Inhaltsverzeichnis

Inhalt
Inhaltsverzeichnis
Mechanik
ORIENTIERUNG . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
1
Einfache Bewegungen . . . . . . . . . . . . . . 14
1.1
1.1.1
1.1.2
1.1.3
1.1.4
Kinematik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Beschreibung von Bewegungen . . . . . . . .
Geschwindigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Beschleunigung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Geradlinige Bewegung mit konstanter
Geschwindigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Geradlinige Bewegung mit konstanter
Beschleunigung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Freier Fall . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Überlagerung von Bewegungen . . . . . . . .
Gleichmäßig beschleunigte Bewegung .
mit Anfangsgeschwindigkeit . . . . . . . . . .
Wurfbewegungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.1.5
1.1.6
1.1.7
1.1.8
1.1.9
14
14
16
18
Energieerhaltungssatz . . . . . . . . . . . . . . . . 44
Energieformen in der Mechanik . . . . . . . 44
Energieübertragung . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
Impuls . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
Impulserhaltungssatz . . . . . . . . . . . . . . . . 50
Schwerpunktsatz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
Nichtzentrale Stöße . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
19
Sport: Leistung beim Hochsprung . . . . . . 46
Verkehr: Sicherheit in Fahr­zeugen . . . . . . 52
20
21
21
Überblick: Einfache Bewegungen . . . . 58
23
24
2
Kreis- und Drehbewegungen . . . . . . . . . 60
2.1
2.1.1
2.1.2
2.1.3
2.1.4
Kreisbewegungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Geschwindigkeit und Kreisfrequenz . . . .
Zentripetalbeschleunigung . . . . . . . . . . . .
Zentripetalkraft . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Rotierende Bezugssysteme und .
Coriolis-Beschleunigung . . . . . . . . . . . . .
Sport: Zeitmessung . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
Verkehr: Sicherheit im Straßen-
verkehr . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
Forschung: Parabelflug . . . . . . . . . . . . . . . 28
1.2
Dynamik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.2.1 Trägheit und Inertialsystem . . . . . . . . . . .
1.2.2 Masse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.2.3Newton’sche Axiome – Definition .
der Kraft . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.2.4 Addition von Kräften . . . . . . . . . . . . . . . .
1.2.5 Gewichtskraft und freier Fall . . . . . . . . . .
1.2.6 Rücktreibende Kraft elastischer .
Körper . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.2.7 Reibung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.3.2
1.3.3
1.3.4
1.3.5
1.3.6
1.3.7
1.3.8
30
30
31
34
35
38
38
38
60
60
62
62
63
Jahrmarkt: Karussell . . . . . . . . . . . . . . . . 61
Geschichte: Foucault’sches Pendel . . . . . . 66
2.2
2.2.1
2.2.2
2.2.3
2.2.4
2.2.5
Drehbewegungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Rotationsenergie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Trägheitsmoment . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Drehimpuls . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Drehmoment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Drehimpulserhaltungssatz . . . . . . . . . . . .
68
68
69
69
70
71
Grundgrößen: Meter, Kilogramm
und Sekunde . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Bauphysik: Statik am Bau . . . . . . . . . . . .
Sport: Luftwiderstand . . . . . . . . . . . . . . .
Sport: Wie fliegt ein Fußball? . . . . . . . . . .
32
36
40
42
Sport: Saltos und Schrauben . . . . . . . . . . 70
Umwelt: Rotierende Luftmassen . . . . . . . 73
Überblick: Kreis- und Drehbewegungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
1.3
Erhaltungssätze . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
1.3.1 Umwandlung und Transport von .
Energie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
REFLEXION: MECHANIK . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
5
6
Inhaltsverzeichnis
Felder
ORIENTIERUNG . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
3
Gravitation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
3.1
3.1.1
3.1.2
3.1.3
3.1.4
Gravitationsgesetz . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Kepler’sche Gesetze . . . . . . . . . . . . . . . . .
Der Mond als fallender Körper . . . . . . . .
Newton’sches Gravitationsgesetz . . . . . . .
Folgerungen aus der Gravitations- .
theorie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Biologie: Signalübertragung durch
Nervenfasern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118
80
80
82
83
86
Geschichte: Weltbilder vor Newton . . . . 81
Forschung: Gravimetrie . . . . . . . . . . . . . . 84
Forschung: Mikrogravitation . . . . . . . . . 86
3.2
3.2.1
3.2.2
3.2.3
3.2.4
Gravitationsfeld . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Feldkonzept . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Gravitationsfeldstärke . . . . . . . . . . . . . . .
Potenzielle Energie . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Berechnung von Satellitenbahnen . . . . . .
88
88
88
89
93
Umwelt: Gezeiten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
Raumfahrt: Raketenantrieb . . . . . . . . . . . 92
Raumfahrt: Weltraummanöver . . . . . . . . 96
Überblick: Gravitation . . . . . . . . . . . . . 99
4
Elektrische und magnetische Felder . . . . . . . . . . . . . . . 100
4.1
4.1.1
4.1.2
4.1.3
4.1.4
4.1.5
4.1.6
4.1.7
4.1.8
4.1.9
4.1.10
4.1.11
Elektrische Ladung und elektrisches Feld . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Elektrisch geladene Körper . . . . . . . . . .
Elektrische Ladung und Strom- .
stärke . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Kräfte zwischen geladenen Körpern . . .
Elektrisches Feld . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Elektrische Spannung und
Energie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Elektrisches Potenzial . . . . . . . . . . . . . . .
Kondensatoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Kondensatoren in Stromkreisen . . . . . . .
Energie des elektrischen Felds . . . . . . . .
Bestimmung der Elementarladung . . . . .
Bewegung von Ladungsträgern im .
elektrischen Feld . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Technik: Faraday’scher Käfig . . . . . . . . .
Umwelt: Gewitter . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Technik: Fotokopierer . . . . . . . . . . . . . .
Technik: Rauchgasreinigung . . . . . . . . .
4.2
4.2.1
4.2.2
4.2.3
4.2.4
4.2.5
4.2.6
4.2.7
100
100
101
102
103
106
108
110
111
113
114
116
101
104
109
114
Magnetisches Feld . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Felder um stromdurchflossene Leiter . . .
Magnetische Feldstärke . . . . . . . . . . . . .
Lorentzkraft . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Halleffekt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Magnetfeld in einer langen Spule . . . . . .
Materie im magnetischen Feld . . . . . . . .
Bestimmung der Masse geladener .
Teilchen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
119
119
121
122
124
125
125
128
Geophysik: Magnetfeld der Erde . . . . . . 120
Grundgrößen: Ampere und
Elementarladung . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Forschung: Elektromagnetisches
Rühren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Forschung: Massenspektroskopie . . . . .
Umwelt: Polarlicht . . . . . . . . . . . . . . . . .
123
127
128
131
Überblick: Elektrische und magnetische Felder . . . . . . . . . . . . . . . . 134
5
Induktion und Leitungsvorgänge . . . . 136
5.1
Elektromagnetische Induktion . . . . . . . . 136
5.1.1 Induktionsgesetz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136
5.1.2 Folgerungen aus dem Induktions- .
gesetz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139
5.1.3 Selbstinduktion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142
5.1.4 Energie des magnetischen Felds . . . . . . . 145
5.1.5 Wirbelströme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145
Technik: Metalldetektoren . . . . . . . . . . . 137
Technik: Zündanlagen . . . . . . . . . . . . . . 143
Technik: Wirbelstrombremsen . . . . . . . . 146
5.2
Wechselstromkreis . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.2.1 Wechselstrom und Wechsel- .
spannung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.2.2 Ohm’scher Widerstand . . . . . . . . . . . . . .
5.2.3 Nichtohmsche Bauelemente . . . . . . . . . .
5.2.4 Leistung im Wechselstromkreis . . . . . . .
5.2.5 Einfache Schaltungen . . . . . . . . . . . . . . .
148
148
150
151
153
154
Technik: Drehstrommotor . . . . . . . . . . . 149
Technik: Fernleitung elektrischer
Energie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151
Inhalt
5.3
5.3.1
5.3.2
5.3.3
5.3.4
5.3.5
5.3.6 5.3.7 5.3.8 5.3.9 Elektrische Leitungsvorgänge . . . . . . . .
Halbleiter und Metalle . . . . . . . . . . . . . .
Bändermodell der Festkörper . . . . . . . .
p- und n-Leitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Der p-n-Übergang . . . . . . . . . . . . . . . . .
Transistoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Integrierte Schaltkreise . . . . . . . . . . . . . .
Supraleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Leitung in Flüssigkeiten . . . . . . . . . . . . .
Leitung in Gasen . . . . . . . . . . . . . . . . . .
157
157
157
159
160
164
165
167
169
170
Technik: Solarzellen . . . . . . . . . . . . . . . . 161
Technik: Leuchtdioden . . . . . . . . . . . . . . 163
Technik: Datenspeicher . . . . . . . . . . . . . 166
Forschung: Grenzen der
Miniaturisierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168
Forschung: Nanoteilchen:
mesoskopische Systeme . . . . . . . . . . . . . 172
Überblick: Induktion und Leitungsvorgänge . . . . . . . . . . . . . . . . . 176
REFLEXION: FELDER . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178
Schwingungen und Wellen
ORIENTIERUNG . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 180
6
Schwingungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182
6.1
Mechanische Schwingungen . . . . . . . . . .
6.1.1 Kenngrößen und Beschreibung .
einer Schwingung . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.1.2 Harmonische Schwingungen . . . . . . . . .
6.1.3 Nichtharmonische Schwingungen . . . . .
6.1.4 Energie harmonischer .
Schwingungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.1.5 Gedämpfte harmonische .
Schwingungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.1.6 Erzwungene Schwingungen und .
Resonanz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.1.7 Überlagerung von harmonischen .
Schwingungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Taktgeber . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203
Rundfunktechnik: Schwingungen in
Sendeanlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 205
182
182
183
186
186
187
6.3
6.3.1
6.3.2
6.3.3
Schwingungen und Chaos . . . . . . . . . . . .
Deterministisches Chaos . . . . . . . . . . . .
Bifurkation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Diagramme chaotischer .
Schwingungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
206
206
207
208
Überblick: Schwingungen . . . . . . . . . . 212
7
Wellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 214
7.1
7.1.1
7.1.2
7.1.3
7.1.4
7.1.5
7.1.6
Mechanische Wellen . . . . . . . . . . . . . . . .
Entstehung mechanischer Wellen . . . . . .
Ausbreitung mechanischer Wellen . . . . .
Überlagerung von Wellen . . . . . . . . . . . .
Stehende Wellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Huygens’sches Prinzip . . . . . . . . . . . . . .
Beugung, Reflexion und Brechung . . . .
189
192
Geophysik: Seismometer . . . . . . . . . . . . 183
Bauphysik: Schwingungen von
Bauten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 188
Verkehr: Schwingungsdämpfer . . . . . . . 191
Tontechnik: Klanganalyse . . . . . . . . . . . 194
6.2
Elektromagnetische Schwingungen . . . . .
6.2.1 Schwingungen in einem .
Schwingkreis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.2.2 Ungedämpfte Schwingungen . . . . . . . . .
6.2.3 Gedämpfte Schwingungen . . . . . . . . . . .
6.2.4 Erzwungene Schwingungen .
und Resonanz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.2.5 Rückkopplung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.2.6 Überlagerung von Schwingungen . . . . .
Zeitmessung: Schwingquarze als
195
195
196
197
198
201
202
Verkehr: Verkehrssteuerung . . . . . . . . . . 198
Tontechnik: Mikrofon und
Lautsprecher . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 200
214
214
215
217
219
221
223
Biologie: Ultraschall bei Tieren . . . . . . . 215
Umwelt: Meereswellen . . . . . . . . . . . . . . 220
Geophysik: Seismische Wellen . . . . . . . . 225
7.2
7.2.1
7.2.2
7.2.3
7.2.4
7.2.5
Akustik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Schallsignale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Ausbreitung des Schalls . . . . . . . . . . . . .
Wahrnehmung des Schalls . . . . . . . . . . .
Reflexion von Schallwellen . . . . . . . . . . .
Brechung, Beugung und Interferenz .
von Schallwellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
226
226
226
227
229
230
7
8
Inhaltsverzeichnis
7.2.6 Dopplereffekt und Überschall . . . . . . . . 231
Musik: Stehende Wellen an
7.3.6 Informationsübertragung mit .
elektromagnetischen Wellen . . . . . . . . . . 246
7.3.7 Elektromagnetisches Spektrum . . . . . . . 252
Musikinstrumenten . . . . . . . . . . . . . . . . 228
Medizin: Sonografie . . . . . . . . . . . . . . . . 232
Biologie: Das menschliche Ohr . . . . . . . 234
7.3
Elektromagnetische Wellen . . . . . . . . . .
7.3.1 Entstehung von Radiowellen . . . . . . . . .
7.3.2 Ausbreitungsgeschwindigkeit von .
Radiowellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7.3.3 Maxwell’sche Theorie . . . . . . . . . . . . . . .
7.3.4 Eigenschaften von Radiowellen . . . . . . .
7.3.5 Ausbreitung von Radiowellen . . . . . . . .
Geschichte: Geschichte der
Informationsübertragung . . . . . . . . . . . .
Technik: Mikrowellenherd . . . . . . . . . . .
Technik: Radar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Technik: Digitalisierung . . . . . . . . . . . . .
Forschung: Synchrotronstrahlung . . . . .
Technik: Wie funktioniert
Fernsehen? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
236
236
238
239
242
244
240
243
245
247
250
254
Überblick: Wellen . . . . . . . . . . . . . . . . 258
REFLEXION: SCHWINGUNGEN UND WELLEN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 260
Quantenobjekte und Struktur der Materie
ORIENTIERUNG . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 262
8
Licht . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 264
8.1
Klassische Optik . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8.1.1 Geschwindigkeit des Lichts . . . . . . . . . .
8.1.2 Fermat’sches Prinzip, Reflexion und
Brechung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8.1.3 Farbe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8.1.4 Wellenmodell des Lichts . . . . . . . . . . . . .
8.1.5 Interferenz am Doppelspalt . . . . . . . . . .
8.1.6 Interferenz am Gitter . . . . . . . . . . . . . . .
8.1.7 Beugung am Einfachspalt . . . . . . . . . . .
8.1.8 Interferenz an dünnen Schichten . . . . . .
8.1.9 Michelson-Interferometer . . . . . . . . . . .
8.1.10 Polarisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8.1.11 Kohärenz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
264
264
Umwelt: Halos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Grundgrößen: Lichtgeschwindigkeit . . .
Technik: Farbmischung . . . . . . . . . . . . .
Technik: TFT-Bildschirme . . . . . . . . . . .
265
267
272
278
8.2
Lichtquanten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8.2.1 Wechselwirkung von Licht mit .
Materie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8.2.2 Fotoeffekt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8.2.3 Quantenhafte Emission von Licht . . . . .
8.2.4 Impuls von Photonen . . . . . . . . . . . . . . .
8.2.5 Compton-Streuung . . . . . . . . . . . . . . . .
281
266
268
268
269
270
271
273
275
276
279
281
282
284
286
286
Forschung: Nachweis von Photonen . . . 284
Astronomie: Strahlungsdruck . . . . . . . . 288
8.3
8.3.1
8.3.2
8.3.3
8.3.4
8.3.5
8.3.6
8.3.7
8.3.8
Intensität von Licht: der Zeigerformalismus . . . . . . . . . . . . . .
Modelle vom Licht . . . . . . . . . . . . . . . .
Konstruktion des Zeiger- .
formalismus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Interferenz am Doppelspalt . . . . . . . . . .
Beugung am schmalen Spalt . . . . . . . . .
Beugung am breiten Spalt . . . . . . . . . . .
Intensitätsoptimierung . . . . . . . . . . . . . .
Interferenz am Mehrfachspalt . . . . . . . .
Optische Abbildung . . . . . . . . . . . . . . . .
290
290
290
290
294
297
299
299
302
Technik: Optische Beschichtung . . . . . . . 292
Technik: Holografie . . . . . . . . . . . . . . . . 300
Forschung: Auflösungsvermögen
optischer Instrumente . . . . . . . . . . . . . . . 306
Überblick: Licht . . . . . . . . . . . . . . . . . 310
9
Quantenphysik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 312
9.1
9.1.1
9.1.2
9.1.3
9.1.4
9.1.5
Quantenobjekte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Wahrscheinlichkeitsdeutung . . . . . . . . . .
Quanteninterferenz . . . . . . . . . . . . . . . . .
Verschränkung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Elektronen als Quantenobjekte . . . . . . .
Neutronen, Atome und Moleküle . . . . .
312
312
312
314
315
319
Inhalt
Forschung: Elektronenmikroskop . . . . . 313
Forschung: Teleportation . . . . . . . . . . . . 316
9.2
9.2.1
9.2.2
9.2.3
Elemente der Quantenmechanik . . . . . . .
Materiewellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Interferenz von Materiewellen . . . . . . . .
Heisenberg’sche Unbestimmtheits- .
relation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
strahlung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 364
Forschung: Freie-Elektronen-Laser . . . . 366
320
320
321
Überblick: Atome . . . . . . . . . . . . . . . . . 370
323
11
Kerne und Elementarteilchen . . . . . . . 372
Forschung: Rastertunnelmikroskop . . . . 324
Überblick: Quantenphysik . . . . . . . . . 327
10
Atome . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 328
10.1 Entwicklung der Atommodelle . . . . . . . .
10.1.1 Entstehung des Atombegriffs in .
der antiken Philosophie . . . . . . . . . . . . .
10.1.2 Rutherford’sches Atommodell . . . . . . . .
10.1.3 Linienspektren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
10.1.4 Energieniveaus in Atomen . . . . . . . . . . .
10.1.5 Bohr’sches Atommodell . . . . . . . . . . . . .
Medizin: Diagnose mit Röntgen-
328
328
330
332
333
333
11.1
11.1.1
11.1.2
11.1.3
11.1.4
11.1.5
Radioaktivität . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Nachweis radioaktiver Strahlung . . . . . .
Arten radioaktiver Strahlung . . . . . . . . .
Symbolschreibweise . . . . . . . . . . . . . . . .
Aktivität und Zerfallsgesetz . . . . . . . . .
Wechselwirkung von Strahlung mit .
Materie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
11.1.6 Messgrößen des Strahlungsschutzes . . .
11.1.7 Biologische Wirkung ionisierender
Strahlung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
337
337
339
342
Geschichte: Fraunhofer’sche Linien . . . 340
Technik: Anwendung der
378
381
382
Umwelt: Bestrahlung von
Lebensmitteln . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Forschung: Altersbestimmung . . . . . . . .
Medizin: Radioaktive Strahlung in
der Medizin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Umwelt: Belastung durch
ioniserende Strahlung . . . . . . . . . . . . . .
373
376
11.2 Aufbau der Atomkerne . . . . . . . . . . . . . .
11.2.1 Kernbausteine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
11.2.2 Massendefekt und .
Bindungsenergie . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
11.2.3 Tröpfchenmodell des Kerns . . . . . . . . . .
11.2.4 Schalen- und Potenzialtopfmodell .
des Kerns . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
386
386
Forschung: Spektralanalyse . . . . . . . . . . 329
Technik: Atomuhren . . . . . . . . . . . . . . . . 334
10.2 Energieabsorption . . . . . . . . . . . . . . . . . .
10.2.1 Franck-Hertz-Experiment . . . . . . . . . . .
10.2.2 Resonanzabsorption und Resonanz- .
fluoreszenz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
10.2.3 Fluoreszenz und Phosphoreszenz . . . . .
372
372
374
375
375
380
384
388
388
390
Fluoreszenz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 343
Geschichte: Entdeckung des
10.3
10.3.1
10.3.2
10.3.3
10.3.4
10.3.5
10.3.6
Atommodell der Quantenphysik . . . . . . .
Schrödingergleichung . . . . . . . . . . . . . . .
Modell des linearen Potenzialtopfs . . . .
Tunneleffekt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Wasserstoffatom . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Orbitale und Quantenzahlen . . . . . . . . .
Periodensystem der Elemente . . . . . . . .
344
344
345
347
348
349
351
Umwelt: Farbstoffe . . . . . . . . . . . . . . . . 350
10.4
10.4.1
10.4.2
10.4.3
Laser- und Röntgenstrahlung . . . . . . . . .
Laserstrahlung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Eigenschaften von Röntgenstrahlung . .
Spektrum der Röntgenstrahlung . . . . . .
Forschung: Femtosekundenlaser . . . . . .
Forschung: Laserdiode . . . . . . . . . . . . . .
Forschung: Kristallstrukturanalyse . . . .
354
354
359
361
356
358
360
Neutrons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 387
11.3
11.3.1
11.3.2
11.3.3
11.3.4
11.3.5
11.3.6
11.3.7
Kernumwandlungen . . . . . . . . . . . . . . . . .
Arten radioaktiven Zerfalls . . . . . . . . . .
Natürliche Zerfallsreihen . . . . . . . . . . . .
Künstliche Kernumwandlungen . . . . . . .
Kernspaltung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Kettenreaktion und Energiebilanz . . . . .
Kernfusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Kernreaktoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
392
392
394
395
396
397
400
402
Geophysik: Der Naturreaktor
von Oklo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Geschichte: Das »Manhattan Project« .
Technik: Moderne Kernkraftwerke . . . .
Energie: Fusionsreaktoren . . . . . . . . . .
399
400
402
405
9
10
Inhaltsverzeichnis
11.4
11.4.1
11.4.2
11.4.3
Elementarteilchenphysik . . . . . . . . . . . .
Standardmodell . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Wechselwirkungen . . . . . . . . . . . . . . . . .
Vielfalt und Ordnung im .
Teilchenzoo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Forschung: Kosmische Strahlung . . . . .
Forschung: Der »Large Hadron
406
406
411
413
408
Collider« . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 410
Forschung: Detektoren in der
Teilchenphysik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 415
Überblick: Kerne und Elementarteilchen . . . . . . . . . . . . . . . . 418
REFLEXION: QUANTENOBJEKTE UND STRUKTUR DER MATERIE . . . . . . . . . . . . . . . . . 420
Relativität und Astrophysik
ORIENTIERUNG . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 422
12
Relativitätstheorie . . . . . . . . . . . . . . . . 424
12.1
12.1.1
12.1.2
12.1.3
12.1.4
Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Relativbewegungen . . . . . . . . . . . . . . . . .
Lichtgeschwindigkeit . . . . . . . . . . . . . . .
Äthertheorie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Einstein-Postulate . . . . . . . . . . . . . . . . .
12.2
12.2.1
12.2.2
12.2.3
12.2.4
12.2.5
12.2.6
12.2.7
424
424
424
425
427
Forschung: Gravitationswellen-
detektor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 446
Überblick: Relativitätstheorie . . . . . . 451
Technik: Satellitennavigation . . . . . . . . . 425
Geschichte: Relativität und
13
Astrophysik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 452
Elektrodynamik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 428
13.1
13.1.1
13.1.2
13.1.3
13.1.4
13.1.5
Unser Stern: die Sonne . . . . . . . . . . . . . .
Sonne und Sonnensystem . . . . . . . . . . . .
Zustandsgrößen der Sonne . . . . . . . . . . .
Sonnenatmosphäre . . . . . . . . . . . . . . . .
Sonnenaktivität . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Innerer Aufbau der Sonne . . . . . . . . . . .
Relativistische Kinematik . . . . . . . . . . . .
Gleichzeitigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Zeitdilatation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Längenkontraktion . . . . . . . . . . . . . . . . .
Addition von Geschwindigkeiten . . . . . .
Koordinaten-Transformation . . . . . . . . .
Minkowski-Diagramme . . . . . . . . . . . . .
Raumzeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
429
429
429
430
433
434
435
437
Zeit: Zwillingsparadoxon . . . . . . . . . . . 431
Forschung: Myonen . . . . . . . . . . . . . . . . 432
Technik: Atomuhrenvergleich . . . . . . . . 438
12.3
12.3.1
12.3.2
12.3.3
12.3.4
12.4.3 Krümmung der Raumzeit . . . . . . . . . . . 448
Relativistische Dynamik . . . . . . . . . . . . .
Relativität der Masse . . . . . . . . . . . . . . .
Masse-Energie-Beziehung . . . . . . . . . . .
Relativistische Energie . . . . . . . . . . . . . .
Energie-Impuls-Beziehung . . . . . . . . . . .
439
439
440
442
442
Forschung: Relativistische Effekte
in Teilchenbeschleunigern . . . . . . . . . . . 440
Elemente der Allgemeinen Relativitätstheorie . . . . . . . . . . . . . . . . . . 444
12.4.1 Gravitationsfeld und Relativität . . . . . . . 444
12.4.2 Experimentelle Belege . . . . . . . . . . . . . . 445
452
452
453
454
455
456
Umwelt: Sonne, Leben, Energie . . . . . . 453
Geschichte: Solare Neutrinos . . . . . . . . . 457
13.2 Physik der Sterne . . . . . . . . . . . . . . . . . .
13.2.1 Helligkeiten und Entfernungen der .
Sterne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
13.2.2 Zustandsgrößen der Sterne . . . . . . . . . .
13.2.3 Hertzsprung-Russell-Diagramm . . . . . .
13.2.4 Sternentstehung und Stern- .
entwicklung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
460
460
461
464
466
Forschung: Entfernungs-
bestimmung von Sternen . . . . . . . . . . . . 462
Forschung: Bedingungen für
Leben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 466
Forschung: Altersbestimmung von
Sternen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 471
12.4
13.3 Großstrukturen im Kosmos . . . . . . . . . . . 472
13.3.1 Milchstraßensystem . . . . . . . . . . . . . . . . 472
13.3.2 Außergalaktische Sternsysteme . . . . . . . 473
Inhalt
13.3.3 Kosmologie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 474
Überblick: Astrophysik . . . . . . . . . . . . 479
Forschung: Quasare . . . . . . . . . . . . . . . . 475
Forschung: Entwicklung des Kosmos . . 476
REFLEXION: RELATIVITÄT UND ASTROPHYSIK . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 480
14
Thermodynamik . . . . . . . . . . . . . . . . . 482
14.1 Grundlagen der Thermodynamik . . . . . .
14.1.1 System und Gleichgewicht . . . . . . . . . . .
14.1.2 Absolute Temperatur und .
Gasgesetze . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
14.1.3 Erster Hauptsatz der Thermo- .
dynamik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
14.1.4 Energiebilanzen bei Zustands- .
änderungen von Gasen . . . . . . . . . . . . . .
14.1.5 Reale Gase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
14.1.6 Entropie und Zweiter Hauptsatz der
Thermodynamik . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
14.1.7 Entropieerzeugung als »Antrieb« . . . . . .
Technik: Wärmepumpen . . . . . . . . . . . . 496
Technik: Erzeugung tiefer
482
482
483
485
486
487
488
490
Temperaturen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 499
14.3 Kinetische Gastheorie . . . . . . . . . . . . . . .
14.3.1 Mikroskopische Deutung .
der Gasgesetze . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
14.3.2 Mechanische Deutung von Druck .
und Temperatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
14.3.3 Geschwindigkeit von Teilchen . . . . . . . .
14.3.4 Ausgleichsvorgänge: Diffusion und .
Osmose . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
14.3.5 Verdunstung und Mischung . . . . . . . . . .
14.3.6 Wahrscheinlichkeit und Information . . .
Umwelt: Temperaturschichtung . . . . . . . 483
Geschichte: Wärmetod . . . . . . . . . . . . . . 489
Umwelt: Dissipative Strukturen . . . . . . 492
14.2
14.2.1
14.2.2
14.2.3
14.2.4
14.2.5
Wärmekraftmaschinen und Kreisprozesse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Entropie und Wärmekraft- .
maschinen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Carnot’scher Wirkungsgrad von .
Wärmekraftmaschinen . . . . . . . . . . . . .
Kühlschrank und Wärmepumpe . . . . . .
Absoluter Nullpunkt und Dritter .
Hauptsatz der Thermodynamik . . . . . . .
Stirlingmotor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
493
493
493
496
500
500
502
504
505
506
Umwelt: Warum ist unsere
Lufthülle stabil? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 503
Technik: Osmosekraftwerk . . . . . . . . . . . 506
14.4 Gesetze der Wärmestrahlung . . . . . . . . . 510
14.4.1 Strahlungs- und Energiehaushalt .
der Erde . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 510
14.4.2 Strahlungseigenschaften von .
Körpern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 511
14.4.3 Die Erde im Strahlungsgleich- .
gewicht . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 513
14.4.4 Treibhauseffekt der Atmosphäre . . . . . . 514
497
497
Technik: GuD-Kraftwerke . . . . . . . . . . 494
500
Umwelt: Versiegt der Golfstrom? . . . . . 514
Überblick: Thermodynamik . . . . . . . . 520
M
Methoden der Physik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 522
M1
M2
M3
Experimente und ihre Auswertung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 522
Modelle in der Physik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 528
Mathematische Funktionen und Verfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 530
Register . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 547
11