1 Physikalische Grundbegriffe

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Physikalische Grundbegriffe
Um die Voraussetzungen der physikalischen Kenntnisse in den nächsten Kapiteln zu
erfüllen, werden hier die dafür notwendigen Grundbegriffe1 wie das Atom, das Proton,
das Elektron, das Plasma, das elektrische und magnetische Feld, der elektrische Strom
und die magnetische Flasche bzw. Spiegelmaschine erläutert: Ein Atom2, die
Basiseinheit normaler Materie, setzt sich aus einem Atomkern und einer Atomhülle
zusammen. Der Atomkern3 besitzt fast die gesamte Masse des Atoms und besteht
wiederum aus zweierlei Kernteilchen ungefähr gleicher Masse und Größe, den positiv
geladenen Protonen (mit der Ladung +e n) und den neutralen Neutronen.
Dieser massereiche, positive Atomkern wird von sog. Orbitalen umgeben, das ist eine
Zone der Aufenthaltswahrscheinlichkeit der negativ geladenen Elektronen (mit der
Ladung -e) der Atomhülle4. Die Masse der Elektronen ist um ein vielfaches geringer als
die des Atomkerns.
Durch Energieeinwirkung kann ein Atom einen energetisch höheren Zustand
einnehmen bzw. ein höheres Energieniveau erreichen. Dabei verändert sich die Gestalt
der Orbitale und das Atom wird als angeregt bezeichnet. Wird durch die
Energieeinwirkung mindestens ein Elektron vom Atom abgetrennt, spricht man von
einer Ionisierung. Da jedes neutrale Atom der Elemente immer aus gleich vielen
Protonen und Elektronen bestehen muß, ist jedes ionisierte Atom dem mindestens ein
Elektron fehlt positiv geladen und wird dann als Ion bezeichnet.
1
Zu den Grundbegriffen vgl. besonders:
WOLFGANG FINKLENBURG, Einführung in die Atomphysik. 11. u. 12. Aufl.. Berlin, Heidelberg, New York 1967, S. 8 ff
2
Zum Atom vgl. besonders:
PAUL A. TIPLER, Physik. Heidelberg, Berlin, Oxford 1994, S. 1265 ff
3
Zum Atomkern vgl. besonders:
CHRISTIAN GERTHSEN, Physik. Ein Lehrbuch zum Gebrauch neben Vorlesungen. 8. Aufl.. Berlin, Göttingen, Heidelberg, New
York 1964, S. 454 ff
4
Zur Atomhülle vgl. besonders:
JAY OREAR, Physik. München, Wien 1989, S. 590 ff
GERTHSEN, a. a. O., S. 420 ff
Beim Erreichen eines energetisch tieferen Zustandes bzw. Niveaus gibt das Atom
einen Energiebetrag in Form von elektromagnetischer Strahlung, z. B. Lichtquanten
(Photonen) ab. Um so größer die Energieeinwirkung bei einer Anregung bzw. beim
Erreichen eines höheren Energieniveaus ist, desto größer ist auch der freigesetzte
Energiebetrag beim Wiedererlangen des ursprünglichen Energieniveaus und um so
energetischer ist damit auch die freigesetzte elektromagnetische Strahlung, z. B. in Form
von Licht.
Besteht ein Gas aus diesen Ionen und Elektronen, so ist es elektrisch leitfähig und
wird in diesem ionisierten, thermisch hoch energetischen Zustand als Plasma5
bezeichnet. Das Plasma ist also neben der festen, flüssigen und gasförmigen die vierte,
und damit ionisierte Zustandsform der Materie (Aggregatzustand).
In der elektromagnetischen Theorie der Materie treten zwei grundsätzlich
verschiedene Felder auf, das elektrische und das magnetische Feld. Wie schon vorher
besprochen, können Teilchen eine Ladung besitzen. Das Auftreten eines dieser Felder
bedeutet eine Krafteinwirkung auf die darin befindlichen, geladenen Teilchen.
Ein elektrisches Feld6 wird durch die Anwesenheit von geladenen Teilchen
hervorgerufen. Das so erzeugte Feld E übt auf geladene Teilchen der Ladung q
wiederum eine Kraftwirkung F aus, die gegeben ist durch
F = q E .7
[1]
Grundlegend anders und um einiges komplexer ist die Kraft im Magnetfeld8. Das
Magnetfeld übt auf geladene Teilchen nur dann eine Kraft aus, wenn diese bewegt sind
5
Zum Plasma vgl. besonders:
D. R. NICHOLSON, Indroduction to Plasma Theory. New York 1983, S. 4 ff
RUDOLF KIPPENHAHN/CLAUS MÖLLENHOFF, Elementare Plasmaphysik. Göttingen 1973, S. 1 ff
6
Zum elektrischen Feld vgl. besonders:
OREAR, a. a. O., S. 290 ff
GERTHSEN, a. a. O., S. 171 ff
TIPLER, a. a. O., S. 627 ff
7
Vgl. KLAUS HÜBNER, Einführung in die Plasmaphysik. Darmstadt 1982, S. 5
8
Zum magnetischen Feld vgl. besonders:
OREAR, a. a. O., S. 335 ff
GERTHSEN, a. a. O., S. 218 ff
TIPLER, a. a. O., S. 812 ff
(mit der Geschwindigkeit v). Dann ist die Kraftwirkung F im Magnetfeld B (sog.
Lorentz-Kraft) gegeben durch,
F = qv × B ,9
[2]
was
bedeutet,
daß
der
Vektor
der
Kraftwirkung
F
senkrecht
zum
Geschwindigkeitsvektor v und zum Magnetfeldvektor B ist (Vektorprodukt oder
Kreuzprodukt).
Das Auftreten eines Magnetfeldes ist immer mit dem Auftreten von elektrischen
Strömen verbunden. Ströme bedeuten den Transport von Ladungen, d. h. die Sromdichte
j ist gegeben durch
j = -e n v,
[3]
wobei e die Elementarladung, n die Teilchendichte und v die Geschwindigkeit ist.
Im Magnetfeld B erfahren geladene Teilchen eine Beschleunigung, die senkrecht auf
B und der Geschwindigkeit v ist. Dies bedeutet, daß sich die geladenen Teilchen entlang
der Magnetfeldlinien schraubenförmig bewegen bzw. um sie gyrieren10.
Zum Verständnis der in dieser Arbeit beschriebenen Prozesse ist die Kenntnis der
Spiegelmaschine bzw. magnetischen Flasche11 von großer Bedeutung. Diese
Spiegelmaschine ist eine Konfiguration, in der das Magnetfeld sich örtlich in der Stärke
ändert. In einem Dipolfeld beispielsweise ist die Feldstruktur derart, daß die
Magnetfeldlinien zu den Polen hin konvergieren bzw. zusammenlaufen. In einer solchen
Konfiguration bleibt die Gesamtenergie der geladenen Teilchen erhalten,
E = (½)m(v2senkrecht + v2parallel) = const,
[4]
9
Vgl. HÜBNER, a. a. O., S. 6
10
Vgl. NICHOLSON, a. a. O., S. 17 ff
11
Zur magnetischen Flasche vgl. besonders:
HÜBNER, a. a. O., S. 27 ff
NICHOLSON, a. a. O., S. 17 ff
BERGMANN/SCHÄFER, Lehrbuch der Experimentalphysik. Erde und Planeten. Bd. 7. Berlin, New York 1997, S. 546 ff
wobei vsenkrecht und vparallel die Komponenten der Geschwindigkeit senkrecht (Gyration
bzw. Kreisbewegung um die Feldlinie) und parallel (Oszillation bzw. Bewegung längs
der Feldlinie) zum Magnetfeld sind. Die Lorentz-Kraft, vgl. Gl. [2], wirkt immer gegen
die Richtung des zunehmenden Magnetfeldes. Bewegt sich nun ein Teilchen mit der
Geschwindigkeit vparallel längs des Magnetfeldes in Richtung zunehmender Stärke, so
wächst die Gyrationsgeschwindigkeit vsenkrecht ständig an. Dabei steigt auch
(½)mv2senkrecht an, was so lange möglich ist, bis (½)mv2parallel aus der letzten Gl. [4]
verschwindet, deshalb vparallel = 0 wird, so daß das Teilchen stehend die Magnetfeldlinien
umkreist, sich wieder rückwärts bewegt und die Magnetfeldkonfiguration deshalb nicht
verlassen kann. Die genaue örtliche Position dieses Reflexion- oder Spiegelpunktes ist
abhängig vom sog. Pitch-Winkel12 bzw. Eintrittswinkel des Teilchens, d. i. der Winkel
zwischen dem Geschwindigkeitsvektor v und der Magnetfeldrichtung B.
Dies ist der Mechanismus, der bewirken kann, daß Teilchen in einer
Magnetfeldkonfiguration gefangen sind und an den beiden Enden immer wieder
gespiegelt werden, daher auch die Namen magnetische Flasche und Spiegelmaschine.
12
Zum Pitch-Winkel vgl. besonders:
NICHOLSON, a. a. O., S. 25 ff