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Teilchenphysikaspekte in der klassischen Physik
Grundwissen
- Auch bei Themen der klassischen Physik werden an vielen Stellen Teilchenaspekte deutlich.
- Beispiele sind die \(\beta\)-Strahlung und das AEgIS-Experiment als Anwendung des waagerechten Wurfs.
Grundwissen
- Auch bei Themen der klassischen Physik werden an vielen Stellen Teilchenaspekte deutlich.
- Beispiele sind die \(\beta\)-Strahlung und das AEgIS-Experiment als Anwendung des waagerechten Wurfs.
Biologische Strahlenwirkung
Grundwissen
- Man muss unterscheiden, ob die Bestrahlung von außen erfolgt oder vom Inneren des Körpers ausgeht.
- \(\alpha\)- und \(\beta\)-Strahlung sind besonders gefährlich, wenn ihre Quellen durch Luft oder Nahrung in den Körper aufgenommen wurden.
-
Man unterscheidet stochastische und deterministische Strahlenschäden.
Grundwissen
- Man muss unterscheiden, ob die Bestrahlung von außen erfolgt oder vom Inneren des Körpers ausgeht.
- \(\alpha\)- und \(\beta\)-Strahlung sind besonders gefährlich, wenn ihre Quellen durch Luft oder Nahrung in den Körper aufgenommen wurden.
-
Man unterscheidet stochastische und deterministische Strahlenschäden.
Dosimetrie und Dosiseinheiten
Grundwissen
Zur Beschreibung der biologischen Wirkung von ionisierender Strahlung führt man den Begriff der Dosis ein. Dabei unterscheidet man verschiedene Dosisarten.
- Die Energiedosis \(D\), die ein Körper durch ionisierende Strahlung erhält, ist der Quotient aus der von dem Körper absorbierten Strahlungsenergie \(E\) und der Masse \(m\) des Körpers: \(D=\frac{E}{m}\). Die Energiedosis ist Grundlage der Dosimetrie im Strahlenschutz.
- Die Ionendosis \(J\), die ein Körper durch ionisierende Strahlung erhält, ist der Quotient aus der durch Ionisation in dem Körper freiwerdenen elektrischen Ladung \(Q\) gleichen Vorzeichens und der Masse \(m\) des Körpers: \(J=\frac{Q}{m}\).
- Die Äquivalentdosis \(H\), die ein Körper durch eine Energiedosis einer bestimmten Strahlung erhält, ist das Produkt aus der Energiedosis \(D\) und dem Strahlungswichtungsfaktor \(w_{\rm{R}}\) der Strahlung: \(H=w_{\rm{R}} \cdot D\).
- Die effektive Dosis \(E\), die ein Organ/Gewebe durch eine Äquivalentdosis erhält, ist das Produkt aus der Äquivalentdosis \(H\) und dem Gewebewichtungsfaktor \(w_{\rm{T}}\) des absorbierenden Organs/Gewebes: \(E=w_{\rm{T}} \cdot H\).
Grundwissen
Zur Beschreibung der biologischen Wirkung von ionisierender Strahlung führt man den Begriff der Dosis ein. Dabei unterscheidet man verschiedene Dosisarten.
- Die Energiedosis \(D\), die ein Körper durch ionisierende Strahlung erhält, ist der Quotient aus der von dem Körper absorbierten Strahlungsenergie \(E\) und der Masse \(m\) des Körpers: \(D=\frac{E}{m}\). Die Energiedosis ist Grundlage der Dosimetrie im Strahlenschutz.
- Die Ionendosis \(J\), die ein Körper durch ionisierende Strahlung erhält, ist der Quotient aus der durch Ionisation in dem Körper freiwerdenen elektrischen Ladung \(Q\) gleichen Vorzeichens und der Masse \(m\) des Körpers: \(J=\frac{Q}{m}\).
- Die Äquivalentdosis \(H\), die ein Körper durch eine Energiedosis einer bestimmten Strahlung erhält, ist das Produkt aus der Energiedosis \(D\) und dem Strahlungswichtungsfaktor \(w_{\rm{R}}\) der Strahlung: \(H=w_{\rm{R}} \cdot D\).
- Die effektive Dosis \(E\), die ein Organ/Gewebe durch eine Äquivalentdosis erhält, ist das Produkt aus der Äquivalentdosis \(H\) und dem Gewebewichtungsfaktor \(w_{\rm{T}}\) des absorbierenden Organs/Gewebes: \(E=w_{\rm{T}} \cdot H\).
FEYNMAN-Diagramme
Grundwissen
- FEYNMAN-Diagramme sind schematische Zeit-Ort-Diagramme von Teilchen (nicht die Bahnkurven) und bieten eine übersichtliche Darstellung von Wechselwirkungsprozessen.
- Oft haben die Diagramme äußere Linien, welche Materieteilchen darstellen und innere Linien, die Botenteilchen darstellen.
- Wechselwirkungspunkte, an denen Linien zusammentreffen nennt man Vertices (Singular: Vertex).
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- FEYNMAN-Diagramme sind schematische Zeit-Ort-Diagramme von Teilchen (nicht die Bahnkurven) und bieten eine übersichtliche Darstellung von Wechselwirkungsprozessen.
- Oft haben die Diagramme äußere Linien, welche Materieteilchen darstellen und innere Linien, die Botenteilchen darstellen.
- Wechselwirkungspunkte, an denen Linien zusammentreffen nennt man Vertices (Singular: Vertex).
Kosmologische Rotverschiebung
Grundwissen
- In den Spektren weit entfernter Galaxien finden sich, wie beim Sonnenspektrum, verschiedene Absorptionslinien.
- Die Absorptionslinien weit entfernter Galaxien sind deutlich stärker ins Rote verschoben.
- Ursache für die kosmologische Rotverschiebung ist die Ausdehnung des Raumes selbst, nicht eine Relativbewegung der Galaxie im Vergleich zum Beobachter.
- In der Astronomie wird die Rotverschiebung häufig durch die dimensionslose Größe \(z=\frac{\lambda_{\rm{beobachtet}}}{\lambda_0}-1\) angegeben.
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- In den Spektren weit entfernter Galaxien finden sich, wie beim Sonnenspektrum, verschiedene Absorptionslinien.
- Die Absorptionslinien weit entfernter Galaxien sind deutlich stärker ins Rote verschoben.
- Ursache für die kosmologische Rotverschiebung ist die Ausdehnung des Raumes selbst, nicht eine Relativbewegung der Galaxie im Vergleich zum Beobachter.
- In der Astronomie wird die Rotverschiebung häufig durch die dimensionslose Größe \(z=\frac{\lambda_{\rm{beobachtet}}}{\lambda_0}-1\) angegeben.
Aufbau von Atomkernen
Grundwissen
- Atomkerne bestehen aus Nukleonen. Dies sind entweder die elektrisch positiven Protonen und elektrische neutralen Neutronen.
- Die Kernladungs- oder Ordnungszahl \(Z\) gibt die Zahl der Protonen in einem Atomkern an und bestimmt, um welches Element es sich handelt.
- Jedes Element hat seine feste Kernladungszahl \(Z\), kann aber mehrere Isotope mit unterschiedlicher Neutronenzahlen \(N\) besitzen.
- Die Nukleonen- oder Massenzahl \(A=Z+N\) gibt die (ungefähre) Masse eines Atomkerns bzw. des ganzen Atoms in der Maßeinheit \(\rm{u}\) an.
- Zur eindeutigen Identifikation von Atomkernen nutzt man die Schreibweise\[_Z^A{\rm{X }} \buildrel \wedge \over = \;_{{\rm{Ordnungszahl}}}^{{\rm{Massenzahl}}}{\rm{Elementsymbol}},\;{\rm{alsoz}}.{\rm{B}}.\;_{\rm{6}}^{{\rm{14}}}{\rm{C}}\]
Grundwissen
- Atomkerne bestehen aus Nukleonen. Dies sind entweder die elektrisch positiven Protonen und elektrische neutralen Neutronen.
- Die Kernladungs- oder Ordnungszahl \(Z\) gibt die Zahl der Protonen in einem Atomkern an und bestimmt, um welches Element es sich handelt.
- Jedes Element hat seine feste Kernladungszahl \(Z\), kann aber mehrere Isotope mit unterschiedlicher Neutronenzahlen \(N\) besitzen.
- Die Nukleonen- oder Massenzahl \(A=Z+N\) gibt die (ungefähre) Masse eines Atomkerns bzw. des ganzen Atoms in der Maßeinheit \(\rm{u}\) an.
- Zur eindeutigen Identifikation von Atomkernen nutzt man die Schreibweise\[_Z^A{\rm{X }} \buildrel \wedge \over = \;_{{\rm{Ordnungszahl}}}^{{\rm{Massenzahl}}}{\rm{Elementsymbol}},\;{\rm{alsoz}}.{\rm{B}}.\;_{\rm{6}}^{{\rm{14}}}{\rm{C}}\]
Nuklidkarte stabiler Kerne
Grundwissen
- Verschiedene Atomkerne werden häufig in einer \(N\)-\(Z\)-Nuklidkarte dargestellt.
- Unterschiedliche Elemente stehen jeweils in verschiedenen Zeilen, Isotope des gleichen Elementes jeweils in der gleichen Zeile.
- Kleine, leichte Kerne besitzen ungefähr genau so viele Protonen wie Neutronen, bei großen, schweren Kernen ist die Zahl der Neutronen deutlich größer als die der Protonen.
Grundwissen
- Verschiedene Atomkerne werden häufig in einer \(N\)-\(Z\)-Nuklidkarte dargestellt.
- Unterschiedliche Elemente stehen jeweils in verschiedenen Zeilen, Isotope des gleichen Elementes jeweils in der gleichen Zeile.
- Kleine, leichte Kerne besitzen ungefähr genau so viele Protonen wie Neutronen, bei großen, schweren Kernen ist die Zahl der Neutronen deutlich größer als die der Protonen.
Astronomie
Astronomie Einführung
- Warum dauert ein Jahr 365 Tage?
- Woher kommen eigentlich die verschiedenen Jahreszeiten?
- Warum gibt es die Mondphasen?
- Wie entstehen Sonnen- und Mondfinsternisse?
Themenbereich
Astronomie
Fixsterne
- Wie wird ein Stern geboren?
- Was ist ein Roter Riese …
- … und was ein Weißer Zwerg?
- Wie entstehen eigentlich Schwarze Löcher?
Themenbereich
Astronomie
Sonne
- Ist unsere Sonne eigentlich auch ein Stern?
- Wie ist unsere Sonne in ihrem Innern aufgebaut?
- Woher erhält die Sonne eigentlich ihre Energie?
- Wie sieht die Zukunft unserer Sonne aus?
Themenbereich
Astronomie
Sternbeobachtung
- Wie orientiert man man sich auf der Himmelskugel
- Wie bestimmt man eigentlich Entfernungen im Sonnensystem?
- Wie bestimmt man Positionen am Himmel?
Themenbereich
Astronomie
Planetensystem
- Nach welchen Gesetzen bewegen sich die Planeten?
- Warum kreisen die Planeten eigentlich um die Sonne?
- Welche Energie benötigt eine Mondrakete?
- Kommen wir jemals aus unserem Sonnensystem heraus?
Themenbereich
Astronomie
Kosmologie
- Woher kommt die Hintergrundstrahlung?
- Was ist die kosmische Rotverschiebung?
- Was ist Dunkle Materie …
- … und was Dunkle Energie?
- Was versteht man unter dem Standardmodell?
Themenbereich
Kern-/Teilchenphysik
Anwendungen der Kernphysik
- Wie funktioniert die Altersbestimmung von fossilen Funden?
- Warum bestrahlt man Lebensmittel?
- Was versteht man unter Szintigraphie?
- Was ist die Tracermethode?
Themenbereich
Kern-/Teilchenphysik
Kernphysik - Grundlagen
- Wie sind Atomkerne aufgebaut?
- Welche Kraft hält Atomkerne zusammen?
- Warum können Atomkerne zerfallen?
- Was sind Isotope?
Themenbereich
Kern-/Teilchenphysik
Kernreaktionen
- Wie groß sind die Bindungsenergien?
- Was ist der Massendefekt?
- Wie berechnet man die Energiebilanz bei Kernreaktionen?
Themenbereich
Kern-/Teilchenphysik
Kernspaltung und Kernfusion
- Welche Bedeutung hat die EINSTEIN-Formel in der Kernphysik?
- Wie viel Energie kann man bei der Kernspaltung …
- … und wie viel bei der Kernfusion gewinnen?
- Warum gibt es noch keine Fusionsreaktoren?
Themenbereich
Kern-/Teilchenphysik
Radioaktivität - Einführung
- Gibt es verschiedene Arten ionisierender Strahlung?
- Welche Eigenschaften hat ionisierende Strahlung?
- Warum ist ionisierende Strahlung so gefährlich?
- Kann man sich gegen ionisierende Strahlung schützen?
Themenbereich
Kern-/Teilchenphysik
Radioaktivität - Fortführung
- Wie viel Energie wird bei einem Alpha-Zerfall …
- … und wie viel bei einem Beta-Zerfall frei?
- Was versteht man unter dem MÖSSBAUER-Effekt?
Themenbereich
Kern-/Teilchenphysik
Teilchenphysik
- Was ist der Unterschied zwischen Teilchen …
- … und ihren Antiteilchen?
- Welche fundamentalen Wechselwirkungen kennen wir?
- Wie sieht das Standardmodell der Elementarteilchen aus?
Themenbereich
Übergreifend
Energieentwertung
- Welche verschiedenen Energieformen gibt es?
- Was versteht man unter reversiblen …
- … und was unter irreversiblen Vorgängen?
- Wann wird Energie entwertet?
Themenbereich
Übergreifend
Energiespeicherung
- Warum versucht man Energie zu speichern?
- Kann man jede Energieform speichern?
- Wie speichert man Energie aus regenerativen Quellen?
Themenbereich
Übergreifend
Fossile Energieversorgung
- Was ist eigentlich fossile Energie …
- … und wo kommt sie her?
- Wie funktioniert ein klassisches Kraftwerk?
- Was ist Kraft-Wärme-Kopplung?
Themenbereich
Übergreifend
Physik und Sport
- Welche maximale Kraft erzeugt eigentlich ein Muskel?
- Wie groß ist die Chance eines Torwarts beim Elfmeter?
- Wie elastisch ist ein Tischtennisball?
- Was leistet eigentlich ein Radrennfahrer?
Themenbereich
Übergreifend
Physik und Verkehr
- Was bringen eigentlich Tempo 30 – Zonen?
- Wie funktioniert denn ein Airbag …
- … und wie ein Sicherheitsgurt?
- Wann fliegt man aus der Kurve?
Themenbereich
Übergreifend
Regenerative Energieversorgung
- Was sind die Quellen für erneuerbare Energien?
- Wie nutzen wir die Sonnenenergie?
- Woher kommen Wind- und Wasserkraft?
- Wie sieht die Energiegewinnung der Zukunft aus?
Themenbereich
Übergreifend
Osterexperiment
Wie kann man ein hart gekochtes Ei von einem rohen Ei unterscheiden, ohne das Ei aufzuschlagen? Pünktlich zu Ostern gibt es auf LEIFIphysik.de ein Experiment zum Nachmachen zu Hause. Das LEIFIphysik-Team wünscht euch viel Spaß beim Ausprobieren und schöne Feiertage!
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Übergreifend
Reise in die Forschung
In unserer LEIFI-Reihe „Reise in die Forschung“ stellen wir euch in größeren Abständen verschiedene Forschungsprojekte aus der Physik vor. Dabei erhaltet ihr nicht nur einen Einblick in aktuelle Forschungsthemen sondern erfahrt auch, wie fachübergreifend solche Projekte häufig bearbeitet werden.
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Übergreifend
Physik und Film
Immer wieder finden sich in Filmen und Fernsehserien Szenen, die für den Physikunterricht relevant sein können. So kann z. B. die Frage gestellt werden, ob gezeigte Stunts unter physikalischen Bedingungen überhaupt möglich sind. Gelegentlich sind aber physikalische Themen selbst Gegenstand von Filmen oder Serien. Wir stellen euch hier geeignete Beispiele für den Einsatz im Unterricht vor.
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Themenbereich