/2}} \cdot t} </math>
|}

wobei <math>N(t)</math>: Anzahl noch nicht zerfallener Atome zum Zeitpunkt <math>t</math>

und <math>N_{0}</math>: Anzahl der Atome am Anfang zur Zeit <math>t=0</math> und

{| border="1" cellspacing="0" cellpadding="5"
|<math>\lambda = \frac{ln 2}{T_{1/2}} </math>
|}
heißt '''Zerfallskonstante'''.

Es gilt also:
{| border="1" cellspacing="0" cellpadding="5"
|<math>T_{1/2} = \frac{ln 2}{\lambda } </math>
|}

[https://www.leifiphysik.de/kern-teilchenphysik/radioaktivitaet-einfuehrung/grundwissen/halbwertszeit Halbwertszeit und Zerfallsgesetz bei LeiFi-Physik]

Die '''effektive Halbwertszeit''' <math> T_{eff} \ </math> nennt man die Zeit, in der in einem biologisches System die Menge eines Radionuklids auf die Hälfte abnimmt, und zwar '''im Zusammenwirken von radioaktivem Zerfall und Aussscheidung infolge biologischer Prozesse'''.

Wenn <math> T_{1/2} \ </math> die physikalische Halbwertszeit und <math> T_{bio} \ </math> die biologische Halbwertszeit ist, so berechnet sich die effektive Halbwertszeit folgendermaßen:
{| border="1" cellspacing="0" cellpadding="5"
|<math>T_{eff} = \frac{1}{\frac{1}{T_{1/2}}+\frac{1}{T_{bio}}} </math>
|}

Die '''Aktivität''' <math>A(t) </math> einer radioaktiven Strahlungsquelle gibt die Anzahl der Zerfälle <math>Z </math> pro Zeit an, ist also gleich der Zerfallsrate:

{| border="1" cellspacing="0" cellpadding="5"
|<math>A(t) = \frac{d}{dt}Z = A_{0} \cdot e^{-\lambda \cdot t} = A_{0} \cdot e^{-\frac{ln 2}{T_{1/2}} \cdot t} </math>
|}

wobei <math>A_{0}</math>: Aktivität am Anfang zur Zeit <math>t=0</math>.

Die zugehörige Einheit <math>[A] = 1 \frac{1}{s} = 1 Bq </math> heißt "'''Becquerel'''".

[https://www.leifiphysik.de/kern-teilchenphysik/radioaktivitaet-einfuehrung/grundwissen/aktivitaet-eines-praeparats Aktivität eines Präparats bei LeiFi-Physik]

Zwischen der Anzahl <math>N(t)</math> noch nicht zerfallener Atome und der Aktivität <math>A(t) </math> jeweils zum Zeitpunkt <math>t</math> besteht folgender Zusammenhang:

{| border="1" cellspacing="0" cellpadding="5"
|<math>A(t) = -\frac{d}{dt}N(t) = - \underbrace{N_{0}\cdot e^{-\lambda \cdot t}}_{=N(t)}\cdot (-\lambda) = \lambda \cdot N(t) </math>
|}

Also gilt am Anfang zur Zeit <math>t=0</math> auch

{| border="1" cellspacing="0" cellpadding="5"
|<math>A_{0} = \lambda\cdot N_{0}</math>.
|}

Manchmal wird das Zerfallsgesetz auch mit der zum Zeitpunkt <math>t</math> noch nicht zerfallenen Masse des Präparates <math>m(t)</math> formuliert:

{| border="1" cellspacing="0" cellpadding="5"
|<math>m(t) = m_{0} \cdot e^{-\lambda \cdot t} </math>
|}

wobei <math>m_{0}</math>: Masse des zerfallenden Präparates am Anfang zur Zeit <math>t=0</math>.

Dazu sollte man wissen, dass <math>m(t) = m_{A}\cdot N(t)</math> ist und somit auch gilt: <math>m_{0} = m_{A}\cdot N_{0}</math>.

<math>m_{A} </math> ist dabei die Atommasse des zerfallenden Elements.

Damit gilt also:

{| border="1" cellspacing="0" cellpadding="5"
|<math>A_{0} = \lambda\cdot N_{0} = \lambda\cdot \frac{m_{0}}{m_{A}}</math>.
|}

Löst man das Zerfallsgesetz nach der Zeit <math>t </math> auf, erhält man:

{| border="1" cellspacing="0" cellpadding="5"
|<math>t = \frac{T_{1/2}}{ln2}\cdot ln(\frac{N_{0}}{N(t)}) = \frac{T_{1/2}}{ln2}\cdot ln(\frac{A_{0}}{A(t)}) = \frac{T_{1/2}}{ln2}\cdot ln(\frac{m_{0}}{m(t)})</math>
|}

[https://physikunterricht-online.de/jahrgang-12/halbwertszeit-und-zerfallsgesetz/ Halbwertszeit und Zerfallsgesetz bei physikunterricht-online.de]

[https://www.leifiphysik.de/kern-teilchenphysik/anwendungen-der-kernphysik/grundwissen/altersbestimmung-mit-der-radiocarbonmethode Altersbestimmung mit der Radiocarbonmethode bei LeiFi-Physik]

[https://physikunterricht-online.de/jahrgang-12/die-c14-methode/ Die C14-Methode bei physikunterricht-online.de]

(''Aufgaben dazu: Buch S. 131-132 und S. 134-135 lesen, S. 158 Nr. 11, 12, 13, 14 und [https://www.leifiphysik.de/kern-teilchenphysik/radioaktivitaet-einfuehrung/aufgabe/belastung-durch-tschernobyl-abitur-2003-gk-a4-3 Abituraufgabe 2003 Tschernobyl bei LeiFi-Physik] und [https://www.leifiphysik.de/kern-teilchenphysik/anwendungen-der-kernphysik/aufgabe/altersbestimmung-mit-der-c14-methode-abitur-2005-gk-a4-1 Abituraufgabe 2005 C14 bei LeiFi-Physik]'')

[https://www.isb.bayern.de/download/16168/physik_2015_aufgaben.pdf Abitur Physik 2015 Bayern]

[https://www.isb.bayern.de/download/19503/physik_2017_a.pdf Abitur Physik 2017 Bayern]

==== Strahlenschutz ====

{| border="1" cellspacing="0" cellpadding="10"
|'''Abstand, Abschirmung, kurzzeitig und nicht in den Körper aufnehmen!'''
|}

(''siehe [https://www.leifiphysik.de/kern-teilchenphysik/radioaktivitaet-einfuehrung/grundwissen/strahlenschutz Strahlenschutz] bei LeiFi-Physik'')

==== Strahlenbelastung ====

'''Biologische Wirkung der radioaktiven Strahlung'''
[[Bild:Strahlenexposar.png|thumb|400px|right|Strahlenbelastung in Deutschland 2004/2005]]
Je größer die Energieaufnahme pro Körpermasse, desto größer ist auch die biologische Wirkung der auf den Körper treffenden Strahlung.

'''Energiedosis''':

{| border="1" cellspacing="0" cellpadding="10"
|<math>D = \frac{E}{m} </math>
|}

wobei <math>E</math> die absorbierte Energie und <math>m</math> die Masse des bestrahlten Körpers ist.

Die Einheit der Energiedosis <math>D</math> ist: <math> 1~\frac{J}{kg} = 1~Gy </math> ("Gray")

'''Äquivalentdosis''':

{| border="1" cellspacing="0" cellpadding="10"
|<math>H = q \cdot D </math>
|}

wobei <math>q</math> der Bewertungsfaktor der jeweiligen Strahlung und <math>D</math> die Energiedosis des bestrahlten Körpers ist.

Die Einheit der Äquivalentdosis <math>H</math> ist: <math> 1~\frac{J}{kg} = 1~Sv </math> ("Sievert")

Die Äquivalentdosis wird zur Angabe der Strahlenbelastung verwendet.

(''siehe [https://www.leifiphysik.de/kern-teilchenphysik/radioaktivitaet-einfuehrung/ausblick/dosiseinheiten Dosiseinheiten] und [https://www.leifiphysik.de/kern-teilchenphysik/radioaktivitaet-einfuehrung/ausblick Strahlenbelastung] bei LeiFi-Physik'')

[https://physikunterricht-online.de/jahrgang-12/groessen-zur-erfassung-radioaktiver-strahlung/ Größen zur Erfassung der Strahlenbelastung bei physikunterricht-online.de]

(''Aufgaben dazu: Buch S. 136-137 lesen, S. 159 Nr. 16 und [https://www.leifiphysik.de/kern-teilchenphysik/radioaktivitaet-einfuehrung/aufgabe/strahlenbelastung-durch-radon Strahlenbelastung durch Radon] bei LeiFi-Physik'')

==== Kernspaltung ====

Schwere Atomkerne (Massenzahl >> 56) werden mit langsamen Neutronen beschossen. Dabei können sich diese Atomkerne in zwei Trümmerkerne und freiwerdende Neutronen '''spalten'''. Zusätzlich wird bei diesem Vorgang '''Energie frei''', die z.B. in Kernkraftwerken genutzt wird.

'''Mögliche Zerfallsgleichungen''':

<math> _{0}^{1} n + _{\ 92}^{235} U \rightarrow \ _{36}^{89} Kr + _{56}^{144} Ba + 3 \cdot _{0}^{1} n + \mathrm{Energie}</math>

<math> _{0}^{1} n + _{\ 92}^{235} U \rightarrow \ _{55}^{137} Cs + _{37}^{96} Rb + 3 \cdot _{0}^{1} n + \mathrm{Energie}</math>

Treffen diese freiwerdenden Neutronen (nach Abbremsung) wieder auf spaltbare Atomkerne, so kann es letztlich zu einer '''Kettenreaktion''' von Kernspaltungsprozessen kommen, bei der ungeheuere Mengen an Energie in kürzester Zeit frei werden.

'''Aufbau eines Kernkraftwerks mit Druckwasserreaktor''':

[[Bild:Druckwasserreaktor.png]]

(''siehe [https://www.leifiphysik.de/kern-teilchenphysik/kernspaltung-und-kernfusion Kernspaltung] bei LeiFi-Physik'')

[https://www.leifiphysik.de/kern-teilchenphysik/kernspaltung-und-kernfusion/ausblick Ausblick zur Kernspaltung und Kernfusion bei LeiFi-Physik]

[https://www.kernd.de/kernd/ Kernenergie in Deutschland Kerntechnik Deutschland e.V. Informationen zu Kernenergie, Atomenergie, Kernkraft, Atomkraft bei kernd.de]

[https://www.ausgestrahlt.de/ ausgestrahlt.de - gemeinsam gegen atomenergie]

[https://www.greenpeace.de/sites/www.greenpeace.de/files/risiko_atomkraft_2007_1.pdf Riskiko Atomkraft bei greenpeace.de]

[https://www.youtube.com/watch?v=dVKWuGdarn8 Übereilter Atomausstieg? Fukushimas Erbe] von Terra X Lesch & Co bei YouTube.com

(''Aufgaben dazu: Buch S. 143-145 lesen, S. 160 Nr. 23, 26'')

==== Kernfusion ====
[[Datei:Tokamak.jpg|640px]][[Datei:Stellarator.jpg]]

Auch durch Verschmelzung besonders leichter Atomkerne zu schweren Kernen wird sehr viel Energie frei. Dieser Vorgang wird '''Kernfusion''' genannt und läuft nur bei extrem hohen Temperaturen (> 20 Mill. °C) und extremen Druck (> 10^15 Pa) ab.

'''Mögliche Fusionsreaktionen''':

<math>4 \cdot _{1}^{1} H \rightarrow \ _{2}^{4} He + 2 \cdot _{+1}^{\ 0} e + \mathrm{Energie}</math>

<math> _{1}^{2} H + _{1}^{3} H \rightarrow \ _{2}^{4} He + _{0}^{1} n + \mathrm{Energie}</math>

(''siehe [https://www.leifiphysik.de/kern-teilchenphysik/kernspaltung-und-kernfusion Kernfusion] bei LeiFi-Physik'')

[https://www.leifiphysik.de/kern-teilchenphysik/kernspaltung-und-kernfusion/ausblick Ausblick zur Kernspaltung und Kernfusion bei LeiFi-Physik]

[https://fusionforenergy.europa.eu/what-is-fusion/ Fusion For Energy - Understanding Fusion]

[https://www.fz-juelich.de/iek/iek-4/DE/Service/Infomaterial/infomaterial_node.html Roadmap der europäischen Fusionsforschung - Infomaterial Fusion Forschungszentrum Jülich]

(''Aufgaben dazu: Buch S. 147-149 lesen, S. 160 Nr. 24, 28'')

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[[Physik]]  [[GWPh7]]  [[GWPh8]]  [[GWPh9]]  [[GWPh10]]  [[SchulheftPh8]]  [[SchulheftPh9]]  [[SchulheftPh10]]  [[SchulheftPh11]]
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2025-07-09T09:51:29Z

Ba2282: /* 4. Wärmelehre */

[[Bild:Physiklogo.jpg|link=Physik|right]]
==0. Wiederholung==

==1. Mechanische Energie==

===1.1 Energie - Formen und Umwandlung===
[[Bild:Boom.png|right]]
*'''Energie''' ist eine physikalische Größe, mit der Körper bewegt, verformt, erwärmt oder zur Aussendung von Licht gebracht werden können. Mit der Größe Energie lassen sich unterschiedliche Zustände eines Systems vergleichen. Energie wird in der Einheit "Joule" (1 J) angegeben.

Beispiele: Eine Tafel Schokolade (100 g) hat in 1 m Höhe etwa 1 J Höhenenergie und einen Brennwert (innere Energie) von ungefähr 2.300.000 J, eine 10 W - LED-Leuchtbirne benötigt in einer Minute etwa 600 J elektrische Energie und ein E-Bike-Fahrer (100 kg) hat bei 30 km/h etwa 3500 J Bewegungsenergie. Im geladenen E-Bike-Akku stecken etwa 0,5 kWh = 1.800.000 J elektrische Energie.

*'''Energieformen''':

=====MECHANISCHE Energie:=====

'''Höhenenergie''' <math> E_{h} </math> (oder Lageenergie) besitzt ein Körper, der aufgrund seiner Lage von dort herunterfallen kann.

'''Kinetische Energie''' <math> E_{kin} </math> (oder Bewegungsenergie) besitzt ein Körper, der sich mit einer Geschwindigkeit bewegt.

'''Spannenergie''' <math> E_{sp} </math> besitzt ein Körper, der elastisch aus seinem entspannten Zustand verformt wurde.

=====INNERE Energie:=====

'''Thermische Energie''' <math> E_{therm} </math> besitzt ein Körper aufgrund seiner Temperatur.

'''Chemische Energie''' <math> E_{chem} </math> besitzt ein Körper, der die Fähigkeit hat, eine chemische Reaktion ablaufen zu lassen.

'''Kernenergie''' <math> E_{kern} </math> nennt man die Energie, die bei Kernspaltung oder Kernfusion frei wird.

=====ELEKTRISCHE Energie:=====

'''Elektrische Energie''' <math> E_{el} </math> besitzen Körper, die elektrische Vorgänge und elektrischen Strom auslösen können.

=====STRAHLUNGSEnergie:=====

Strahlungsenergie ist die Energie, die von elektromagnetischer Strahlung (sichtbares Licht, Wärmestrahlung, UV-Strahlung, Röntgenstrahlung, Gammastrahlung, ... usw.) transportiert wird.

(''siehe [https://www.leifiphysik.de/mechanik/arbeit-energie-und-leistung/grundwissen/energieformen Energieformen] bei LeiFi-Physik'')

*'''Energieumwandlung''':

Die Energie eines Körpers kann in unterschiedlichen Energieformen vorliegen und kann von einer Energieform in andere Energieformen umgewandelt werden.

(''siehe [https://www.leifiphysik.de/mechanik/arbeit-energie-und-leistung/grundwissen/energieumwandlung Energieumwandlung] bei LeiFi-Physik'')

(''siehe [https://phet.colorado.edu/sims/html/energy-forms-and-changes/latest/energy-forms-and-changes_de.html Energieformen und Energieumwandlungen] bei PhET'')

*'''Energieerhaltungssatz''':
{| border="1" cellspacing="0" cellpadding="10"
|Die Energie ist eine Erhaltungsgröße. In einem abgeschlossenen System ist die Gesamtenergie konstant, sie kann aber auf unterschiedliche Energieformen verteilt sein.

<math> E_{gesamt} = E_{1} + E_{2} + E_{3} + ... = konstant </math>
|}

Anders formuliert:

'''Energie lässt sich weder erzeugen noch vernichten. Sie kann nur umverteilt oder von einer Form in andere Formen umgewandelt werden'''.

(''siehe [https://phet.colorado.edu/sims/html/energy-skate-park-basics/latest/energy-skate-park-basics_de.html Energieskatepark] bei PhET'')

(''siehe [https://www.leifiphysik.de/mechanik/arbeit-energie-und-leistung/grundwissen/energieerhaltung Energieerhaltung] bei LeiFi-Physik'')

===1.2 Mechanische Energieformen===
[[Bild:Rallye.jpg|right]]

*'''Höhenenergie (potentielle Energie)''':

{| border="1" cellspacing="0" cellpadding="10"
|<math> E_{h} = F_{G}\cdot h = m\cdot g\cdot h\ </math>
|}

wobei <math>\ m </math>: Masse des Körpers, <math>\ h </math>: Höhe über dem Nullniveau,

<math>\ F_{G} </math>: Gewichtskraft und <math>\ g </math>: Fallbeschleunigung oder Ortsfaktor (<math>\ g = 9,81~\frac{m}{s^{2}}</math>)

(''siehe [https://www.leifiphysik.de/mechanik/arbeit-energie-und-leistung/grundwissen/potentielle-energie Potentielle Energie] bei LeiFi-Physik'')

*'''Kinetische Energie (Bewegungsenergie)''':

{| border="1" cellspacing="0" cellpadding="10"
|<math> E_{kin} = \frac{1}{2} \cdot m \cdot v^{2} </math>
|}

wobei <math>\ v </math>: Geschwindigkeit des Körpers

(''siehe [https://www.leifiphysik.de/mechanik/arbeit-energie-und-leistung/grundwissen/kinetische-energie Kinetische Energie] bei LeiFi-Physik'')

*'''Spannenergie''':

{| border="1" cellspacing="0" cellpadding="10"
|<math> E_{sp} = \frac{1}{2} \cdot D \cdot s^{2}</math>
|}

wobei <math>\ D </math>: Federhärte der Feder und <math>\ s </math>: Ausdehnung der Feder aus der Ruhelage

(''siehe [https://www.leifiphysik.de/mechanik/arbeit-energie-und-leistung/grundwissen/spannenergie Spannenergie] bei LeiFi-Physik'')

'''Merke''': Für die Einheit der Energie gilt: <math> 1~J = 1~Nm = 1~\frac{kg \cdot m^{2}}{s^{2}} </math>

===1.3 Arbeit als Energieänderung===
[[Bild:Workingman.jpg|right]]
Im Unterschied zur Alltagssprache wird der Begriff Arbeit in der Physik anders verwendet. Man hat festgelegt:

Ändert sich der Energiezustand eines Systems, so wird an ihm physikalische '''Arbeit''' verrichtet.

Physikalische '''Arbeit''' <math>\ W </math> ist der Energieunterschied, der dabei auftritt:

{| border="1" cellspacing="0" cellpadding="10"
|<math> W = \Delta E = E_{nachher} - E_{vorher} </math>
|}

Die Arbeit wird deswegen auch in der Einheit <math> 1~J = 1~Nm </math> angegeben.

(''siehe [https://www.leifiphysik.de/mechanik/arbeit-energie-und-leistung/grundwissen/die-physikalische-arbeit Die physikalische Arbeit] bei LeiFi-Physik'')

====Arbeit aus Kraft und Weg====

Wenn eine konstante Kraft <math> F\ </math> in Richtung eines Weges <math> \Delta s\ </math> wirkt, wird mechanische Arbeit verrichtet.

In diesem Fall lässt sich der Betrag der Arbeit <math> W\ </math> direkt über das Produkt aus Kraft mal Weg berechnen:

{| border="1" cellspacing="0" cellpadding="10"
|<math> W = F \cdot \Delta s</math>
|}

====Arten mechanischer Arbeit====

*'''Hubarbeit''':

Wird ein Körper hochgehoben oder fallengelassen, ändert sich seine Höhenenergie - es wird Hubarbeit verrichtet.

{| border="1" cellspacing="0" cellpadding="10"
|<math> W_{h} = \Delta E_{pot} = m\cdot g\cdot h\ </math>
|}

*'''Beschleunigungsarbeit''':

Wird ein Körper beschleunigt oder gebremst, ändert sich seine Bewegungsenergie - es wird Beschleunigungsarbeit verrichtet.

{| border="1" cellspacing="0" cellpadding="10"
|<math> W_{b} = \Delta E_{kin} = \frac{1}{2} \cdot m \cdot v^{2} </math>
|}

*'''Spannarbeit''':

Wird eine Feder gespannt oder gestaucht, ändert sich ihre Spannenergie - es wird Spannarbeit verrichtet.

Neben diesen mechanischen Arbeitsarten gibt es auch noch Verformungsarbeit, Reibungsarbeit, elektrische Arbeit und Wärme.

===1.4 Leistung===

Die Leistung <math>\ P </math> gibt an, wie schnell eine Energieänderung <math>\Delta E </math> erfolgt, also wie viel Arbeit <math>\ W </math> man pro Zeit <math>\Delta t </math> verrichtet.

{| border="1" cellspacing="0" cellpadding="10"
|<math> P = \frac{\Delta E}{\Delta t} = \frac{W}{\Delta t}</math>
|}

Die Leistung wird in der Einheit 1 Watt (1 W) angegeben.

Manchmal wird Leistung auch noch in PS (Pferdestärken) angegeben, wobei gilt: 1 PS = 736 W .

'''Merke''': Für die Einheit der Leistung gilt: <math> 1~W = 1~\frac{J}{s} = 1~\frac{N\cdot m}{s}</math>

(''siehe [https://www.leifiphysik.de/mechanik/arbeit-energie-und-leistung/grundwissen/leistung Leistung] und [https://www.leifiphysik.de/mechanik/arbeit-energie-und-leistung/ausblick/verschiedene-leistungen Verschiedene Leistungen] bei LeiFi-Physik'')

====Wirkungsgrad====

Der Wirkungsgrad <math>\eta </math> gibt an, welcher Anteil der aufgewendeten (zugeführten) Energie <math>\ E_{aufw} </math> in genutzte Energie <math>\ E_{nutz} </math> umgewandelt wird.

{| border="1" cellspacing="0" cellpadding="10"
|<math> \eta = \frac{E_{nutz}}{E_{zu}} = \frac{P_{nutz}}{P_{zu}} = \frac{Nutzen}{Aufwand}</math>
|}

Der Wirkungsgrad hat keine Einheit, wird aber meistens in Prozent angegeben.

Umso größer der Wirkungsgrad einer Vorrichtung bzw. Maschine, desto effizienter ist sie (im Bezug auf den Nutzen).

(''siehe [https://www.leifiphysik.de/mechanik/arbeit-energie-und-leistung/grundwissen/wirkungsgrad Wirkungsgrad] und [https://www.leifiphysik.de/mechanik/arbeit-energie-und-leistung/ausblick/verschiedene-wirkungsgrade Verschiedene Wirkungsgrade] bei LeiFi-Physik'')

==2. Elektrische Energie==

===2.1 Ladung und Stromstärke===
[[Bild:Elektroskop.jpg|300px|thumb|Elektroskop zum Nachweis von Ladungen (Bild von Karl Stock)]]

[http://wiki.bnv-bamberg.de/flg-wiki/index.php/SchulheftPh9#2._Atome Einfaches Atommodell SchulheftPh9]

Ein Körper ist '''negativ geladen''', wenn auf ihm Elektronenüberschuss herscht. Er ist '''positiv geladen''', wenn Elektronenmangel herrscht.

Für die '''Kräfte zwischen Ladungen''' gilt:

'''Ungleichnamig geladene Körper ziehen sich an und gleichnamig geladene stoßen einander ab'''.

[https://www.leifiphysik.de/elektrizitaetslehre/ladungen-felder-mittelstufe/grundwissen/ladungseigenschaften#aufgaben Leifi-Quiz Ladungseigenschaften]

[https://www.leifiphysik.de/elektrizitaetslehre/einfache-stromkreise/grundwissen/atomare-vorstellungen-der-elektrizitaet Atomare Vorstellungen der Elektrizität] bei LeiFi-Physik

Die '''elektrische Ladung''' <math>Q</math> wird in der Einheit 1 Coulomb (<math> 1~C = 1~As </math>) angegeben.

Die '''Elementarladung''' <math>e</math> ist die elektrische Ladung von Elektronen - die kleinste in der Natur frei vorkommende Ladung:

{| border="1" cellspacing="0" cellpadding="5"
|<math>e = 1,602\cdot 10^{-19}~As</math>
|}

[[Bild:Elektrizitaet.jpg|300px|right|von Ian Tresman]]

Die '''elektrische Stromstärke''' <math>I</math> gibt an, wie viel Ladung <math>\Delta Q</math> (in C) pro Zeit <math>\Delta t</math> (in s) durch einen Leiter transportiert werden:

{| border="1" cellspacing="0" cellpadding="10"
|<math> I = \frac{\Delta Q}{\Delta t}</math>
|}

Die Stromstärke wird in der Einheit 1 Ampere (1 A) angegeben.

Es gilt: <math> 1~A = 1~\frac{C}{s} = 1~\frac{As}{s}</math>

Für die transportierte '''elektrische Ladung''' <math>\Delta Q</math> gilt also:

{| border="1" cellspacing="0" cellpadding="10"
|<math> {\Delta Q} = I \cdot {\Delta t}</math>
|}

===2.2 Spannung und elektrische Energie===

('' siehe [https://www.leifiphysik.de/elektrizitaetslehre/elektrische-grundgroessen/grundwissen/elektrische-spannung-und-die-einheit-volt-1 Elektrische Spannung 1] bei LeiFi-Physik'')

Die '''elektrische Spannung''' ist die Ursache des elektrischen Stromflusses. Sie gibt an, wie stark der Antrieb des Stromes durch die Stromquelle im Stromkreis ist.

Die Spannung wird in der '''Einheit 1 Volt''' (1 V) angegeben.

('' siehe [https://www.leifiphysik.de/elektrizitaetslehre/elektrische-grundgroessen/grundwissen/elektrische-spannung-und-die-einheit-volt-2 Elektrische Spannung 2] bei LeiFi-Physik'')

In Anlehnung an den Begriff der potentiellen Energie (Höhenenergie) der Mechanik wird die '''elektrische Spannung auch als elektrische Potentialdifferenz''' bezeichnet, ähnlich wie der Höhenunterschied, der im Wassermodell für den Wasserfluss sorgt.

Die '''elektrische Spannung''' <math>U</math> gibt an, wie viel elektrische Energie <math>E_{el}</math> pro transportierter Ladung <math>Q</math> als Antrieb für den Stromkreis zur Verfügung steht:

{| border="1" cellspacing="0" cellpadding="10"
|<math> U = \frac{E_{el}}{Q}</math>
|}

Für die Einheit Volt gilt: <math> 1~V = 1~\frac{J}{C} = 1~\frac{Nm}{As} = 1~\frac{kg\cdot m^{2}}{A\cdot s^{3}}</math>

Umgekehrt kann nun die '''elektrische Energie''' <math>E_{el}</math> als Produkt von angelegter Spannung <math>U</math> und transportierter Ladungsmenge <math>Q</math> berechnet werden:

{| border="1" cellspacing="0" cellpadding="10"
|<math> E_{el} = U\cdot Q</math>
|}

Die Energie wird in der Einheit 1 Joule (1 J) angegeben. Es gilt: <math> 1~J = 1~W\cdot s = 1~V\cdot A\cdot s</math>

Die umgewandelte elektrische Energie wird oft in '''Kilowattstunden''' (1 kWh) gemessen:

<math> 1~kWh = 1000~Wh = 1000~W\cdot 3600~s = 3600000~Ws = 3,6~MJ</math>

'''Elektrische Energie''' ist die Fähigkeit des elektrischen Stroms, Arbeit zu verrichten, Wärme abzugeben oder Licht zu erzeugen.

===2.3 Elektrische Energie und elektrische Leistung===
[[Bild:Trafostation.jpg|300px|right|von Smial]]

Da für die transportierte Ladung auch <math> Q = I \cdot {\Delta t} </math> gilt, kann man für die elektrische Energie schreiben:

{| border="1" cellspacing="0" cellpadding="10"
|<math> E_{el} = U\cdot Q = U\cdot I \cdot {\Delta t} </math>
|}

Die elektrische Energie <math>E_{el}</math>, die in einem Stromkreis umgesetzt wird, ist also das Produkt aus angelegter Spannung <math> U </math>, Stromstärke <math> I </math> und der Zeit <math> {\Delta t} </math>, in der das elektrische Gerät betrieben wird.

'''Elektrische Leistung''' <math>P_{el}</math> ist die Angabe, wie viel elektrische Energie pro Zeit umgewandelt wird.

{| border="1" cellspacing="0" cellpadding="10"
|<math> P_{el} = \frac{E_{el}}{\Delta t} = U\cdot I </math>
|}

Die elektrische Leistung wird in der Einheit 1 Watt (1 W) angegeben. Es gilt: <math> 1~W = 1~V\cdot 1~A</math>

===2.4 Elektrische Leistung und Widerstände in Stromkreisen===
[[Bild:Widerstandhaufen.jpg|300px|right|von Mattia Luigi Nappi]]
Verschiedene Bauteile leiten den elektrischen Strom unterschiedlich gut. Der '''elektrische Widerstand''' <math>R</math> eines Bauteils gibt an, wie sehr der elektrische Stromfluss in ihm behindert wird.

Einheit des elektrischen Widerstandes: 1 Ohm (<math> 1~\Omega </math>).

Umso mehr Strom der Stromstärke <math>I</math> bei einer bestimmten Spannung <math>U</math> in einem elektrischen Leiter fließt, desto kleiner ist der elektrische Widerstand <math>R</math>:

{| border="1" cellspacing="0" cellpadding="10"
|<math> R = \frac{U}{I}</math>
|}

Es ist also: <math> 1~\Omega = 1~\frac{V}{A}</math>

Da <math> U = R\cdot I</math> folgt:

{| border="1" cellspacing="0" cellpadding="10"
|<math> P = R\cdot I^{2}</math>
|}

{| border="1" cellspacing="0" cellpadding="10"
|<math> P = \frac{U^{2}}{R}</math>
|}

==3. Atome, Licht (Photonen)==

===3.1 Aufbau der Atome===

[https://www.youtube.com./watch?v=oZ7nEKrG63M 10 Hoch Reise durch den Mikro- und Makrokosmos mit Harald Lesch bei youtube.com]

Alle Stoffe bestehen aus Atomen. Es gibt etwa 115 Elemente (Atomarten), aus denen die Stoffe auf unserer Welt aufgebaut sind.

Der Radius von Atomen liegt in einer Größenordnung von <math>10^{-9}~m \ </math> oder <math>1~nm \ </math>. Die Masse eines Atoms liegt bei etwa <math>10^{-25}~kg</math> (je nach Element).

Aus dem [https://www.leifiphysik.de/atomphysik/atomaufbau/grundwissen/streuversuch-und-atommodell-von-rutherford Streuversuch von Ernest Rutherford] ergaben sich folgende Schlussfolgerungen und das Rutherfordsche Atommodell:

[[Bild:Atommodell.jpg]]

Fast die ganze Masse (ca. 99,99 %) des Atoms ist auf kleinsten Raum im Atomkern konzentriert. Der Atomkern ist im Vergleich zur Atomhülle winzig klein! Der Radius von Atomkernen beträgt etwa <math>10^{-15}~m \ </math> bis <math>10^{-14}~m\ </math>.

Die Atomhülle besteht aus negativ geladenen '''Elektronen'''.

Der Atomkern besteht aus positiv geladenen '''Protonen''' und ungeladenen '''Neutronen'''. Diese Kernbausteine werden auch '''Nukleonen''' genannt, ihre Massen sind etwa gleich groß.

(''siehe [https://www.leifiphysik.de/atomphysik/atomaufbau Atomaufbau] bei LeiFi-Physik'')

[https://www.leifiphysik.de/atomphysik/atomaufbau/grundwissen/periodentafel-der-elemente Periodentafel der Elemente] bei LeiFi-Physik

[http://www.seilnacht.com/Lexikon/psframe.htm Periodensystem der Elemente] bei seilnacht.com

===3.2 Photonen und Spektren - Aufnahme und Abgabe von Energie in der Atomhülle===
[[Bild:Spektrum60wesl.jpg|thumb|right|Spektrum 60W-Glühbirne / Energiesparlampe]]

[https://www.youtube.com./watch?v=cG770N48Hzk Atommodell nach Niels Bohr (Schalenmodell)] von musstewissen Chemie bei YouTube.com

[https://www.youtube.com./watch?v=vRJv0lZ2EcA Spektren und Beschreibungsarten des Lichts] von Carl Schäfer bei YouTube.com

[https://www.youtube.com./watch?v=b4VeoTI3XBI Emission und Absorption von Licht] von Carl Schäfer bei YouTube.com

[https://phet.colorado.edu/de/simulation/legacy/discharge-lamps Neonlicht und andere Entladungslampen] bei PhET

[https://www.youtube.com./watch?v=imTFizzJ3P8 Schwarze Linien im Licht? Was sie verraten!] mit Harald Lesch bei YouTube.com

Jeder Stoff sendet ein für ihn charakteristisches '''Spektrum''' aus. Die Ursache dafür sind für diesen Stoff typische Energieniveaus der Elektronen der Atomhülle, zwischen welchen diese wechseln können und dabei Licht einer bestimmten Wellenlänge aussenden oder absorbieren.

(''siehe [https://www.leifiphysik.de/atomphysik/atomarer-energieaustausch Atomarer Energieaustausch] bei LeiFi-Physik'')

Die Energieportionen, die bei diesen Übergängen in Form von Licht absorbiert oder emittiert werden, nennt man '''Lichtquanten''' oder '''Photonen'''.

Die Energie der Photonen liegt hier im Bereich einiger '''Elektronenvolt''' (eV).

Es gilt: <math>1~eV = 1,602\cdot 10^{-19}~J</math>.

Sichtbares Licht hat eine Energie zwischen etwa 1,5 eV (rotes Licht) und 3,3 eV (violettes Licht). Liegt die Energie der Photonen darunter, handelt es sich um unsichtbares '''infrarotes Licht''', liegt sie darüber um unsichtbares '''ultraviolettes Licht'''.

(''siehe auch [https://www.leifiphysik.de/atomphysik/atomarer-energieaustausch/aufgabe/quiz-zu-licht-und-atom Quiz zu Licht und Atom] bei LeiFi-Physik'')

 

==4. Wärmelehre==
[[Bild:NaCl-Ionengitter.png|300px|right|Author H. Hoffmeister]]

===4.1 Temperatur und Innere Energie im Teilchenmodell===

Alle Körper bestehen aus '''Stoffen''' (z.B. Holz, Eisen, Plastik, Papier, ...). Alle Stoffe in unserer Natur bestehen aus Atomen.

'''Moleküle''' sind der Zusammenschluss einzelner Atome zu einer bestimmten Gruppierung (z.B. <math>O_{2}, N_{2}, H_{2}, H_{2}O, CH_{4}, ... </math>).

Als Teilchenmodell bezeichnet man die Vorstellung, dass alle Stoffe aus winzig kleinen Teilchen (Atome, Moleküle) bestehen, die miteinander wechselwirken.

[https://www.youtube.com./watch?v=UxE1laNjRtw Brownsche Molekularbewegung] von Karlheinz Meier bei YouTube.com

[https://www.youtube.com./watch?v=mALrw8oLno0 Demonstration der Wärmebewegung mit einfachen Experimenten] von WebPhysik bei Youtube.com

Die Teilchen befinden sich in ständiger gegenseitiger Bewegung (--> '''Innere Energie'''). Sie besitzen innerhalb des Körpers kinetische und potentielle Energie.

(''siehe [https://www.leifiphysik.de/waermelehre/temperatur-und-teilchenmodell/grundwissen/teilchenmodell Teilchenmodell] und [https://www.leifiphysik.de/waermelehre/temperatur-und-teilchenmodell/grundwissen/brownsche-bewegung-und-innere-energie Brownsche Bewegung und innere Energie] bei LeiFi-Physik'')

Die insgesamt innerhalb eines Körpers enthaltene Energie wird '''innere Energie''' genannt. Sie umfasst die Gesamtheit aller kinetischen und potentiellen Einzelenergien der Teilchen des Körpers.

'''Je größer die innere Energie, desto höher die Temperatur eines Körpers und umgekehrt''' (''gilt nur, solange sich dabei der Aggregatzustand nicht ändert'').

Die Temperatur, bei der die Teilchen im Inneren eines Körpers keine kinetische Energie mehr haben, wird als '''absoluter Temperaturnullpunkt''' bezeichnet. Er liegt bei '''-273,15 °C'''.

Unser Temperatursinn lässt sich leicht täuschen, deswegen verwenden wir zur Messung von Temperaturen besser '''Thermometer''', welche in Grad Celsius (°C) oder in Kelvin (K) geeicht sind.

(''siehe [https://www.leifiphysik.de/waermelehre/temperatur-und-teilchenmodell/grundwissen/celsius-skala Celsius-Skala] und [https://www.leifiphysik.de/waermelehre/temperatur-und-teilchenmodell/grundwissen/absolute-temperatur Absolute Temperatur] bei LeiFi-Physik'')

===4.2 Änderung des Aggregatzustandes===

[[Datei:Aggregatzustaende.jpg]]

Viele Stoffe können sich im '''festen''', '''flüssigen''' oder '''gasförmigen Aggregatzustand''' befinden.

Ob ein Körper im '''festen''', '''flüssigen''' oder '''gasförmigen''' '''Aggregatzustand''' vorliegt, hängt davon ab, wie sehr die Atome bzw. Moleküle durch Kräfte zwischen diesen Teilchen aneinander gebunden sind.

(''Begriffe siehe [https://www.leifiphysik.de/waermelehre/innere-energie-waermekapazitaet/grundwissen/phasenuebergaenge Phasenübergänge] bei LeiFi-Physik'')

(''Siehe auch [https://phet.colorado.edu/sims/html/states-of-matter/latest/states-of-matter_de.html Aggregatszustände] bei PhET'')

Bei der '''Schmelztemperatur''' <math>\vartheta_{S}\ </math> und der '''Siedetemperatur''' <math>\vartheta_{V}\ </math> findet jeweils ein Übergang zwischen den Aggregatzuständen statt.

Bei diesen Übergängen muss Energie zugeführt werden (Schmelzen, Verdampfen, Sublimieren) bzw. wird Energie frei (Erstarren, Kondensieren, Verfestigen).

Die '''spezifische Schmelzwärme''' <math>q_{S}\ </math> gibt an, wie viel Energie nötig ist, um 1 kg eines festen Stoffes zu schmelzen.

Die '''spezifische Verdampfungswärme''' <math>q_{V}\ </math> gibt an, wie viel Energie nötig ist, um 1 kg eines flüssigen Stoffes zu verdampfen.

Beide werden in der Einheit <math> 1~\frac{kJ}{kg}</math> angegeben.

(''Siehe auch [https://www.leifiphysik.de/waermelehre/innere-energie-waermekapazitaet/grundwissen/spezifische-schmelz-und-verdampfungswaerme Spezifische Schmelz- und Verdampfungswärme] bei LeiFi-Physik'')

Eine Anwendung ist der [https://www.leifiphysik.de/waermelehre/innere-energie-waermekapazitaet/ausblick/kuehlschrank Kühlschrank] (''bei LeiFi-Physik'').

Der Übergang einer Flüssigkeit in den gasförmigen Zustand unterhalb der Siedetemperatur wird als [https://www.leifiphysik.de/waermelehre/innere-energie-waermekapazitaet/ausblick/verdunstung Verdunstung] (''bei LeiFi-Physik'') bezeichnet.

===4.3 Thermischer Energietransport (Wärmeübertragung)===

====Arten der Wärmeübertragung====

*'''Wärmeleitung''': Wärme wandert von einem Ort höherer Temperatur durch einen in Ruhe befindlichen Körper zu einem Ort niedrigerer Temperatur. (''siehe [https://www.leifiphysik.de/waermelehre/waermetransport/grundwissen/waermeleitung Wärmeleitung] bei LeiFi-Physik'')

*'''Wärmeströmung''' (Konvektion): Wärme wandert von einem Ort höherer Temperatur '''mit''' der erwärmten Materie zu einem Ort niedrigerer Temperatur. (''siehe [https://www.leifiphysik.de/waermelehre/waermetransport/grundwissen/waermemitfuehrung Wärmekonvektion] bei LeiFi-Physik'')

*'''Wärmestrahlung''': Heiße Körper (z.B. Sonne) senden Wärmestrahlung aus, wobei Wärme übertragen wird, ohne das Materie beteiligt ist und auch nicht transportiert wird. (''siehe [https://www.leifiphysik.de/waermelehre/waermetransport/grundwissen/waermestrahlung-temperaturstrahlung Temperaturstrahlung] bei LeiFi-Physik'')

===4.4 Energie bei Erhöhung der Temperatur (Erwärmen) und Abkühlung===

Die '''spezifische Wärmekapazität''' <math>\ c </math> eines Stoffes gibt an, wie viel Energie von 1 kg eines Stoffes abgegeben oder aufgenommen werden, wenn sich seine Temperatur um 1 Kelvin ändert.

Einheit der spezifische Wärmekapazität: <math> 1~\frac{kJ}{kg\cdot K}</math>.

Beim Erwärmen und Abkühlen eines Stoffes (ohne Änderung des Aggregatzustandes) gilt für die beteiligte Energiemenge <math>\Delta E</math>:

{| border="1" cellspacing="0" cellpadding="10"
|<math> \Delta E = c \cdot m \cdot \Delta \vartheta </math>
|}

wobei <math>\ m </math> die Masse des Stoffes, <math>\Delta \vartheta </math> die Temperaturänderung und <math>\ c </math> die sogenannte '''spezifische Wärmekapazität''' des Stoffes ist.

(''siehe [https://www.leifiphysik.de/waermelehre/innere-energie-waermekapazitaet/grundwissen/aenderung-der-inneren-energie Änderung der inneren Energie] und [https://www.leifiphysik.de/waermelehre/innere-energie-waermekapazitaet/grundwissen/spezifische-waermekapazitaet Spezifische Wärmekapazität] bei LeiFi-Physik'')

(''siehe [https://www.leifiphysik.de/waermelehre/innere-energie-waermekapazitaet/aufgabe/quiz-zur-inneren-energie-und-waermekapazitaet Quiz zur inneren Energie und spezifischen Wärmekapazität] bei LeiFi-Physik'')

===4.5 Änderung der inneren Energie durch Arbeit und Wärme===
[[Bild:Hotmetalwork.jpg|300px|right|Taken by Fir0002]]
Prinzipiell gibt es '''zwei Möglichkeiten, die innere Energie eines Körpers und damit seine Temperatur zu erhöhen''':

* durch mechanisch übertragene Energie als '''Reibungsarbeit''' <math>W_{R}\ </math>, die an dem Körper verrichtet wird.

* oder durch thermisch übertragene Energie als '''Wärmeübertragung''' <math>Q\ </math> auf den Körper. Dabei erfolgt die Übertragung der Wärme immer vom Körper mit der höheren Temperatur zum Körper mit der niedrigeren Temperatur.

Die Änderung der inneren Energie <math> \Delta E_{i}\ </math> eines Systems kann zusammenfassend mit dem '''1. Hauptsatz der Wärmelehre''' beschrieben werden:

{| border="1" cellspacing="0" cellpadding="10"
|<math> \Delta E_{i} = W_{R} + Q \ </math>
|}

Dieser Zusammenhang stellt die Grundlage für das Verständnis von '''Wärmekraftmaschinen''' wie Dampfmaschine, Ottomotor, Dieselmotor, Zweitakt-Motor, Kühlschrank und Wärmepumpen dar, da umgekehrt die '''innere Energie''' eines Körpers (Wasserdampf, Verbrennungsgase, ...) auch durch Abgabe von Energie in Form von '''Wärme''' oder (und) '''mechanischer Arbeit''' abnehmen kann.

(''siehe [https://www.leifiphysik.de/waermelehre/waermekraftmaschinen Wärmekraftmaschinen] und [https://www.leifiphysik.de/waermelehre/innere-energie-waermekapazitaet/grundwissen/erster-hauptsatz-der-waermelehre 1.Hauptsatz der Wärmelehre] bei LeiFi-Physik'')

===4.6 Druck als Zustandsgröße von Gasen===

[https://www.youtube.com./watch?v=rSxr68zR1Rk Der magische Verschluss] von LEIFIPhysik bei YouTube.com

[https://www.youtube.com./watch?v=H8L7H9PJy0k Überraschungsei explodieren lassen] von LEIFIPhysik bei YouTube.com

[https://www.youtube.com./watch?v=fsn3SNoum9o Alu-Dose mit einem Knall implodieren lassen - nur durch den Luftdruck] von WEBPhysik bei YouTube.com

[https://www.youtube.com./watch?v=vnkSDGtUt4E Otto von Guerike] von Bibliothek der Sachgeschichten bei Youtube.com

(''siehe [https://www.leifiphysik.de/mechanik/druck-und-auftrieb/grundwissen/luftdruck Luftdruck] bei LeiFi-Physik'')

Der '''Druck''' <math>\ p </math> ist ein Maß für den "Zustand des Gepresstseins" eines Gases. Dabei spielt das Volumen des Gases ("Platz, den es einnimmt") und die Temperatur des Gases immer eine wichtige Rolle.

Einheit des Druckes: <math> 1~Pa = 1~\frac{N}{m^2} </math> ("Pascal").

<math> 1~hPa = 100~Pa </math> ("Hektopascal").

<math> 1~bar = 100000~Pa = 1000~hPa </math>

====Druckänderungen bei Gasen====

Erhöht man die Gasmenge in einem festen Volumen bei konstanter Temperatur, dann erhöht sich auch der Druck des Gases.

Der Zusammenhang zwischen Druck, Volumen und Temperatur eines Gases lässt sich folgendermaßen zusammenfassen:

{| border="1" cellspacing="0" cellpadding="10"
|-
!
! Fall 1
! Fall 2
! Fall 3
! Fall 4
! Fall 5
! Fall 6
|-
! Temperatur T
| wird konstant gehalten
| wird konstant gehalten
| Erhöhung
| Erniedrigung
| muss höher werden
| Erhöhung
|-
! Volumen V
| Erhöhung
| Verkleinerung
| soll konstant bleiben
| soll konstant bleiben
| Erhöhung
| dehnt sich aus
|-
! Druck p
| wird kleiner
| wird größer
| wird größer
| wird kleiner
| soll konstant bleiben
| soll konstant bleiben
|}

(''siehe [https://phet.colorado.edu/sims/html/gas-properties/latest/gas-properties_all.html?locale=de Eigenschaften von Gasen] bei PhET'')

===4.7 Treibhauseffekt und Klimawandel===

(''siehe [https://www.leifiphysik.de/waermelehre/wetter-und-klima Wetter und Klima] bei LeiFi-Physik'')

[https://www.youtube.com./watch?v=rSxr68zR1Rk Der magische Verschluss] von LEIFIPhysik bei YouTube.com

[https://www.youtube.com./watch?v=H8L7H9PJy0k Überraschungsei explodieren lassen] von LEIFIPhysik bei YouTube.com

2025-07-03T09:52:10Z

Ba2282:

Informationsangebot des Kultusministeriums

2025-07-03T09:50:09Z

Ba2282: /* Links für Eltern */

[[Bild:Linkslogo.jpg|link=FLG-Info|right]]
*http://www.km.bayern.de/
:[http://www.km.bayern.de/ Bayerisches Staatsministerium für Bildung und Kultus, Wissenschaft und Kunst]
:Die offiziellen Seiten des Kultusministeriums mit Informationen für Eltern, Schüler und Lehrer

===Links für Schülerinnen und Schüler===

*[http://www.km.bayern.de/schueler.html Alles für Schüler bei km.bayern.de]
:Neueste Meldungen und Infos rund um Schule für Schüler

*[http://www.km.bayern.de/schueler/was-tun-bei.html Kompetente Hilfestellungen in vielen Bereichen]
:Hilfestellung und Kontakte bei schulischen oder persönlichen Problemen

*[http://www.km.bayern.de/schueler/schularten/uebertritt-schulartwechsel.html Übertritt und Schulwechsel in Bayern: So geht die Schulkarriere weiter]
:Infromationen zum Übertritt oder Schulartwechsel

*http://www.mein-bildungsweg.de/
:[http://www.mein-bildungsweg.de Online-Wegweiser für das vielfältig gegliederte Bildungssystem in Bayern]
:Interaktiver Bildungswegplaner

*http://www.gymnasiale-oberstufe.bayern.de/
:[http://www.gymnasiale-oberstufe.bayern.de Die Oberstufe des Gymnasiums in Bayern]
:Wichtige Informationen auf dem Weg zum Abitur

===Links für Eltern===

*[http://www.km.bayern.de/eltern.html Alles für Eltern bei km.bayern.de]
:Neueste Meldungen und Infos rund um Schule für Eltern

*[http://www.km.bayern.de/eltern/schularten.html Das bayerische Schulsystem im Überblick]
:Viele Wege führen zum Ziel - Das bayerische Schulsystem eröffnet jedem Schüler einen individuellen Bildungsweg

*[http://www.km.bayern.de/eltern/was-tun-bei/rechte-und-pflichten.html Schule in Bayern - Die rechtlichen Grundlagen]
:Rechte und Pflichten der Eltern gegenüber der Schule

*[http://www.km.bayern.de/eltern/schule-und-mehr/elternbeirat.html Elternbeirat: Bindeglied zwischen Eltern und Schule]
:Festlegungen zur Arbeit des Elternbeirats

===Links für Lehrkräfte===

*[http://www.km.bayern.de/lehrer.html Alles für Lehrkräfte bei km.bayern.de]
:Neueste Meldungen und Infos rund um Schule für Lehrkräfte

*[http://www.km.bayern.de/lehrer/dienst-und-beschaeftigungsverhaeltnis.html Rechte und Pflichten für Lehrer]
:Informationen zum Dienst- und Beschäftigungsverhältnis und wichtige Formulare

*[http://www.km.bayern.de/lehrer/stellen.html Vom Wunsch über die Bewerbung zur Traumstelle]
:Freie Stellen und Einstellungsmöglichkeiten

*[http://www.km.bayern.de/lehrer/unterricht-und-schulleben/wettbewerbe.html Aktuelle Wettbewerbe]
:Bei Wettbewerben sind Kreativität und eigenverantwortliches Handeln in besonderer Weise gefordert

----
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Verwaltung

2025-07-03T09:40:18Z

Ba2282:

[[Bild:Verwaltunglogo.jpg|link=Schule|right]]

Telefon: (0951) 980 270

Fax: (0951) 980 27 50

E-Mail: [mailto:flg@franz-ludwig-gymnasium.de flg@franz-ludwig-gymnasium.de]

==Sekretariat==

Öffnungszeiten:

Montag - Donnerstag: 07:30 - 16:00 Uhr

Mittagspause 13:15 - 14:00 Uhr

Freitag: 07:30 - 13:15 Uhr

==Hausverwalter==

Lothar Doherr

----
[[Schule|Zurück zu Schule]]

Verwaltung

2025-07-03T09:39:26Z

Ba2282: /* Sekretariat */

[[Bild:Verwaltunglogo.jpg|link=Schule|right]]

Telefon: (0951) 980 270

Fax: (0951) 980 27 50

E-Mail: [mailto:sekretariat@franz-ludwig-gymnasium.de sekretariat@franz-ludwig-gymnasium.de]

==Sekretariat==

Öffnungszeiten:

Montag - Donnerstag: 07:30 - 16:00 Uhr

Mittagspause 13:15 - 14:00 Uhr

Freitag: 07:30 - 13:15 Uhr

==Hausverwalter==

[mailto:hausverwalter@franz-ludwig-gymnasium.de Lothar Doherr]

----
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Schulleitung

2025-07-03T09:38:11Z

Ba2282: /* Schulleiterin */

__NOTOC__
[[Bild:Schulelogo.png|link=Schule|right]]

==Schulleiterin==

'''OStDin Saskia Hofmeister'''

E-Mail: [mailto:saskia.hofmeister@stadt.bamberg.de saskia.hofmeister@stadt.bamberg.de]

----
[[Schule|Zurück zu Schule]]

2025-05-26T17:38:16Z

Ba2282: /* 4. Wärmelehre */

[[Bild:Physiklogo.jpg|link=Physik|right]]
==0. Wiederholung==

==1. Mechanische Energie==

===1.1 Energie - Formen und Umwandlung===
[[Bild:Boom.png|right]]
*'''Energie''' ist eine physikalische Größe, mit der Körper bewegt, verformt, erwärmt oder zur Aussendung von Licht gebracht werden können. Mit der Größe Energie lassen sich unterschiedliche Zustände eines Systems vergleichen. Energie wird in der Einheit "Joule" (1 J) angegeben.

Beispiele: Eine Tafel Schokolade (100 g) hat in 1 m Höhe etwa 1 J Höhenenergie und einen Brennwert (innere Energie) von ungefähr 2.300.000 J, eine 10 W - LED-Leuchtbirne benötigt in einer Minute etwa 600 J elektrische Energie und ein E-Bike-Fahrer (100 kg) hat bei 30 km/h etwa 3500 J Bewegungsenergie. Im geladenen E-Bike-Akku stecken etwa 0,5 kWh = 1.800.000 J elektrische Energie.

*'''Energieformen''':

=====MECHANISCHE Energie:=====

'''Höhenenergie''' <math> E_{h} </math> (oder Lageenergie) besitzt ein Körper, der aufgrund seiner Lage von dort herunterfallen kann.

'''Kinetische Energie''' <math> E_{kin} </math> (oder Bewegungsenergie) besitzt ein Körper, der sich mit einer Geschwindigkeit bewegt.

'''Spannenergie''' <math> E_{sp} </math> besitzt ein Körper, der elastisch aus seinem entspannten Zustand verformt wurde.

=====INNERE Energie:=====

'''Thermische Energie''' <math> E_{therm} </math> besitzt ein Körper aufgrund seiner Temperatur.

'''Chemische Energie''' <math> E_{chem} </math> besitzt ein Körper, der die Fähigkeit hat, eine chemische Reaktion ablaufen zu lassen.

'''Kernenergie''' <math> E_{kern} </math> nennt man die Energie, die bei Kernspaltung oder Kernfusion frei wird.

=====ELEKTRISCHE Energie:=====

'''Elektrische Energie''' <math> E_{el} </math> besitzen Körper, die elektrische Vorgänge und elektrischen Strom auslösen können.

=====STRAHLUNGSEnergie:=====

Strahlungsenergie ist die Energie, die von elektromagnetischer Strahlung (sichtbares Licht, Wärmestrahlung, UV-Strahlung, Röntgenstrahlung, Gammastrahlung, ... usw.) transportiert wird.

(''siehe [https://www.leifiphysik.de/mechanik/arbeit-energie-und-leistung/grundwissen/energieformen Energieformen] bei LeiFi-Physik'')

*'''Energieumwandlung''':

Die Energie eines Körpers kann in unterschiedlichen Energieformen vorliegen und kann von einer Energieform in andere Energieformen umgewandelt werden.

(''siehe [https://www.leifiphysik.de/mechanik/arbeit-energie-und-leistung/grundwissen/energieumwandlung Energieumwandlung] bei LeiFi-Physik'')

(''siehe [https://phet.colorado.edu/sims/html/energy-forms-and-changes/latest/energy-forms-and-changes_de.html Energieformen und Energieumwandlungen] bei PhET'')

*'''Energieerhaltungssatz''':
{| border="1" cellspacing="0" cellpadding="10"
|Die Energie ist eine Erhaltungsgröße. In einem abgeschlossenen System ist die Gesamtenergie konstant, sie kann aber auf unterschiedliche Energieformen verteilt sein.

<math> E_{gesamt} = E_{1} + E_{2} + E_{3} + ... = konstant </math>
|}

Anders formuliert:

'''Energie lässt sich weder erzeugen noch vernichten. Sie kann nur umverteilt oder von einer Form in andere Formen umgewandelt werden'''.

(''siehe [https://phet.colorado.edu/sims/html/energy-skate-park-basics/latest/energy-skate-park-basics_de.html Energieskatepark] bei PhET'')

(''siehe [https://www.leifiphysik.de/mechanik/arbeit-energie-und-leistung/grundwissen/energieerhaltung Energieerhaltung] bei LeiFi-Physik'')

===1.2 Mechanische Energieformen===
[[Bild:Rallye.jpg|right]]

*'''Höhenenergie (potentielle Energie)''':

{| border="1" cellspacing="0" cellpadding="10"
|<math> E_{h} = F_{G}\cdot h = m\cdot g\cdot h\ </math>
|}

wobei <math>\ m </math>: Masse des Körpers, <math>\ h </math>: Höhe über dem Nullniveau,

<math>\ F_{G} </math>: Gewichtskraft und <math>\ g </math>: Fallbeschleunigung oder Ortsfaktor (<math>\ g = 9,81~\frac{m}{s^{2}}</math>)

(''siehe [https://www.leifiphysik.de/mechanik/arbeit-energie-und-leistung/grundwissen/potentielle-energie Potentielle Energie] bei LeiFi-Physik'')

*'''Kinetische Energie (Bewegungsenergie)''':

{| border="1" cellspacing="0" cellpadding="10"
|<math> E_{kin} = \frac{1}{2} \cdot m \cdot v^{2} </math>
|}

wobei <math>\ v </math>: Geschwindigkeit des Körpers

(''siehe [https://www.leifiphysik.de/mechanik/arbeit-energie-und-leistung/grundwissen/kinetische-energie Kinetische Energie] bei LeiFi-Physik'')

*'''Spannenergie''':

{| border="1" cellspacing="0" cellpadding="10"
|<math> E_{sp} = \frac{1}{2} \cdot D \cdot s^{2}</math>
|}

wobei <math>\ D </math>: Federhärte der Feder und <math>\ s </math>: Ausdehnung der Feder aus der Ruhelage

(''siehe [https://www.leifiphysik.de/mechanik/arbeit-energie-und-leistung/grundwissen/spannenergie Spannenergie] bei LeiFi-Physik'')

'''Merke''': Für die Einheit der Energie gilt: <math> 1~J = 1~Nm = 1~\frac{kg \cdot m^{2}}{s^{2}} </math>

===1.3 Arbeit als Energieänderung===
[[Bild:Workingman.jpg|right]]
Im Unterschied zur Alltagssprache wird der Begriff Arbeit in der Physik anders verwendet. Man hat festgelegt:

Ändert sich der Energiezustand eines Systems, so wird an ihm physikalische '''Arbeit''' verrichtet.

Physikalische '''Arbeit''' <math>\ W </math> ist der Energieunterschied, der dabei auftritt:

{| border="1" cellspacing="0" cellpadding="10"
|<math> W = \Delta E = E_{nachher} - E_{vorher} </math>
|}

Die Arbeit wird deswegen auch in der Einheit <math> 1~J = 1~Nm </math> angegeben.

(''siehe [https://www.leifiphysik.de/mechanik/arbeit-energie-und-leistung/grundwissen/die-physikalische-arbeit Die physikalische Arbeit] bei LeiFi-Physik'')

====Arbeit aus Kraft und Weg====

Wenn eine konstante Kraft <math> F\ </math> in Richtung eines Weges <math> \Delta s\ </math> wirkt, wird mechanische Arbeit verrichtet.

In diesem Fall lässt sich der Betrag der Arbeit <math> W\ </math> direkt über das Produkt aus Kraft mal Weg berechnen:

{| border="1" cellspacing="0" cellpadding="10"
|<math> W = F \cdot \Delta s</math>
|}

====Arten mechanischer Arbeit====

*'''Hubarbeit''':

Wird ein Körper hochgehoben oder fallengelassen, ändert sich seine Höhenenergie - es wird Hubarbeit verrichtet.

{| border="1" cellspacing="0" cellpadding="10"
|<math> W_{h} = \Delta E_{pot} = m\cdot g\cdot h\ </math>
|}

*'''Beschleunigungsarbeit''':

Wird ein Körper beschleunigt oder gebremst, ändert sich seine Bewegungsenergie - es wird Beschleunigungsarbeit verrichtet.

{| border="1" cellspacing="0" cellpadding="10"
|<math> W_{b} = \Delta E_{kin} = \frac{1}{2} \cdot m \cdot v^{2} </math>
|}

*'''Spannarbeit''':

Wird eine Feder gespannt oder gestaucht, ändert sich ihre Spannenergie - es wird Spannarbeit verrichtet.

Neben diesen mechanischen Arbeitsarten gibt es auch noch Verformungsarbeit, Reibungsarbeit, elektrische Arbeit und Wärme.

===1.4 Leistung===

Die Leistung <math>\ P </math> gibt an, wie schnell eine Energieänderung <math>\Delta E </math> erfolgt, also wie viel Arbeit <math>\ W </math> man pro Zeit <math>\Delta t </math> verrichtet.

{| border="1" cellspacing="0" cellpadding="10"
|<math> P = \frac{\Delta E}{\Delta t} = \frac{W}{\Delta t}</math>
|}

Die Leistung wird in der Einheit 1 Watt (1 W) angegeben.

Manchmal wird Leistung auch noch in PS (Pferdestärken) angegeben, wobei gilt: 1 PS = 736 W .

'''Merke''': Für die Einheit der Leistung gilt: <math> 1~W = 1~\frac{J}{s} = 1~\frac{N\cdot m}{s}</math>

(''siehe [https://www.leifiphysik.de/mechanik/arbeit-energie-und-leistung/grundwissen/leistung Leistung] und [https://www.leifiphysik.de/mechanik/arbeit-energie-und-leistung/ausblick/verschiedene-leistungen Verschiedene Leistungen] bei LeiFi-Physik'')

====Wirkungsgrad====

Der Wirkungsgrad <math>\eta </math> gibt an, welcher Anteil der aufgewendeten (zugeführten) Energie <math>\ E_{aufw} </math> in genutzte Energie <math>\ E_{nutz} </math> umgewandelt wird.

{| border="1" cellspacing="0" cellpadding="10"
|<math> \eta = \frac{E_{nutz}}{E_{zu}} = \frac{P_{nutz}}{P_{zu}} = \frac{Nutzen}{Aufwand}</math>
|}

Der Wirkungsgrad hat keine Einheit, wird aber meistens in Prozent angegeben.

Umso größer der Wirkungsgrad einer Vorrichtung bzw. Maschine, desto effizienter ist sie (im Bezug auf den Nutzen).

(''siehe [https://www.leifiphysik.de/mechanik/arbeit-energie-und-leistung/grundwissen/wirkungsgrad Wirkungsgrad] und [https://www.leifiphysik.de/mechanik/arbeit-energie-und-leistung/ausblick/verschiedene-wirkungsgrade Verschiedene Wirkungsgrade] bei LeiFi-Physik'')

==2. Elektrische Energie==

===2.1 Ladung und Stromstärke===
[[Bild:Elektroskop.jpg|300px|thumb|Elektroskop zum Nachweis von Ladungen (Bild von Karl Stock)]]

[http://wiki.bnv-bamberg.de/flg-wiki/index.php/SchulheftPh9#2._Atome Einfaches Atommodell SchulheftPh9]

Ein Körper ist '''negativ geladen''', wenn auf ihm Elektronenüberschuss herscht. Er ist '''positiv geladen''', wenn Elektronenmangel herrscht.

Für die '''Kräfte zwischen Ladungen''' gilt:

'''Ungleichnamig geladene Körper ziehen sich an und gleichnamig geladene stoßen einander ab'''.

[https://www.leifiphysik.de/elektrizitaetslehre/ladungen-felder-mittelstufe/grundwissen/ladungseigenschaften#aufgaben Leifi-Quiz Ladungseigenschaften]

[https://www.leifiphysik.de/elektrizitaetslehre/einfache-stromkreise/grundwissen/atomare-vorstellungen-der-elektrizitaet Atomare Vorstellungen der Elektrizität] bei LeiFi-Physik

Die '''elektrische Ladung''' <math>Q</math> wird in der Einheit 1 Coulomb (<math> 1~C = 1~As </math>) angegeben.

Die '''Elementarladung''' <math>e</math> ist die elektrische Ladung von Elektronen - die kleinste in der Natur frei vorkommende Ladung:

{| border="1" cellspacing="0" cellpadding="5"
|<math>e = 1,602\cdot 10^{-19}~As</math>
|}

[[Bild:Elektrizitaet.jpg|300px|right|von Ian Tresman]]

Die '''elektrische Stromstärke''' <math>I</math> gibt an, wie viel Ladung <math>\Delta Q</math> (in C) pro Zeit <math>\Delta t</math> (in s) durch einen Leiter transportiert werden:

{| border="1" cellspacing="0" cellpadding="10"
|<math> I = \frac{\Delta Q}{\Delta t}</math>
|}

Die Stromstärke wird in der Einheit 1 Ampere (1 A) angegeben.

Es gilt: <math> 1~A = 1~\frac{C}{s} = 1~\frac{As}{s}</math>

Für die transportierte '''elektrische Ladung''' <math>\Delta Q</math> gilt also:

{| border="1" cellspacing="0" cellpadding="10"
|<math> {\Delta Q} = I \cdot {\Delta t}</math>
|}

===2.2 Spannung und elektrische Energie===

('' siehe [https://www.leifiphysik.de/elektrizitaetslehre/elektrische-grundgroessen/grundwissen/elektrische-spannung-und-die-einheit-volt-1 Elektrische Spannung 1] bei LeiFi-Physik'')

Die '''elektrische Spannung''' ist die Ursache des elektrischen Stromflusses. Sie gibt an, wie stark der Antrieb des Stromes durch die Stromquelle im Stromkreis ist.

Die Spannung wird in der '''Einheit 1 Volt''' (1 V) angegeben.

('' siehe [https://www.leifiphysik.de/elektrizitaetslehre/elektrische-grundgroessen/grundwissen/elektrische-spannung-und-die-einheit-volt-2 Elektrische Spannung 2] bei LeiFi-Physik'')

In Anlehnung an den Begriff der potentiellen Energie (Höhenenergie) der Mechanik wird die '''elektrische Spannung auch als elektrische Potentialdifferenz''' bezeichnet, ähnlich wie der Höhenunterschied, der im Wassermodell für den Wasserfluss sorgt.

Die '''elektrische Spannung''' <math>U</math> gibt an, wie viel elektrische Energie <math>E_{el}</math> pro transportierter Ladung <math>Q</math> als Antrieb für den Stromkreis zur Verfügung steht:

{| border="1" cellspacing="0" cellpadding="10"
|<math> U = \frac{E_{el}}{Q}</math>
|}

Für die Einheit Volt gilt: <math> 1~V = 1~\frac{J}{C} = 1~\frac{Nm}{As} = 1~\frac{kg\cdot m^{2}}{A\cdot s^{3}}</math>

Umgekehrt kann nun die '''elektrische Energie''' <math>E_{el}</math> als Produkt von angelegter Spannung <math>U</math> und transportierter Ladungsmenge <math>Q</math> berechnet werden:

{| border="1" cellspacing="0" cellpadding="10"
|<math> E_{el} = U\cdot Q</math>
|}

Die Energie wird in der Einheit 1 Joule (1 J) angegeben. Es gilt: <math> 1~J = 1~W\cdot s = 1~V\cdot A\cdot s</math>

Die umgewandelte elektrische Energie wird oft in '''Kilowattstunden''' (1 kWh) gemessen:

<math> 1~kWh = 1000~Wh = 1000~W\cdot 3600~s = 3600000~Ws = 3,6~MJ</math>

'''Elektrische Energie''' ist die Fähigkeit des elektrischen Stroms, Arbeit zu verrichten, Wärme abzugeben oder Licht zu erzeugen.

===2.3 Elektrische Energie und elektrische Leistung===
[[Bild:Trafostation.jpg|300px|right|von Smial]]

Da für die transportierte Ladung auch <math> Q = I \cdot {\Delta t} </math> gilt, kann man für die elektrische Energie schreiben:

{| border="1" cellspacing="0" cellpadding="10"
|<math> E_{el} = U\cdot Q = U\cdot I \cdot {\Delta t} </math>
|}

Die elektrische Energie <math>E_{el}</math>, die in einem Stromkreis umgesetzt wird, ist also das Produkt aus angelegter Spannung <math> U </math>, Stromstärke <math> I </math> und der Zeit <math> {\Delta t} </math>, in der das elektrische Gerät betrieben wird.

'''Elektrische Leistung''' <math>P_{el}</math> ist die Angabe, wie viel elektrische Energie pro Zeit umgewandelt wird.

{| border="1" cellspacing="0" cellpadding="10"
|<math> P_{el} = \frac{E_{el}}{\Delta t} = U\cdot I </math>
|}

Die elektrische Leistung wird in der Einheit 1 Watt (1 W) angegeben. Es gilt: <math> 1~W = 1~V\cdot 1~A</math>

===2.4 Elektrische Leistung und Widerstände in Stromkreisen===
[[Bild:Widerstandhaufen.jpg|300px|right|von Mattia Luigi Nappi]]
Verschiedene Bauteile leiten den elektrischen Strom unterschiedlich gut. Der '''elektrische Widerstand''' <math>R</math> eines Bauteils gibt an, wie sehr der elektrische Stromfluss in ihm behindert wird.

Einheit des elektrischen Widerstandes: 1 Ohm (<math> 1~\Omega </math>).

Umso mehr Strom der Stromstärke <math>I</math> bei einer bestimmten Spannung <math>U</math> in einem elektrischen Leiter fließt, desto kleiner ist der elektrische Widerstand <math>R</math>:

{| border="1" cellspacing="0" cellpadding="10"
|<math> R = \frac{U}{I}</math>
|}

Es ist also: <math> 1~\Omega = 1~\frac{V}{A}</math>

Da <math> U = R\cdot I</math> folgt:

{| border="1" cellspacing="0" cellpadding="10"
|<math> P = R\cdot I^{2}</math>
|}

{| border="1" cellspacing="0" cellpadding="10"
|<math> P = \frac{U^{2}}{R}</math>
|}

==3. Atome, Licht (Photonen)==

===3.1 Aufbau der Atome===

[https://www.youtube.com./watch?v=oZ7nEKrG63M 10 Hoch Reise durch den Mikro- und Makrokosmos mit Harald Lesch bei youtube.com]

Alle Stoffe bestehen aus Atomen. Es gibt etwa 115 Elemente (Atomarten), aus denen die Stoffe auf unserer Welt aufgebaut sind.

Der Radius von Atomen liegt in einer Größenordnung von <math>10^{-9}~m \ </math> oder <math>1~nm \ </math>. Die Masse eines Atoms liegt bei etwa <math>10^{-25}~kg</math> (je nach Element).

Aus dem [https://www.leifiphysik.de/atomphysik/atomaufbau/grundwissen/streuversuch-und-atommodell-von-rutherford Streuversuch von Ernest Rutherford] ergaben sich folgende Schlussfolgerungen und das Rutherfordsche Atommodell:

[[Bild:Atommodell.jpg]]

Fast die ganze Masse (ca. 99,99 %) des Atoms ist auf kleinsten Raum im Atomkern konzentriert. Der Atomkern ist im Vergleich zur Atomhülle winzig klein! Der Radius von Atomkernen beträgt etwa <math>10^{-15}~m \ </math> bis <math>10^{-14}~m\ </math>.

Die Atomhülle besteht aus negativ geladenen '''Elektronen'''.

Der Atomkern besteht aus positiv geladenen '''Protonen''' und ungeladenen '''Neutronen'''. Diese Kernbausteine werden auch '''Nukleonen''' genannt, ihre Massen sind etwa gleich groß.

(''siehe [https://www.leifiphysik.de/atomphysik/atomaufbau Atomaufbau] bei LeiFi-Physik'')

[https://www.leifiphysik.de/atomphysik/atomaufbau/grundwissen/periodentafel-der-elemente Periodentafel der Elemente] bei LeiFi-Physik

[http://www.seilnacht.com/Lexikon/psframe.htm Periodensystem der Elemente] bei seilnacht.com

===3.2 Photonen und Spektren - Aufnahme und Abgabe von Energie in der Atomhülle===
[[Bild:Spektrum60wesl.jpg|thumb|right|Spektrum 60W-Glühbirne / Energiesparlampe]]

[https://www.youtube.com./watch?v=cG770N48Hzk Atommodell nach Niels Bohr (Schalenmodell)] von musstewissen Chemie bei YouTube.com

[https://www.youtube.com./watch?v=vRJv0lZ2EcA Spektren und Beschreibungsarten des Lichts] von Carl Schäfer bei YouTube.com

[https://www.youtube.com./watch?v=b4VeoTI3XBI Emission und Absorption von Licht] von Carl Schäfer bei YouTube.com

[https://phet.colorado.edu/de/simulation/legacy/discharge-lamps Neonlicht und andere Entladungslampen] bei PhET

[https://www.youtube.com./watch?v=imTFizzJ3P8 Schwarze Linien im Licht? Was sie verraten!] mit Harald Lesch bei YouTube.com

Jeder Stoff sendet ein für ihn charakteristisches '''Spektrum''' aus. Die Ursache dafür sind für diesen Stoff typische Energieniveaus der Elektronen der Atomhülle, zwischen welchen diese wechseln können und dabei Licht einer bestimmten Wellenlänge aussenden oder absorbieren.

(''siehe [https://www.leifiphysik.de/atomphysik/atomarer-energieaustausch Atomarer Energieaustausch] bei LeiFi-Physik'')

Die Energieportionen, die bei diesen Übergängen in Form von Licht absorbiert oder emittiert werden, nennt man '''Lichtquanten''' oder '''Photonen'''.

Die Energie der Photonen liegt hier im Bereich einiger '''Elektronenvolt''' (eV).

Es gilt: <math>1~eV = 1,602\cdot 10^{-19}~J</math>.

Sichtbares Licht hat eine Energie zwischen etwa 1,5 eV (rotes Licht) und 3,3 eV (violettes Licht). Liegt die Energie der Photonen darunter, handelt es sich um unsichtbares '''infrarotes Licht''', liegt sie darüber um unsichtbares '''ultraviolettes Licht'''.

(''siehe auch [https://www.leifiphysik.de/atomphysik/atomarer-energieaustausch/aufgabe/quiz-zu-licht-und-atom Quiz zu Licht und Atom] bei LeiFi-Physik'')

 

==4. Wärmelehre==
[[Bild:NaCl-Ionengitter.png|300px|right|Author H. Hoffmeister]]

===4.1 Temperatur und Innere Energie im Teilchenmodell===

Alle Körper bestehen aus '''Stoffen''' (z.B. Holz, Eisen, Plastik, Papier, ...). Alle Stoffe in unserer Natur bestehen aus Atomen.

'''Moleküle''' sind der Zusammenschluss einzelner Atome zu einer bestimmten Gruppierung (z.B. <math>O_{2}, N_{2}, H_{2}, H_{2}O, CH_{4}, ... </math>).

Als Teilchenmodell bezeichnet man die Vorstellung, dass alle Stoffe aus winzig kleinen Teilchen (Atome, Moleküle) bestehen, die miteinander wechselwirken.

[https://www.youtube.com./watch?v=UxE1laNjRtw Brownsche Molekularbewegung] von Karlheinz Meier bei YouTube.com

[https://www.youtube.com./watch?v=mALrw8oLno0 Demonstration der Wärmebewegung mit einfachen Experimenten] von WebPhysik bei Youtube.com

Die Teilchen befinden sich in ständiger gegenseitiger Bewegung (--> '''Innere Energie'''). Sie besitzen innerhalb des Körpers kinetische und potentielle Energie.

(''siehe [https://www.leifiphysik.de/waermelehre/temperatur-und-teilchenmodell/grundwissen/teilchenmodell Teilchenmodell] und [https://www.leifiphysik.de/waermelehre/temperatur-und-teilchenmodell/grundwissen/brownsche-bewegung-und-innere-energie Brownsche Bewegung und innere Energie] bei LeiFi-Physik'')

Die insgesamt innerhalb eines Körpers enthaltene Energie wird '''innere Energie''' genannt. Sie umfasst die Gesamtheit aller kinetischen und potentiellen Einzelenergien der Teilchen des Körpers.

'''Je größer die innere Energie, desto höher die Temperatur eines Körpers und umgekehrt''' (''gilt nur, solange sich dabei der Aggregatzustand nicht ändert'').

Die Temperatur, bei der die Teilchen im Inneren eines Körpers keine kinetische Energie mehr haben, wird als '''absoluter Temperaturnullpunkt''' bezeichnet. Er liegt bei '''-273,15 °C'''.

Unser Temperatursinn lässt sich leicht täuschen, deswegen verwenden wir zur Messung von Temperaturen besser '''Thermometer''', welche in Grad Celsius (°C) oder in Kelvin (K) geeicht sind.

(''siehe [https://www.leifiphysik.de/waermelehre/temperatur-und-teilchenmodell/grundwissen/celsius-skala Celsius-Skala] und [https://www.leifiphysik.de/waermelehre/temperatur-und-teilchenmodell/grundwissen/absolute-temperatur Absolute Temperatur] bei LeiFi-Physik'')

===4.2 Änderung des Aggregatzustandes===

[[Datei:Aggregatzustaende.jpg]]

Viele Stoffe können sich im '''festen''', '''flüssigen''' oder '''gasförmigen Aggregatzustand''' befinden.

Ob ein Körper im '''festen''', '''flüssigen''' oder '''gasförmigen''' '''Aggregatzustand''' vorliegt, hängt davon ab, wie sehr die Atome bzw. Moleküle durch Kräfte zwischen diesen Teilchen aneinander gebunden sind.

(''Begriffe siehe [https://www.leifiphysik.de/waermelehre/innere-energie-waermekapazitaet/grundwissen/phasenuebergaenge Phasenübergänge] bei LeiFi-Physik'')

(''Siehe auch [https://phet.colorado.edu/sims/html/states-of-matter/latest/states-of-matter_de.html Aggregatszustände] bei PhET'')

Bei der '''Schmelztemperatur''' <math>\vartheta_{S}\ </math> und der '''Siedetemperatur''' <math>\vartheta_{V}\ </math> findet jeweils ein Übergang zwischen den Aggregatzuständen statt.

Bei diesen Übergängen muss Energie zugeführt werden (Schmelzen, Verdampfen, Sublimieren) bzw. wird Energie frei (Erstarren, Kondensieren, Verfestigen).

Die '''spezifische Schmelzwärme''' <math>q_{S}\ </math> gibt an, wie viel Energie nötig ist, um 1 kg eines festen Stoffes zu schmelzen.

Die '''spezifische Verdampfungswärme''' <math>q_{V}\ </math> gibt an, wie viel Energie nötig ist, um 1 kg eines flüssigen Stoffes zu verdampfen.

Beide werden in der Einheit <math> 1~\frac{kJ}{kg}</math> angegeben.

(''Siehe auch [https://www.leifiphysik.de/waermelehre/innere-energie-waermekapazitaet/grundwissen/spezifische-schmelz-und-verdampfungswaerme Spezifische Schmelz- und Verdampfungswärme] bei LeiFi-Physik'')

Eine Anwendung ist der [https://www.leifiphysik.de/waermelehre/innere-energie-waermekapazitaet/ausblick/kuehlschrank Kühlschrank] (''bei LeiFi-Physik'').

Der Übergang einer Flüssigkeit in den gasförmigen Zustand unterhalb der Siedetemperatur wird als [https://www.leifiphysik.de/waermelehre/innere-energie-waermekapazitaet/ausblick/verdunstung Verdunstung] (''bei LeiFi-Physik'') bezeichnet.

===4.3 Thermischer Energietransport (Wärmeübertragung)===

====Arten der Wärmeübertragung====

*'''Wärmeleitung''': Wärme wandert von einem Ort höherer Temperatur durch einen in Ruhe befindlichen Körper zu einem Ort niedrigerer Temperatur. (''siehe [https://www.leifiphysik.de/waermelehre/waermetransport/grundwissen/waermeleitung Wärmeleitung] bei LeiFi-Physik'')

*'''Wärmeströmung''' (Konvektion): Wärme wandert von einem Ort höherer Temperatur '''mit''' der erwärmten Materie zu einem Ort niedrigerer Temperatur. (''siehe [https://www.leifiphysik.de/waermelehre/waermetransport/grundwissen/waermemitfuehrung Wärmekonvektion] bei LeiFi-Physik'')

*'''Wärmestrahlung''': Heiße Körper (z.B. Sonne) senden Wärmestrahlung aus, wobei Wärme übertragen wird, ohne das Materie beteiligt ist und auch nicht transportiert wird. (''siehe [https://www.leifiphysik.de/waermelehre/waermetransport/grundwissen/waermestrahlung-temperaturstrahlung Temperaturstrahlung] bei LeiFi-Physik'')

===4.4 Energie bei Erhöhung der Temperatur (Erwärmen) und Abkühlung===

Beim Erwärmen und Abkühlen eines Stoffes (ohne Änderung des Aggregatzustandes) gilt für die beteiligte Energiemenge <math>\Delta E</math>:

{| border="1" cellspacing="0" cellpadding="10"
|<math> \Delta E = c \cdot m \cdot \Delta \vartheta </math>
|}

wobei <math>\ m </math> die Masse des Stoffes, <math>\Delta \vartheta </math> die Temperaturänderung und <math>\ c </math> die sogenannte '''spezifische Wärmekapazität''' des Stoffes ist.

Die '''spezifische Wärmekapazität''' <math>\ c </math> eines Stoffes gibt an, wie viel Energie von 1 kg eines Stoffes abgegeben oder aufgenommen werden, wenn sich seine Temperatur um 1 Kelvin ändert.
[[Bild:Kochendeswasser.jpg|300px|right|von Markus Schweiss]]

Einheit der spezifische Wärmekapazität: <math> 1~\frac{kJ}{kg\cdot K}</math>.

(''siehe [https://www.leifiphysik.de/waermelehre/innere-energie-waermekapazitaet/grundwissen/aenderung-der-inneren-energie Änderung der inneren Energie] bei LeiFi-Physik'')

----

===2.2 Änderung der inneren Energie===
[[Bild:Hotmetalwork.jpg|300px|right|Taken by Fir0002]]
Prinzipiell gibt es '''zwei Möglichkeiten, die innere Energie eines Körpers und damit seine Temperatur zu erhöhen''':

* durch '''Reibungsarbeit''' <math>W_{R}\ </math>, die an dem Körper verrichtet wird.
:Die verrichtete Reibungsarbeit entspricht dabei der Änderung der inneren Energie: <math>W_{R} = \Delta E_{i} </math>

* oder durch '''Wärmeübertragung''' <math>Q\ </math> auf den Körper.
:Die übertragene Wärme(energie) (in Joule) entspricht dabei der Änderung der inneren Energie: <math>Q = \Delta E_{i} </math>

====1. Hauptsatz der Wärmelehre====

Die innere Energie eines Systems kann also durch mechanische Arbeit oder (und) durch Wärmeübertragung erhöht werden. Zusammenfassend gilt der '''1. Hauptsatz der Wärmelehre''':

{| border="1" cellspacing="0" cellpadding="10"
|<math> \Delta E_{i} = W_{R} + Q \ </math>
|}

Dieser Zusammenhang stellt die Grundlage für das Verständnis von '''Wärmekraftmaschinen''' wie Dampfmaschine, Ottomotor, Dieselmotor, Zweitakt-Motor, Kühlschrank und Wärmepumpen dar, da umgekehrt die '''innere Energie''' eines Körpers (Wasserdampf, Verbrennungsgase, ...) auch durch Abgabe von Energie in Form von '''Wärme''' oder (und) '''mechanischer Arbeit''' abnehmen kann.

(''siehe [https://www.leifiphysik.de/waermelehre/innere-energie-waermekapazitaet/grundwissen/erster-hauptsatz-der-waermelehre 1.Hauptsatz der Wärmelehre] bei LeiFi-Physik, [http://www.k-wz.de/uebersicht.html Animationen zu Motoren] von K. Wetzstein und [https://www.leifiphysik.de/waermelehre/innere-energie-waermekapazitaet/ausblick/kuehlschrank Kühlschrank] bei LeiFi-Physik'')

[[Bild:Galileithermometer.jpg|300px|right]]

===2.3 Volumenänderung bei Temperaturänderung===

Mit der Temperatur eines Körpers ändert sich auch sein Volumen und somit auch seine Länge.

Fast alle Stoffe dehnen sich '''bei Ewärmung aus''' und '''ziehen sich bei Abkühlung zusammen''' (Ausnahmen: Gummi, '''Anomalie des Wassers''').

Dieses wird unter anderem dazu genutzt um '''Thermometer''' zu bauen (Flüssigkeits- oder Gasthermometer, Bimetall-Thermometer).

(''siehe [https://www.leifiphysik.de/waermelehre/ausdehnung-bei-erwaermung Ausdehnung dei Erwärmung] und [https://www.leifiphysik.de/waermelehre/ausdehnung-bei-erwaermung/grundwissen/anomalie-des-wasser Anomalie des Wassers] bei LeiFi-Physik'')

Ph9Schulheft

2025-05-12T17:46:29Z

Ba2282: /* 4. Wärmelehre */

[[Bild:Physiklogo.jpg|link=Physik|right]]
==0. Wiederholung==

==1. Mechanische Energie==

===1.1 Energie - Formen und Umwandlung===
[[Bild:Boom.png|right]]
*'''Energie''' ist eine physikalische Größe, mit der Körper bewegt, verformt, erwärmt oder zur Aussendung von Licht gebracht werden können. Mit der Größe Energie lassen sich unterschiedliche Zustände eines Systems vergleichen. Energie wird in der Einheit "Joule" (1 J) angegeben.

Beispiele: Eine Tafel Schokolade (100 g) hat in 1 m Höhe etwa 1 J Höhenenergie und einen Brennwert (innere Energie) von ungefähr 2.300.000 J, eine 10 W - LED-Leuchtbirne benötigt in einer Minute etwa 600 J elektrische Energie und ein E-Bike-Fahrer (100 kg) hat bei 30 km/h etwa 3500 J Bewegungsenergie. Im geladenen E-Bike-Akku stecken etwa 0,5 kWh = 1.800.000 J elektrische Energie.

*'''Energieformen''':

=====MECHANISCHE Energie:=====

'''Höhenenergie''' <math> E_{h} </math> (oder Lageenergie) besitzt ein Körper, der aufgrund seiner Lage von dort herunterfallen kann.

'''Kinetische Energie''' <math> E_{kin} </math> (oder Bewegungsenergie) besitzt ein Körper, der sich mit einer Geschwindigkeit bewegt.

'''Spannenergie''' <math> E_{sp} </math> besitzt ein Körper, der elastisch aus seinem entspannten Zustand verformt wurde.

=====INNERE Energie:=====

'''Thermische Energie''' <math> E_{therm} </math> besitzt ein Körper aufgrund seiner Temperatur.

'''Chemische Energie''' <math> E_{chem} </math> besitzt ein Körper, der die Fähigkeit hat, eine chemische Reaktion ablaufen zu lassen.

'''Kernenergie''' <math> E_{kern} </math> nennt man die Energie, die bei Kernspaltung oder Kernfusion frei wird.

=====ELEKTRISCHE Energie:=====

'''Elektrische Energie''' <math> E_{el} </math> besitzen Körper, die elektrische Vorgänge und elektrischen Strom auslösen können.

=====STRAHLUNGSEnergie:=====

Strahlungsenergie ist die Energie, die von elektromagnetischer Strahlung (sichtbares Licht, Wärmestrahlung, UV-Strahlung, Röntgenstrahlung, Gammastrahlung, ... usw.) transportiert wird.

(''siehe [https://www.leifiphysik.de/mechanik/arbeit-energie-und-leistung/grundwissen/energieformen Energieformen] bei LeiFi-Physik'')

*'''Energieumwandlung''':

Die Energie eines Körpers kann in unterschiedlichen Energieformen vorliegen und kann von einer Energieform in andere Energieformen umgewandelt werden.

(''siehe [https://www.leifiphysik.de/mechanik/arbeit-energie-und-leistung/grundwissen/energieumwandlung Energieumwandlung] bei LeiFi-Physik'')

(''siehe [https://phet.colorado.edu/sims/html/energy-forms-and-changes/latest/energy-forms-and-changes_de.html Energieformen und Energieumwandlungen] bei PhET'')

*'''Energieerhaltungssatz''':
{| border="1" cellspacing="0" cellpadding="10"
|Die Energie ist eine Erhaltungsgröße. In einem abgeschlossenen System ist die Gesamtenergie konstant, sie kann aber auf unterschiedliche Energieformen verteilt sein.

<math> E_{gesamt} = E_{1} + E_{2} + E_{3} + ... = konstant </math>
|}

Anders formuliert:

'''Energie lässt sich weder erzeugen noch vernichten. Sie kann nur umverteilt oder von einer Form in andere Formen umgewandelt werden'''.

(''siehe [https://phet.colorado.edu/sims/html/energy-skate-park-basics/latest/energy-skate-park-basics_de.html Energieskatepark] bei PhET'')

(''siehe [https://www.leifiphysik.de/mechanik/arbeit-energie-und-leistung/grundwissen/energieerhaltung Energieerhaltung] bei LeiFi-Physik'')

===1.2 Mechanische Energieformen===
[[Bild:Rallye.jpg|right]]

*'''Höhenenergie (potentielle Energie)''':

{| border="1" cellspacing="0" cellpadding="10"
|<math> E_{h} = F_{G}\cdot h = m\cdot g\cdot h\ </math>
|}

wobei <math>\ m </math>: Masse des Körpers, <math>\ h </math>: Höhe über dem Nullniveau,

<math>\ F_{G} </math>: Gewichtskraft und <math>\ g </math>: Fallbeschleunigung oder Ortsfaktor (<math>\ g = 9,81~\frac{m}{s^{2}}</math>)

(''siehe [https://www.leifiphysik.de/mechanik/arbeit-energie-und-leistung/grundwissen/potentielle-energie Potentielle Energie] bei LeiFi-Physik'')

*'''Kinetische Energie (Bewegungsenergie)''':

{| border="1" cellspacing="0" cellpadding="10"
|<math> E_{kin} = \frac{1}{2} \cdot m \cdot v^{2} </math>
|}

wobei <math>\ v </math>: Geschwindigkeit des Körpers

(''siehe [https://www.leifiphysik.de/mechanik/arbeit-energie-und-leistung/grundwissen/kinetische-energie Kinetische Energie] bei LeiFi-Physik'')

*'''Spannenergie''':

{| border="1" cellspacing="0" cellpadding="10"
|<math> E_{sp} = \frac{1}{2} \cdot D \cdot s^{2}</math>
|}

wobei <math>\ D </math>: Federhärte der Feder und <math>\ s </math>: Ausdehnung der Feder aus der Ruhelage

(''siehe [https://www.leifiphysik.de/mechanik/arbeit-energie-und-leistung/grundwissen/spannenergie Spannenergie] bei LeiFi-Physik'')

'''Merke''': Für die Einheit der Energie gilt: <math> 1~J = 1~Nm = 1~\frac{kg \cdot m^{2}}{s^{2}} </math>

===1.3 Arbeit als Energieänderung===
[[Bild:Workingman.jpg|right]]
Im Unterschied zur Alltagssprache wird der Begriff Arbeit in der Physik anders verwendet. Man hat festgelegt:

Ändert sich der Energiezustand eines Systems, so wird an ihm physikalische '''Arbeit''' verrichtet.

Physikalische '''Arbeit''' <math>\ W </math> ist der Energieunterschied, der dabei auftritt:

{| border="1" cellspacing="0" cellpadding="10"
|<math> W = \Delta E = E_{nachher} - E_{vorher} </math>
|}

Die Arbeit wird deswegen auch in der Einheit <math> 1~J = 1~Nm </math> angegeben.

(''siehe [https://www.leifiphysik.de/mechanik/arbeit-energie-und-leistung/grundwissen/die-physikalische-arbeit Die physikalische Arbeit] bei LeiFi-Physik'')

====Arbeit aus Kraft und Weg====

Wenn eine konstante Kraft <math> F\ </math> in Richtung eines Weges <math> \Delta s\ </math> wirkt, wird mechanische Arbeit verrichtet.

In diesem Fall lässt sich der Betrag der Arbeit <math> W\ </math> direkt über das Produkt aus Kraft mal Weg berechnen:

{| border="1" cellspacing="0" cellpadding="10"
|<math> W = F \cdot \Delta s</math>
|}

====Arten mechanischer Arbeit====

*'''Hubarbeit''':

Wird ein Körper hochgehoben oder fallengelassen, ändert sich seine Höhenenergie - es wird Hubarbeit verrichtet.

{| border="1" cellspacing="0" cellpadding="10"
|<math> W_{h} = \Delta E_{pot} = m\cdot g\cdot h\ </math>
|}

*'''Beschleunigungsarbeit''':

Wird ein Körper beschleunigt oder gebremst, ändert sich seine Bewegungsenergie - es wird Beschleunigungsarbeit verrichtet.

{| border="1" cellspacing="0" cellpadding="10"
|<math> W_{b} = \Delta E_{kin} = \frac{1}{2} \cdot m \cdot v^{2} </math>
|}

*'''Spannarbeit''':

Wird eine Feder gespannt oder gestaucht, ändert sich ihre Spannenergie - es wird Spannarbeit verrichtet.

Neben diesen mechanischen Arbeitsarten gibt es auch noch Verformungsarbeit, Reibungsarbeit, elektrische Arbeit und Wärme.

===1.4 Leistung===

Die Leistung <math>\ P </math> gibt an, wie schnell eine Energieänderung <math>\Delta E </math> erfolgt, also wie viel Arbeit <math>\ W </math> man pro Zeit <math>\Delta t </math> verrichtet.

{| border="1" cellspacing="0" cellpadding="10"
|<math> P = \frac{\Delta E}{\Delta t} = \frac{W}{\Delta t}</math>
|}

Die Leistung wird in der Einheit 1 Watt (1 W) angegeben.

Manchmal wird Leistung auch noch in PS (Pferdestärken) angegeben, wobei gilt: 1 PS = 736 W .

'''Merke''': Für die Einheit der Leistung gilt: <math> 1~W = 1~\frac{J}{s} = 1~\frac{N\cdot m}{s}</math>

(''siehe [https://www.leifiphysik.de/mechanik/arbeit-energie-und-leistung/grundwissen/leistung Leistung] und [https://www.leifiphysik.de/mechanik/arbeit-energie-und-leistung/ausblick/verschiedene-leistungen Verschiedene Leistungen] bei LeiFi-Physik'')

====Wirkungsgrad====

Der Wirkungsgrad <math>\eta </math> gibt an, welcher Anteil der aufgewendeten (zugeführten) Energie <math>\ E_{aufw} </math> in genutzte Energie <math>\ E_{nutz} </math> umgewandelt wird.

{| border="1" cellspacing="0" cellpadding="10"
|<math> \eta = \frac{E_{nutz}}{E_{zu}} = \frac{P_{nutz}}{P_{zu}} = \frac{Nutzen}{Aufwand}</math>
|}

Der Wirkungsgrad hat keine Einheit, wird aber meistens in Prozent angegeben.

Umso größer der Wirkungsgrad einer Vorrichtung bzw. Maschine, desto effizienter ist sie (im Bezug auf den Nutzen).

(''siehe [https://www.leifiphysik.de/mechanik/arbeit-energie-und-leistung/grundwissen/wirkungsgrad Wirkungsgrad] und [https://www.leifiphysik.de/mechanik/arbeit-energie-und-leistung/ausblick/verschiedene-wirkungsgrade Verschiedene Wirkungsgrade] bei LeiFi-Physik'')

==2. Elektrische Energie==

===2.1 Ladung und Stromstärke===
[[Bild:Elektroskop.jpg|300px|thumb|Elektroskop zum Nachweis von Ladungen (Bild von Karl Stock)]]

[http://wiki.bnv-bamberg.de/flg-wiki/index.php/SchulheftPh9#2._Atome Einfaches Atommodell SchulheftPh9]

Ein Körper ist '''negativ geladen''', wenn auf ihm Elektronenüberschuss herscht. Er ist '''positiv geladen''', wenn Elektronenmangel herrscht.

Für die '''Kräfte zwischen Ladungen''' gilt:

'''Ungleichnamig geladene Körper ziehen sich an und gleichnamig geladene stoßen einander ab'''.

[https://www.leifiphysik.de/elektrizitaetslehre/ladungen-felder-mittelstufe/grundwissen/ladungseigenschaften#aufgaben Leifi-Quiz Ladungseigenschaften]

[https://www.leifiphysik.de/elektrizitaetslehre/einfache-stromkreise/grundwissen/atomare-vorstellungen-der-elektrizitaet Atomare Vorstellungen der Elektrizität] bei LeiFi-Physik

Die '''elektrische Ladung''' <math>Q</math> wird in der Einheit 1 Coulomb (<math> 1~C = 1~As </math>) angegeben.

Die '''Elementarladung''' <math>e</math> ist die elektrische Ladung von Elektronen - die kleinste in der Natur frei vorkommende Ladung:

{| border="1" cellspacing="0" cellpadding="5"
|<math>e = 1,602\cdot 10^{-19}~As</math>
|}

[[Bild:Elektrizitaet.jpg|300px|right|von Ian Tresman]]

Die '''elektrische Stromstärke''' <math>I</math> gibt an, wie viel Ladung <math>\Delta Q</math> (in C) pro Zeit <math>\Delta t</math> (in s) durch einen Leiter transportiert werden:

{| border="1" cellspacing="0" cellpadding="10"
|<math> I = \frac{\Delta Q}{\Delta t}</math>
|}

Die Stromstärke wird in der Einheit 1 Ampere (1 A) angegeben.

Es gilt: <math> 1~A = 1~\frac{C}{s} = 1~\frac{As}{s}</math>

Für die transportierte '''elektrische Ladung''' <math>\Delta Q</math> gilt also:

{| border="1" cellspacing="0" cellpadding="10"
|<math> {\Delta Q} = I \cdot {\Delta t}</math>
|}

===2.2 Spannung und elektrische Energie===

('' siehe [https://www.leifiphysik.de/elektrizitaetslehre/elektrische-grundgroessen/grundwissen/elektrische-spannung-und-die-einheit-volt-1 Elektrische Spannung 1] bei LeiFi-Physik'')

Die '''elektrische Spannung''' ist die Ursache des elektrischen Stromflusses. Sie gibt an, wie stark der Antrieb des Stromes durch die Stromquelle im Stromkreis ist.

Die Spannung wird in der '''Einheit 1 Volt''' (1 V) angegeben.

('' siehe [https://www.leifiphysik.de/elektrizitaetslehre/elektrische-grundgroessen/grundwissen/elektrische-spannung-und-die-einheit-volt-2 Elektrische Spannung 2] bei LeiFi-Physik'')

In Anlehnung an den Begriff der potentiellen Energie (Höhenenergie) der Mechanik wird die '''elektrische Spannung auch als elektrische Potentialdifferenz''' bezeichnet, ähnlich wie der Höhenunterschied, der im Wassermodell für den Wasserfluss sorgt.

Die '''elektrische Spannung''' <math>U</math> gibt an, wie viel elektrische Energie <math>E_{el}</math> pro transportierter Ladung <math>Q</math> als Antrieb für den Stromkreis zur Verfügung steht:

{| border="1" cellspacing="0" cellpadding="10"
|<math> U = \frac{E_{el}}{Q}</math>
|}

Für die Einheit Volt gilt: <math> 1~V = 1~\frac{J}{C} = 1~\frac{Nm}{As} = 1~\frac{kg\cdot m^{2}}{A\cdot s^{3}}</math>

Umgekehrt kann nun die '''elektrische Energie''' <math>E_{el}</math> als Produkt von angelegter Spannung <math>U</math> und transportierter Ladungsmenge <math>Q</math> berechnet werden:

{| border="1" cellspacing="0" cellpadding="10"
|<math> E_{el} = U\cdot Q</math>
|}

Die Energie wird in der Einheit 1 Joule (1 J) angegeben. Es gilt: <math> 1~J = 1~W\cdot s = 1~V\cdot A\cdot s</math>

Die umgewandelte elektrische Energie wird oft in '''Kilowattstunden''' (1 kWh) gemessen:

<math> 1~kWh = 1000~Wh = 1000~W\cdot 3600~s = 3600000~Ws = 3,6~MJ</math>

'''Elektrische Energie''' ist die Fähigkeit des elektrischen Stroms, Arbeit zu verrichten, Wärme abzugeben oder Licht zu erzeugen.

===2.3 Elektrische Energie und elektrische Leistung===
[[Bild:Trafostation.jpg|300px|right|von Smial]]

Da für die transportierte Ladung auch <math> Q = I \cdot {\Delta t} </math> gilt, kann man für die elektrische Energie schreiben:

{| border="1" cellspacing="0" cellpadding="10"
|<math> E_{el} = U\cdot Q = U\cdot I \cdot {\Delta t} </math>
|}

Die elektrische Energie <math>E_{el}</math>, die in einem Stromkreis umgesetzt wird, ist also das Produkt aus angelegter Spannung <math> U </math>, Stromstärke <math> I </math> und der Zeit <math> {\Delta t} </math>, in der das elektrische Gerät betrieben wird.

'''Elektrische Leistung''' <math>P_{el}</math> ist die Angabe, wie viel elektrische Energie pro Zeit umgewandelt wird.

{| border="1" cellspacing="0" cellpadding="10"
|<math> P_{el} = \frac{E_{el}}{\Delta t} = U\cdot I </math>
|}

Die elektrische Leistung wird in der Einheit 1 Watt (1 W) angegeben. Es gilt: <math> 1~W = 1~V\cdot 1~A</math>

===2.4 Elektrische Leistung und Widerstände in Stromkreisen===
[[Bild:Widerstandhaufen.jpg|300px|right|von Mattia Luigi Nappi]]
Verschiedene Bauteile leiten den elektrischen Strom unterschiedlich gut. Der '''elektrische Widerstand''' <math>R</math> eines Bauteils gibt an, wie sehr der elektrische Stromfluss in ihm behindert wird.

Einheit des elektrischen Widerstandes: 1 Ohm (<math> 1~\Omega </math>).

Umso mehr Strom der Stromstärke <math>I</math> bei einer bestimmten Spannung <math>U</math> in einem elektrischen Leiter fließt, desto kleiner ist der elektrische Widerstand <math>R</math>:

{| border="1" cellspacing="0" cellpadding="10"
|<math> R = \frac{U}{I}</math>
|}

Es ist also: <math> 1~\Omega = 1~\frac{V}{A}</math>

Da <math> U = R\cdot I</math> folgt:

{| border="1" cellspacing="0" cellpadding="10"
|<math> P = R\cdot I^{2}</math>
|}

{| border="1" cellspacing="0" cellpadding="10"
|<math> P = \frac{U^{2}}{R}</math>
|}

==3. Atome, Licht (Photonen)==

===3.1 Aufbau der Atome===

[https://www.youtube.com./watch?v=oZ7nEKrG63M 10 Hoch Reise durch den Mikro- und Makrokosmos mit Harald Lesch bei youtube.com]

Alle Stoffe bestehen aus Atomen. Es gibt etwa 115 Elemente (Atomarten), aus denen die Stoffe auf unserer Welt aufgebaut sind.

Der Radius von Atomen liegt in einer Größenordnung von <math>10^{-9}~m \ </math> oder <math>1~nm \ </math>. Die Masse eines Atoms liegt bei etwa <math>10^{-25}~kg</math> (je nach Element).

Aus dem [https://www.leifiphysik.de/atomphysik/atomaufbau/grundwissen/streuversuch-und-atommodell-von-rutherford Streuversuch von Ernest Rutherford] ergaben sich folgende Schlussfolgerungen und das Rutherfordsche Atommodell:

[[Bild:Atommodell.jpg]]

Fast die ganze Masse (ca. 99,99 %) des Atoms ist auf kleinsten Raum im Atomkern konzentriert. Der Atomkern ist im Vergleich zur Atomhülle winzig klein! Der Radius von Atomkernen beträgt etwa <math>10^{-15}~m \ </math> bis <math>10^{-14}~m\ </math>.

Die Atomhülle besteht aus negativ geladenen '''Elektronen'''.

Der Atomkern besteht aus positiv geladenen '''Protonen''' und ungeladenen '''Neutronen'''. Diese Kernbausteine werden auch '''Nukleonen''' genannt, ihre Massen sind etwa gleich groß.

(''siehe [https://www.leifiphysik.de/atomphysik/atomaufbau Atomaufbau] bei LeiFi-Physik'')

[https://www.leifiphysik.de/atomphysik/atomaufbau/grundwissen/periodentafel-der-elemente Periodentafel der Elemente] bei LeiFi-Physik

[http://www.seilnacht.com/Lexikon/psframe.htm Periodensystem der Elemente] bei seilnacht.com

===3.2 Photonen und Spektren - Aufnahme und Abgabe von Energie in der Atomhülle===
[[Bild:Spektrum60wesl.jpg|thumb|right|Spektrum 60W-Glühbirne / Energiesparlampe]]

[https://www.youtube.com./watch?v=cG770N48Hzk Atommodell nach Niels Bohr (Schalenmodell)] von musstewissen Chemie bei YouTube.com

[https://www.youtube.com./watch?v=vRJv0lZ2EcA Spektren und Beschreibungsarten des Lichts] von Carl Schäfer bei YouTube.com

[https://www.youtube.com./watch?v=b4VeoTI3XBI Emission und Absorption von Licht] von Carl Schäfer bei YouTube.com

[https://phet.colorado.edu/de/simulation/legacy/discharge-lamps Neonlicht und andere Entladungslampen] bei PhET

[https://www.youtube.com./watch?v=imTFizzJ3P8 Schwarze Linien im Licht? Was sie verraten!] mit Harald Lesch bei YouTube.com

Jeder Stoff sendet ein für ihn charakteristisches '''Spektrum''' aus. Die Ursache dafür sind für diesen Stoff typische Energieniveaus der Elektronen der Atomhülle, zwischen welchen diese wechseln können und dabei Licht einer bestimmten Wellenlänge aussenden oder absorbieren.

(''siehe [https://www.leifiphysik.de/atomphysik/atomarer-energieaustausch Atomarer Energieaustausch] bei LeiFi-Physik'')

Die Energieportionen, die bei diesen Übergängen in Form von Licht absorbiert oder emittiert werden, nennt man '''Lichtquanten''' oder '''Photonen'''.

Die Energie der Photonen liegt hier im Bereich einiger '''Elektronenvolt''' (eV).

Es gilt: <math>1~eV = 1,602\cdot 10^{-19}~J</math>.

Sichtbares Licht hat eine Energie zwischen etwa 1,5 eV (rotes Licht) und 3,3 eV (violettes Licht). Liegt die Energie der Photonen darunter, handelt es sich um unsichtbares '''infrarotes Licht''', liegt sie darüber um unsichtbares '''ultraviolettes Licht'''.

(''siehe auch [https://www.leifiphysik.de/atomphysik/atomarer-energieaustausch/aufgabe/quiz-zu-licht-und-atom Quiz zu Licht und Atom] bei LeiFi-Physik'')

 

==4. Wärmelehre==
[[Bild:NaCl-Ionengitter.png|300px|right|Author H. Hoffmeister]]

===4.1 Temperatur und Innere Energie im Teilchenmodell===

Alle Körper bestehen aus '''Stoffen''' (z.B. Holz, Eisen, Plastik, Papier, ...). Alle Stoffe in unserer Natur bestehen aus Atomen.

'''Moleküle''' sind der Zusammenschluss einzelner Atome zu einer bestimmten Gruppierung (z.B. <math>O_{2}, N_{2}, H_{2}, H_{2}O, CH_{4}, ... </math>).

Als Teilchenmodell bezeichnet man die Vorstellung, dass alle Stoffe aus winzig kleinen Teilchen (Atome, Moleküle) bestehen, die miteinander wechselwirken.

[https://www.youtube.com./watch?v=UxE1laNjRtw Brownsche Molekularbewegung] von Karlheinz Meier bei YouTube.com

[https://www.youtube.com./watch?v=mALrw8oLno0 Demonstration der Wärmebewegung mit einfachen Experimenten] von WebPhysik bei Youtube.com

Die Teilchen befinden sich in ständiger gegenseitiger Bewegung (--> '''Innere Energie'''). Sie besitzen innerhalb des Körpers kinetische und potentielle Energie.

(''siehe [https://www.leifiphysik.de/waermelehre/temperatur-und-teilchenmodell/grundwissen/teilchenmodell Teilchenmodell] und [https://www.leifiphysik.de/waermelehre/temperatur-und-teilchenmodell/grundwissen/brownsche-bewegung-und-innere-energie Brownsche Bewegung und innere Energie] bei LeiFi-Physik'')

Die insgesamt innerhalb eines Körpers enthaltene Energie wird '''innere Energie''' genannt. Sie umfasst die Gesamtheit aller kinetischen und potentiellen Einzelenergien der Teilchen des Körpers.

'''Je größer die innere Energie, desto höher die Temperatur eines Körpers und umgekehrt''' (''gilt nur, solange sich dabei der Aggregatzustand nicht ändert'').

Die Temperatur, bei der die Teilchen im Inneren eines Körpers keine kinetische Energie mehr haben, wird als '''absoluter Temperaturnullpunkt''' bezeichnet. Er liegt bei '''-273,15 °C'''.

Unser Temperatursinn lässt sich leicht täuschen, deswegen verwenden wir zur Messung von Temperaturen besser '''Thermometer''', welche in Grad Celsius (°C) oder in Kelvin (K) geeicht sind.

(''siehe [https://www.leifiphysik.de/waermelehre/temperatur-und-teilchenmodell/grundwissen/celsius-skala Celsius-Skala] und [https://www.leifiphysik.de/waermelehre/temperatur-und-teilchenmodell/grundwissen/absolute-temperatur Absolute Temperatur] bei LeiFi-Physik'')

===4.2 Änderung des Aggregatzustandes===

[[Datei:Aggregatzustaende.jpg]]

Viele Stoffe können sich im '''festen''', '''flüssigen''' oder '''gasförmigen Aggregatzustand''' befinden.

Ob ein Körper im '''festen''', '''flüssigen''' oder '''gasförmigen''' '''Aggregatzustand''' vorliegt, hängt davon ab, wie sehr die Atome bzw. Moleküle durch Kräfte zwischen diesen Teilchen aneinander gebunden sind.

(''Begriffe siehe [https://www.leifiphysik.de/waermelehre/innere-energie-waermekapazitaet/grundwissen/phasenuebergaenge Phasenübergänge] bei LeiFi-Physik'')

(''Siehe auch [https://phet.colorado.edu/sims/html/states-of-matter/latest/states-of-matter_de.html Aggregatszustände] bei PhET'')

Bei der '''Schmelztemperatur''' <math>\vartheta_{S}\ </math> und der '''Siedetemperatur''' <math>\vartheta_{V}\ </math> findet jeweils ein Übergang zwischen den Aggregatzuständen statt.

Bei diesen Übergängen muss Energie zugeführt werden (Schmelzen, Verdampfen, Sublimieren) bzw. wird Energie frei (Erstarren, Kondensieren, Verfestigen).

Die '''spezifische Schmelzwärme''' <math>q_{S}\ </math> gibt an, wie viel Energie nötig ist, um 1 kg eines festen Stoffes zu schmelzen.

Die '''spezifische Verdampfungswärme''' <math>q_{V}\ </math> gibt an, wie viel Energie nötig ist, um 1 kg eines flüssigen Stoffes zu verdampfen.

Beide werden in der Einheit <math> 1~\frac{kJ}{kg}</math> angegeben.

(''Siehe auch [https://www.leifiphysik.de/waermelehre/innere-energie-waermekapazitaet/grundwissen/spezifische-schmelz-und-verdampfungswaerme Spezifische Schmelz- und Verdampfungswärme] bei LeiFi-Physik'')

Eine Anwendung ist der [https://www.leifiphysik.de/waermelehre/innere-energie-waermekapazitaet/ausblick/kuehlschrank Kühlschrank] (''bei LeiFi-Physik'').

Der Übergang einer Flüssigkeit in den gasförmigen Zustand unterhalb der Siedetemperatur wird als [https://www.leifiphysik.de/waermelehre/innere-energie-waermekapazitaet/ausblick/verdunstung Verdunstung] (''bei LeiFi-Physik'') bezeichnet.

===4.3 Thermischer Energietransport (Wärmeübertragung)===

====Arten der Wärmeübertragung====

*'''Wärmeleitung''': Wärme wandert von einem Ort höherer Temperatur durch einen in Ruhe befindlichen Körper zu einem Ort niedrigerer Temperatur. (''siehe [https://www.leifiphysik.de/waermelehre/waermetransport/grundwissen/waermeleitung Wärmeleitung] bei LeiFi-Physik'')

*'''Wärmeströmung''' (Konvektion): Wärme wandert von einem Ort höherer Temperatur '''mit''' der erwärmten Materie zu einem Ort niedrigerer Temperatur. (''siehe [https://www.leifiphysik.de/waermelehre/waermetransport/grundwissen/waermemitfuehrung Wärmekonvektion] bei LeiFi-Physik'')

*'''Wärmestrahlung''': Heiße Körper (z.B. Sonne) senden Wärmestrahlung aus, wobei Wärme übertragen wird, ohne das Materie beteiligt ist und auch nicht transportiert wird. (''siehe [https://www.leifiphysik.de/waermelehre/waermetransport/grundwissen/waermestrahlung-temperaturstrahlung Temperaturstrahlung] bei LeiFi-Physik'')

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===2.2 Änderung der inneren Energie===
[[Bild:Hotmetalwork.jpg|300px|right|Taken by Fir0002]]
Prinzipiell gibt es '''zwei Möglichkeiten, die innere Energie eines Körpers und damit seine Temperatur zu erhöhen''':

* durch '''Reibungsarbeit''' <math>W_{R}\ </math>, die an dem Körper verrichtet wird.
:Die verrichtete Reibungsarbeit entspricht dabei der Änderung der inneren Energie: <math>W_{R} = \Delta E_{i} </math>

* oder durch '''Wärmeübertragung''' <math>Q\ </math> auf den Körper.
:Die übertragene Wärme(energie) (in Joule) entspricht dabei der Änderung der inneren Energie: <math>Q = \Delta E_{i} </math>

====1. Hauptsatz der Wärmelehre====

Die innere Energie eines Systems kann also durch mechanische Arbeit oder (und) durch Wärmeübertragung erhöht werden. Zusammenfassend gilt der '''1. Hauptsatz der Wärmelehre''':

{| border="1" cellspacing="0" cellpadding="10"
|<math> \Delta E_{i} = W_{R} + Q \ </math>
|}

Dieser Zusammenhang stellt die Grundlage für das Verständnis von '''Wärmekraftmaschinen''' wie Dampfmaschine, Ottomotor, Dieselmotor, Zweitakt-Motor, Kühlschrank und Wärmepumpen dar, da umgekehrt die '''innere Energie''' eines Körpers (Wasserdampf, Verbrennungsgase, ...) auch durch Abgabe von Energie in Form von '''Wärme''' oder (und) '''mechanischer Arbeit''' abnehmen kann.

(''siehe [https://www.leifiphysik.de/waermelehre/innere-energie-waermekapazitaet/grundwissen/erster-hauptsatz-der-waermelehre 1.Hauptsatz der Wärmelehre] bei LeiFi-Physik, [http://www.k-wz.de/uebersicht.html Animationen zu Motoren] von K. Wetzstein und [https://www.leifiphysik.de/waermelehre/innere-energie-waermekapazitaet/ausblick/kuehlschrank Kühlschrank] bei LeiFi-Physik'')

====Grundgleichung der Wärmelehre====

Beim Erwärmen und Abkühlen eines Körpers (ohne Änderung des Aggregatzustandes) gilt für die beteiligte Wärmemenge <math>Q</math> des Körpers:

{| border="1" cellspacing="0" cellpadding="10"
|<math> Q = c \cdot m \cdot \Delta \vartheta </math>
|}

wobei <math>\ m </math> die Masse des Körpers, <math>\Delta \vartheta </math> die Temperaturänderung und <math>\ c </math> die sogenannte '''spezifische Wärmekapazität''' des Stoffes ist, aus dem der Körper besteht.

Die spezifische Wärmekapazität <math>\ c </math> eines Stoffes gibt an, wie viel Energie von 1 kg eines Stoffes abgegeben oder aufgenommen werden, wenn sich seine Temperatur um 1 Kelvin ändert.
[[Bild:Kochendeswasser.jpg|300px|right|von Markus Schweiss]]

Einheit der spezifische Wärmekapazität: <math> 1~\frac{kJ}{kg\cdot K}</math>.

(''siehe [https://www.leifiphysik.de/waermelehre/innere-energie-waermekapazitaet/grundwissen/aenderung-der-inneren-energie Änderung der inneren Energie] bei LeiFi-Physik'')

[[Bild:Galileithermometer.jpg|300px|right]]

===2.3 Volumenänderung bei Temperaturänderung===

Mit der Temperatur eines Körpers ändert sich auch sein Volumen und somit auch seine Länge.

Fast alle Stoffe dehnen sich '''bei Ewärmung aus''' und '''ziehen sich bei Abkühlung zusammen''' (Ausnahmen: Gummi, '''Anomalie des Wassers''').

Dieses wird unter anderem dazu genutzt um '''Thermometer''' zu bauen (Flüssigkeits- oder Gasthermometer, Bimetall-Thermometer).

(''siehe [https://www.leifiphysik.de/waermelehre/ausdehnung-bei-erwaermung Ausdehnung dei Erwärmung] und [https://www.leifiphysik.de/waermelehre/ausdehnung-bei-erwaermung/grundwissen/anomalie-des-wasser Anomalie des Wassers] bei LeiFi-Physik'')