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Elektromagnetische Wechselwirkung - Beispiel (Animation)
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Die Animation zeigt ein Beispiel für die Vermittlung der elektromagnetischen Wechselwirkung: ein Elektron emittiert ein Photon, das vom anderen…
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Zum DownloadElementarteilchen
Grundwissen
- Die Elementarteilchen der Materie können gut in 3 Spalten, als Generationen bezeichnet, und 3 Zeilen eingeteilt werden.
- Teilchen der 1. Generation sich up- und down-Quark, Elektron und Elektron-Neutrino und somit die Teilchen, die mit denen man normal in Berührung kommt. Die Teilchen der 2. und 3. Generation treten nur unter extremen Bedingungen auf.
- Die elektrisch neutralen Leptonen in der ersten Reihe unterliegen nur der schwachen Wechselwirkung, geladene Leptonen in der zweiten Reihe auch der elektromagnetischen Wechselwirkung und Quarks in der dritten Reihe auch der starken Wechselwirkung.
Grundwissen
- Die Elementarteilchen der Materie können gut in 3 Spalten, als Generationen bezeichnet, und 3 Zeilen eingeteilt werden.
- Teilchen der 1. Generation sich up- und down-Quark, Elektron und Elektron-Neutrino und somit die Teilchen, die mit denen man normal in Berührung kommt. Die Teilchen der 2. und 3. Generation treten nur unter extremen Bedingungen auf.
- Die elektrisch neutralen Leptonen in der ersten Reihe unterliegen nur der schwachen Wechselwirkung, geladene Leptonen in der zweiten Reihe auch der elektromagnetischen Wechselwirkung und Quarks in der dritten Reihe auch der starken Wechselwirkung.
Energiebilanz beim Alpha-Zerfall
Grundwissen
- Beim Alpha-Zerfall emittiert der Mutterkern \(\rm{X}\) ein \(\alpha\)-Teilchen (\(\rm{He}\)-Kern). Die Ordnungszahl des Tochterkerns \(\rm{Y}\) ist um \(2\), die Massenzahl um \(4\) kleiner als die des Mutterkerns.
- Die Reaktionsgleichung lautet \(_{Z}^{A}{\rm{X}}\to\;_{Z-2}^{A-4}{\rm{Y}} +\;_{2}^{4}{\rm{He }}\)
- Der \(Q\)-Wert berechnet sich mit Atommassen durch \(Q = \left[ m_{\rm{A}}\left( \rm{X} \right)-m_{\rm{A}}\left( \rm{Y} \right)-m_{\rm{A}}\left(_{2}^{4}{\rm{He }} \right) \right] \cdot c^2\)
Grundwissen
- Beim Alpha-Zerfall emittiert der Mutterkern \(\rm{X}\) ein \(\alpha\)-Teilchen (\(\rm{He}\)-Kern). Die Ordnungszahl des Tochterkerns \(\rm{Y}\) ist um \(2\), die Massenzahl um \(4\) kleiner als die des Mutterkerns.
- Die Reaktionsgleichung lautet \(_{Z}^{A}{\rm{X}}\to\;_{Z-2}^{A-4}{\rm{Y}} +\;_{2}^{4}{\rm{He }}\)
- Der \(Q\)-Wert berechnet sich mit Atommassen durch \(Q = \left[ m_{\rm{A}}\left( \rm{X} \right)-m_{\rm{A}}\left( \rm{Y} \right)-m_{\rm{A}}\left(_{2}^{4}{\rm{He }} \right) \right] \cdot c^2\)
Energiebilanz beim EC-Prozess oder K-Einfang
Grundwissen
- Beim EC-Prozess oder K-Einfang wandelt sich im Mutterkern \(\rm{X}\) ein Proton zusammen mit einem Elektron (meist aus der K-Schale) in ein Neutron um. Gleichzeitig wird ein Elektron-Neutrino \(\nu_{\rm{e}}\) emittiert. Die Ordnungszahl des Tochterkerns \(\rm{Y}\) ist um \(1\) kleiner als die des Mutterkerns, die Massenzahl bleibt gleich.
- Die Reaktionsgleichung lautet \(_Z^A{\rm{X}} +\;_{-1}^0{\rm{e^-}} \to\;_{Z-1}^A{\rm{Y}} +\;_0^0{\nu_{\rm{e}}}\)
- Der \(Q\)-Wert berechnet sich mit Atommassen durch \(Q=\left[ m_{\rm{A}}\left( \rm{X} \right)-m_{\rm{A}}\left( \rm{Y} \right)\right] \cdot c^2\)
Grundwissen
- Beim EC-Prozess oder K-Einfang wandelt sich im Mutterkern \(\rm{X}\) ein Proton zusammen mit einem Elektron (meist aus der K-Schale) in ein Neutron um. Gleichzeitig wird ein Elektron-Neutrino \(\nu_{\rm{e}}\) emittiert. Die Ordnungszahl des Tochterkerns \(\rm{Y}\) ist um \(1\) kleiner als die des Mutterkerns, die Massenzahl bleibt gleich.
- Die Reaktionsgleichung lautet \(_Z^A{\rm{X}} +\;_{-1}^0{\rm{e^-}} \to\;_{Z-1}^A{\rm{Y}} +\;_0^0{\nu_{\rm{e}}}\)
- Der \(Q\)-Wert berechnet sich mit Atommassen durch \(Q=\left[ m_{\rm{A}}\left( \rm{X} \right)-m_{\rm{A}}\left( \rm{Y} \right)\right] \cdot c^2\)
Starke Wechselwirkung
Grundwissen
- Der starken Wechselwirkung unterliegen nur Teilchen, die eine Farbladung besitzen, also auf Quarks. Es gibt 6 verschiedene Farbladungen: rot, grün, blau, anti-rot, anti-grün und anti-blau.
- Die Botenteilchen der starken Wechselwirkung sind die acht Gluonen. Diese tragen selbst unterschiedliche Farbladungen.
- Es gibt keine freien Quarks, sie finden sich immer in Zweier- oder Dreiergruppen.
Grundwissen
- Der starken Wechselwirkung unterliegen nur Teilchen, die eine Farbladung besitzen, also auf Quarks. Es gibt 6 verschiedene Farbladungen: rot, grün, blau, anti-rot, anti-grün und anti-blau.
- Die Botenteilchen der starken Wechselwirkung sind die acht Gluonen. Diese tragen selbst unterschiedliche Farbladungen.
- Es gibt keine freien Quarks, sie finden sich immer in Zweier- oder Dreiergruppen.
Energiebilanz bei Kernreaktionen
Grundwissen
- Der Q-Wert einer Kernreaktion ist die Summe der nach der Kernreaktion vorliegenden kinetischen Energien und der Anregungsenergie \({E^*}\left({\rm{Y}}\right)\) von \(\rm{Y}\) vermindert um die vor der Reaktion vorliegenden kinetischen Energien.
- Ist der Q-Wert positiv, so ist die Kernreaktion exotherm, ist der Q-Wert negativ, so ist die Kernreaktion endotherm.
- Der Q-Wert lässt sich berechnen als die Differenz der Ruheenergien vor der Reaktion und der Ruheenergien nach der Reaktion: \(Q = \left( {{m_0}\left( {\rm{x}} \right) \cdot {c^2} + {m_0}\left( {\rm{X}} \right) \cdot {c^2}} \right) - \left( {{m_0}\left( {\rm{y}} \right) \cdot {c^2} + {m_0}\left( {\rm{Y}} \right) \cdot {c^2}} \right)\)
Grundwissen
- Der Q-Wert einer Kernreaktion ist die Summe der nach der Kernreaktion vorliegenden kinetischen Energien und der Anregungsenergie \({E^*}\left({\rm{Y}}\right)\) von \(\rm{Y}\) vermindert um die vor der Reaktion vorliegenden kinetischen Energien.
- Ist der Q-Wert positiv, so ist die Kernreaktion exotherm, ist der Q-Wert negativ, so ist die Kernreaktion endotherm.
- Der Q-Wert lässt sich berechnen als die Differenz der Ruheenergien vor der Reaktion und der Ruheenergien nach der Reaktion: \(Q = \left( {{m_0}\left( {\rm{x}} \right) \cdot {c^2} + {m_0}\left( {\rm{X}} \right) \cdot {c^2}} \right) - \left( {{m_0}\left( {\rm{y}} \right) \cdot {c^2} + {m_0}\left( {\rm{Y}} \right) \cdot {c^2}} \right)\)
Energiebilanz beim Beta-Minus-Zerfall
Grundwissen
- Beim Beta-Minus-Zerfall wandelt sich im Mutterkern \(\rm{X}\) ein Neutron in ein Proton um. Gleichzeitig wird ein \(\beta^-\)-Teilchen (Elektron) und ein Anti-Elektron-Neutrino \(\bar \nu_{\rm{e}}\) emittiert. Die Ordnungszahl des Tochterkerns \(\rm{Y}\) ist um \(1\) größer als die des Mutterkerns, die Massenzahl bleibt gleich.
- Die Reaktionsgleichung lautet \(_Z^A{\rm{X}}\to\;_{Z+1}^A{\rm{Y}} +\;_{-1}^0{\rm{e^-}}+\;_0^0{\bar \nu_{\rm{e}}}\)
- Der \(Q\)-Wert berechnet sich mit Atommassen durch \(Q=\left[ m_{\rm{A}}\left( \rm{X} \right)-m_{\rm{A}}\left( \rm{Y} \right)\right] \cdot c^2\)
Grundwissen
- Beim Beta-Minus-Zerfall wandelt sich im Mutterkern \(\rm{X}\) ein Neutron in ein Proton um. Gleichzeitig wird ein \(\beta^-\)-Teilchen (Elektron) und ein Anti-Elektron-Neutrino \(\bar \nu_{\rm{e}}\) emittiert. Die Ordnungszahl des Tochterkerns \(\rm{Y}\) ist um \(1\) größer als die des Mutterkerns, die Massenzahl bleibt gleich.
- Die Reaktionsgleichung lautet \(_Z^A{\rm{X}}\to\;_{Z+1}^A{\rm{Y}} +\;_{-1}^0{\rm{e^-}}+\;_0^0{\bar \nu_{\rm{e}}}\)
- Der \(Q\)-Wert berechnet sich mit Atommassen durch \(Q=\left[ m_{\rm{A}}\left( \rm{X} \right)-m_{\rm{A}}\left( \rm{Y} \right)\right] \cdot c^2\)
Schwache Wechselwirkung
Grundwissen
- Nur Teilchen mit einer von Null verschiedenen schwachen Ladung unterliegen der schwachen Wechselwirkung.
- Die schwache Wechselwirkung wird durch Absorption und Emission von \(W^+\)-, \(W^-\), und \(Z\)-Bosonen vermittelt.
- Alle Materieteilchen besitzen eine schwache Ladung von \(I=+\frac{1}{2}\) oder \(I=-\frac{1}{2}\). In ihrer Darstellung ist das Vorzeichen oft über die Ausrichtung der Spitze bzw. Rundung codiert.
- Von den Botenteilchen haben nur die \(W\)-Bosonen eine schwache Ladung von \(I=\pm 1\).
Grundwissen
- Nur Teilchen mit einer von Null verschiedenen schwachen Ladung unterliegen der schwachen Wechselwirkung.
- Die schwache Wechselwirkung wird durch Absorption und Emission von \(W^+\)-, \(W^-\), und \(Z\)-Bosonen vermittelt.
- Alle Materieteilchen besitzen eine schwache Ladung von \(I=+\frac{1}{2}\) oder \(I=-\frac{1}{2}\). In ihrer Darstellung ist das Vorzeichen oft über die Ausrichtung der Spitze bzw. Rundung codiert.
- Von den Botenteilchen haben nur die \(W\)-Bosonen eine schwache Ladung von \(I=\pm 1\).
Energiebilanz beim Beta-Plus-Zerfall
Grundwissen
- Beim Beta-Plus-Zerfall wandelt sich im Mutterkern \(\rm{X}\) ein Proton in ein Neutron um. Gleichzeitig wird ein \(\beta^+\)-Teilchen (Positron) und ein Elektron-Neutrino \(\nu_{\rm{e}}\) emittiert. Die Ordnungszahl des Tochterkerns \(\rm{Y}\) ist um \(1\) kleiner als die des Mutterkerns, die Massenzahl bleibt gleich.
- Die Reaktionsgleichung lautet \(_Z^A{\rm{X}}\to\;_{Z-1}^A{\rm{Y}} +\;_{1}^0{\rm{e^+}}+\;_0^0{\nu_{\rm{e}}}\)
- Der \(Q\)-Wert berechnet sich mit Atommassen durch \(Q=\left[ m_{\rm{A}}\left( \rm{X} \right)-m_{\rm{A}}\left( \rm{Y} \right)-2 \cdot m_{\rm{e}}\right] \cdot c^2\)
Grundwissen
- Beim Beta-Plus-Zerfall wandelt sich im Mutterkern \(\rm{X}\) ein Proton in ein Neutron um. Gleichzeitig wird ein \(\beta^+\)-Teilchen (Positron) und ein Elektron-Neutrino \(\nu_{\rm{e}}\) emittiert. Die Ordnungszahl des Tochterkerns \(\rm{Y}\) ist um \(1\) kleiner als die des Mutterkerns, die Massenzahl bleibt gleich.
- Die Reaktionsgleichung lautet \(_Z^A{\rm{X}}\to\;_{Z-1}^A{\rm{Y}} +\;_{1}^0{\rm{e^+}}+\;_0^0{\nu_{\rm{e}}}\)
- Der \(Q\)-Wert berechnet sich mit Atommassen durch \(Q=\left[ m_{\rm{A}}\left( \rm{X} \right)-m_{\rm{A}}\left( \rm{Y} \right)-2 \cdot m_{\rm{e}}\right] \cdot c^2\)
Gammaübergang und Gammastrahlung
Grundwissen
- Bei Gammastrahlung handelt es sich um elektromagnetische Strahlung in Form von Gammaquanten.
- Gammastrahlung entsteht, wenn ein Atomkern von angeregtem in einen energetisch günstigeren Zustand übergeht. Dabei ändern sich die Kennzahlen des Kerns nicht.
- Gammastrahlung hat eine sehr große Reichweite, durchdringt alle Materialien und kann nur mit sehr dicken Bleischichten wirkungsvoll abgeschirmt werden.
Grundwissen
- Bei Gammastrahlung handelt es sich um elektromagnetische Strahlung in Form von Gammaquanten.
- Gammastrahlung entsteht, wenn ein Atomkern von angeregtem in einen energetisch günstigeren Zustand übergeht. Dabei ändern sich die Kennzahlen des Kerns nicht.
- Gammastrahlung hat eine sehr große Reichweite, durchdringt alle Materialien und kann nur mit sehr dicken Bleischichten wirkungsvoll abgeschirmt werden.
EINSTEINs Postulate
Grundwissen
- Erstes Postulat (Relativitätsprinzip): Alle Inertialsysteme sind bezüglich aller physikalischen Gesetze gleichberechtigt.
- Zweites Postulat (Konstanz der Lichtgeschwindigkeit): Die Vakuumlichtgeschwindigkeit \(c\) ist in allen Inertialsystemen gleich groß.
Grundwissen
- Erstes Postulat (Relativitätsprinzip): Alle Inertialsysteme sind bezüglich aller physikalischen Gesetze gleichberechtigt.
- Zweites Postulat (Konstanz der Lichtgeschwindigkeit): Die Vakuumlichtgeschwindigkeit \(c\) ist in allen Inertialsystemen gleich groß.
Kernkraft
Grundwissen
- Die Kernkraft basiert auf der starken Wechselwirkung
- Die Kernkraft sorgt bei kleinen Nukleonenabständen von etwa \(0{,}5\,\rm{fm}\) bis \(2{,}5\,\rm{fm}\) für eine Anziehung der Nukleonen und hält somit den Atomkern zusammen.
- Die Kernkraft ist wesentlich stärker als die Gravitationswechselwirkung oder die elektromagnetische Wechselwirkung.
- Für den Radius eines Atomkerns gilt näherungsweise \({{r_k} = 1{,}4 \cdot {10^{ - 15}}\,\rm{m} \cdot \sqrt[3]{A}}\), wo \(A\) die Nukleonenanzahl ist.
Grundwissen
- Die Kernkraft basiert auf der starken Wechselwirkung
- Die Kernkraft sorgt bei kleinen Nukleonenabständen von etwa \(0{,}5\,\rm{fm}\) bis \(2{,}5\,\rm{fm}\) für eine Anziehung der Nukleonen und hält somit den Atomkern zusammen.
- Die Kernkraft ist wesentlich stärker als die Gravitationswechselwirkung oder die elektromagnetische Wechselwirkung.
- Für den Radius eines Atomkerns gilt näherungsweise \({{r_k} = 1{,}4 \cdot {10^{ - 15}}\,\rm{m} \cdot \sqrt[3]{A}}\), wo \(A\) die Nukleonenanzahl ist.
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).
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).
LHC-Closer
Weblink
Informationen rund um das CERN und den LHC: Geschichte, Technik, Anwendungen, Finanzen und vieles mehr. Physikalische Grundlagen (Magnetfeld, Energie und Impuls, Vakuum…) sind ansprechend auf Oberstufenniveau erklärt (mit Formeln).
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