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Kurs 1: Die Energie


Jeder kennt sie, jeder nutzt sie. Aber kennen wir sie wirklich? Energie ist nicht nur das was aus der Steckdose kommt, sie ist viel komplexer und ohne sie würde nichts existieren.

Alles besteht aus Energie, alle Zustände bestehen aus Energie. Egal ob etwas still steht, dieser Zustand verwendet Energie, denn Energie kann niemals verbraucht werden. Sie ist immer da. Warum das so ist erkläre ich gleich.

Es gibt unterschiedliche Arten von Energie: Es gibt elektrische Energie, Wärmeenergie, Lageenergie, Bewegungsenergie, Spannungsenergie, innere Energie und Strahlungsenergie.

Auf einige davon möchte ich genauer eingehen, die elektrische Energie setze ich als Allgemeinwissen voraus


Lageenergie
Als Lageenergie bezeichnet man den für uns optischen Zustand in dem sich ein Gegenstand nicht mehr bewegt, also stillsteht. Nehmen wir mal eine Flasche Bier die wir auf den Esstisch stellen. Sie steht und tut sonst nichts oder? Falsch, sie kämpft kontinuierlich mit der Schwerkraft. Diesen energetischen Zustand nennen wir „Lageenergie“ oder "Potenzielle Energie"


Bewegungsenergie
Sie ist das Gegenteil zur Lageenergie. Die Lageenergie ist kein fester Zustand, sie kann sich schnell in Bewegungsenergie umwandeln. Etwa wenn irgendein Vollidiot gegen den Tisch rempelt und die Flasche vom Tisch haut ohne sich zu entschuldigen. Dann sind wir sauer, laufen vielleicht rot an und verbrauchen Wärmeenergie Die benötigte Energie um einen Gegenstand zu bewegen ist abhängig von seiner Masse, etwa seinem Gewicht. Um eine Minirakete mit dem Gewicht von 1000 Kg. zu bewegen benötigen wir also die Kraft F (engl. Force). Wiegt die Rakete hingegen 3000 Kg benötigen wir die Kraft F x 3 und so weiter. Klingt einfach? Stimmt, aber leider ist es doch etwas schwieriger.
Bleiben wir bei unserem Raketenbeispiel, in der bildlichen Physik immer sehr hilfreich und weit verbreitet Die Kraft F ( hier für 1000 Kg. ) reicht also um die Rakete zu bewegen, aber wie weit soll es denn nun sein? Dieser Faktor fehlt in der Gleichung. Nehmen wir als Maßstab den verbrauchten Treibstoff. Legen wir als Distanz für die verwendete Kraft mal 1 Km fest. Die Kraft F reicht also um unsere 1000 Kilo Rakete einen Kilometer weit zu bewegen. Danach ist Ende. Soll sie aber 2 Km weit fliegen benötigen wir logischerweise die doppelte Energiemenge, also F x 2
Nun haben wir aber ja auch noch die 3000 Kilo Rakete die wir über 2 Km befördern wollen. Dadurch wird die Gesamtformel etwas größer und fast komplett.
Für die bloße Bewegung der 3000 Kilo Rakete mussten wir 3 x so viel Kraft aufwenden wie für die 1000 Kilo Rakete, also F x 3 Nun kommt die doppelte Distanz hinzu, also noch mal x2.
Insgesamt ergibt das dann in diesem Fall eine benötigte Bewegungsenergie von
Bewegungsenergie = ( F (Kraft) x 3 ) x 2 (Distanz)

Die Allgemeinformel ist dann W = F x s

„W“ steht für engl. „work“ und „s“ für die Distanz. In obigem Beispiel war uns nur die Kraft F für die 1000 Kilo Rakete bekannt, deshalb musste F noch einmal zusätzlich verdreifacht werden.


Spannungsenergie
Wir wissen nun also dass jeder Zustand Energie benötigt. Die Spannungsenergie ist eigentlich eine Art Bewegungsenergie auf Kredit. Beispiel ist ein Bogenschütze. Um den Bogen mit dem Pfeil zu spannen benötigt er wieder die Kraft F. Diese Kraft F überträgt sich beim loslassen auf den Pfeil und von da aus wird sie zur Bewegungsenergie.


Wärmeenergie
Wärmeenergie entsteht aus Bewegungsenergie (laufen, Reibung etc.), Verbrennung oder Absorption anderer Energie in Form von Strahlung. Strahlung kann andere Energie erhitzen, wie etwa die Sonne.


Innere Energie
Wie Einstein in seiner speziellen Relativitätstheorie feststellte besteht alles aus Energie. Ein Stoff benötigt Energie um seine Atome am Platz zu halten. Diese Energie nennt sich „innere Energie“. Die innere Energie lässt sich sehr leicht durch die anderen Energieformen verändern wie wohl jeder weiß, etwa durch das Erhitzen von Wasser. Hier wird der inneren Energie noch Wärmeenergie hinzugefügt.


Strahlungsenergie
Strahlenenergie hat viel mit anderen Energieformen gemein, insbesondere der Bewegungs- und Wärmeenergie. Strahlungsenergie besteht aus kleinen Teilchen beziehungsweise winzig kleinen Paketen. Diese nennen sich Photonen.
Der Strahlungsenergie wird vom menschlichen Gehirn eine Frequenz zugeordnet, diese kann bei unterschiedlichen Lebewesen variieren. Unsere Augen und Ohren nehmen die Frequenz von Objekten war und leiten diese an das Gehirn weiter. Das Gehirn, unser mehr oder weniger weit entwickelter Supercomputer (bei einigen halt mehr bei anderen weniger ), wandelt diese Frequenzen dann in Bilder oder Töne um. Die Augen selber sehen und die Ohren hören eigentlich nichts. Je nachdem welche Frequenzen eine Spezies wahrnehmen kann nimmt sie auch die Umwelt wahr. So kann der Mensch die Hundepfeife nicht hören, der Hund aber sehr wohl. Wir sehen Dinge in Farbe, Hunde nicht. Durch technische Hilfsmittel lassen sich diese Frequenzen aber dennoch registrieren und in uns verständliche Form umwandeln.


So, nun sind also die unterschiedlichen Energietypen bekannt, also geht es weiter zu einem weit verbreiteten Irrtum: Energie könne verbraucht werden. Das ist aber definitiv und absolut total falsch. Energie wird niemals verbraucht, sie wird nur umgewandelt. Energie kann nicht verbraucht werden. Ein wie ich finde sehr gutes Beispiel sind Solarzellen. Sie speichern Strahlungs- und Wärmeenergie ab und wandeln sie in elektrische Energie um. Sie verbrauchen diese aber nicht!
Die innere Energie eines Brennstoffes wird unter anderem in Wärmeenergie umgewandelt. Also niemals und unter gar keinen Umständen vergessen, das ist eine ganz entscheidende Tatsache



Bis hierhin sollte es für alle noch verständlich sein. Im nächsten Abschnitt erfolgen dann jedoch diverse Formeln für die unterschiedlichen Energietypen. Da wird es leider etwas mathematisch, denn Physik ist ohne Mathematik nicht möglich. Das ist sehr schade da ich Mathe hasse wie die Pest


Formeln der einzelnen Energieformen

Wie einige vielleicht schon erkannt haben hat diese Formel ein Problem: Sie geht davon aus dass die Energie schon bei 100% steht und sich nicht mehr verändert. In den meisten Fällen muss dieser Zustand aber erst erreicht werden und schon greift die Gleichung nicht mehr voll und bedarf einer Spezialisierung.
Im Folgenden werden wir untersuchen wie wir die benötigte Energie berechnen um von 0 auf 100% zu kommen. Hierfür benötigen wir beispielsweise die Formel der Spannenergie.


Spannenergie / Bewegungsenergie

Die Formel W = F * s lässt sich wie ein Rechteck betrachten dessen Fläche wir berechnen. Die Formel ist vom Aufbau her die selbe. Steigt die Energie nun gleichmäßig, d.h. linear an verwandeln wir das Rechteck in ein Dreieck und bedienen uns dieser Formel. Ganz einfach



W = 1/2 D * s^2 ( das ^2 bedeutet "hoch 2" oder "zum Quadrat" )

D ist dabei eine spezifische Größe, je nachdem was gespannt werden soll. Ein Bogen hat einen anderen Wert D als eine Spiralfeder usw. Das selbe Prinzip lässt sich wie angedeutet auch auf die Bewegungsenergie übertragen. Nur gelten hier andere Variablen: Die Masse m des Gegenstandes und die zu erreichende Geschwindigkeit v.
Also sieht die Variante der Bewegungsenergie so aus:

W = 1/2 m * v^2

Wollen wir also wissen wie viel Energie ein Auto verbraucht um von 0 auf x kmh zu kommen und diese über x km zu halten sähe die Kombination so aus:
W = ( F * s ) + ( 1/2 m * v^2 )

Hier geht es nun um Einsteins Relativitätstheorie und ihre wissenschaftliche Bedeutung. Ich werde einmal versuchen die Grundlagen möglichst verständlich zu formulieren und auf dazugehörige Gleichungen verzichten.
Einsteins Theorie ist äußerst komplex und immerhin sein Lebenswerk, deshalb ist folgendes auch nur als eine Einführung zu verstehen. Und zwar in die "Spezielle Relativitätstheorie" von 1905 die nur bei konstanten Bewegungen gilt. Beschleunigungen sind nicht berücksichtigt. Sie ist also über 100 Jahre alt und besitzt immer noch Gültigkeit. Erstaunlich oder? Durch die Einbeziehung solcher Bedingungen entstand später die, komplexere, "Allgemeine Relativitätstheorie", die unser Verständnis von Raum und Zeit ein weiteres mal veränderte.
Nun aber zur Sache :gamer:

Kurs 2: Einsteins Relativitätstheorie

Einstein und viele andere Wissenschaftler suchten und suchen nach einer "Weltformel", mit der sich alle Dinge und Ereignisse wissenschaftlich beschreiben und erklären ließen. Ohne Erfolg. Warum das nicht möglich ist geht in Ansätzen aus der Relativitätstheorie heraus. Die Kernaussage und auch Einsteins Fazit: Alles ist relativ zueinander. Doch was genau das heißt erkläre ich am Ende.

Es ist unmöglich schneller zu reisen als das Licht.
Die maximal erreichbare Geschwindigkeit beträgt daher 0,999999....fache Lichtgeschwindigkeit, ganz egal wie stark ein Antrieb auch sein mag. Selbst unendliche Energie würde nicht reichen. Aber warum?

Energie besitzt ein eigenes Gewicht.
Das ist natürlich winzig, aber je mehr Energie einem Objekt zugeführt wird um so schwerer wird es. Das lässt sich sogar mittels empfindlicher Geräte nachweisen. Wird also zum Beispiel ein Raumschiff mit Unmengen von Energie vollgepumpt um Lichtgeschwindigkeit zu erreichen wird es auch immer schwerer und es kommt zu einer Art Endlosschleife. Es wird schwerer und braucht mehr Energie um schneller werden zu können. Die neue Energie macht es aber wiederum schwerer usw. usf. Deshalb ist es unmöglich. Das erscheint eine gewagte und zunächst nicht nachweisbare Theorie zu sein, doch wurde sie bereits bestätigt. Ein Elektron, das leichteste uns bekannte Teilchen, wurde so sehr mit Unmengen an Energie beschleunigt das es, rechnerisch, schon nach wenigen Zentimetern Lichtgeschwindigkeit erreicht haben müsste. Doch auch nach drei Kilometern hatte es das nicht, es blieb konstant bei 0,999...
Und es wurde immer schwerer. Bei Abbruch des Versuches war es tatsächlich 40.000 mal so schwer! Energie besitzt also wirklich ein Eigengewicht.

Zeit ist relativ und eine von uns Menschen entwickelte abstrakte Größe.
Sie verläuft nicht überall gleich, sogar auf der Erde gehen Uhren an unterschiedlichen Orten anders. Das ist natürlich derartig minimal das wir es im Alltag vernachlässigen können. In größerem Maßstab, also zum Beispiel auf anderen Planeten oder im Weltall, wird dieser Zeitunterschied wesentlich dramatischer. Aber warum? Auch hier spielt die Geschwindigkeit eine entscheidende Rolle, nahe an der Lichtgeschwindigkeit würden Uhren, im Vergleich zu unseren, viel langsamer laufen. Während also SG1 mit beinahe Lichtgeschwindigkeit eine ( ihrer ) Stunden durch das All schippert würde für uns auf der Erde mehr Zeit vergehen. Deshalb sind Befehle wie "melden Sie sich in einer Stunde" nicht möglich. Wessen Stunde? Erdenzeit? Dann müssten die Uhren der SG Teams anders eingestellt werden. Hie liegt also einer der physikalischen Fehler der Serie.
Dieser Umstand wurde anhand radioaktiver Teilchen bewiesen, selbige zerfallen mit unabänderlicher Geschwindigkeit. Sie wurden an die Geschwindigkeitsgrenze beschleunigt und tatsächlich: Sie zerfielen aus unserer Sicht langsamer ( in einem Test 30 mal langsamer ). Jemand der mit Beinahelichtgeschwindigkeit reist würde also, wieder aus unserer Sicht, langsamer altern. Für ihn oder sie würde die Zeit jedoch ganz normal weiterlaufen. Also eine art indirekte Reise in die Zukunft Zeit ist deshalb relativ.

Geschwindigkeit.
Einstein hatte das Talent sich für uns alltägliche Dinge unter anderen Gesichtspunkten zu betrachten, so auch die Geschwindigkeit. Beispiel: Ein Auto fährt konstant 100 kmh. Einstein überlegt sich: Tut es das wirklich? Fährt es wirklich vorwärts? Wirkt es nicht nur der Bewegung seiner Umwelt / der Erdumdrehung entgegen? Wenn es in Richtung dieser fährt müsste es, von außerhalb der Erde betrachtet, sogar viel schneller reisen, also: Eigengeschwindigkeit + Tempo der Erde. Sehr anschaulich lässt sich das anhand einer Zugreise betrachten. Wir sitzen am Fenster eines im Bahnhof stehenden Zuges, neben uns steht ein anderer und vom Bahnhof selber ist nichts zu sehen. Wir sehen nur den Zug und haben in diesem Beispiel einfach mal nicht die Fähigkeit Erschütterungen etc. zu spüren. Der Zug neben uns fährt nun los, für uns sieht es aber so aus als würden wir fahren. Wir brauchen daher etwas zum abgleichen, etwa einen Bahnsteig. Aber fährt wirklich der andere Zug in die Richtung von uns weg? Oder entfernen wir uns nicht in Wirklichkeit, durch die Erdbewegung, von ihm? Das Gleiche lässt sich wiederum auf die Bewegung der Erde zu anderen Planeten und der Sonne übertragen. Bewegt sich wirklich die Erde oder der Raum um uns herum? Wir wissen es nicht und es ist unwahrscheinlich das wir es jemals wirklich erfahren werden. Auch Geschwindigkeit ist also relativ.

Nur wenn sich alle Objekte um uns herum mit gleicher Geschwindigkeit zueinander bewegen sind die Ergebnisse von Laborexperimenten, aus unserer Sicht, wahr und unverfälscht. Ein Versuch, durchgeführt an Bord einer fliegenden Concorde, würde für die Leute an Bord zum bekannten Ergebnis führen. Doch würden sie von denen eines Bodenlabors bei einem späteren Vergleich abweichen.

6) Alles besteht aus eingeschlossener Energie. Die Stabilität, das Gewicht und die Eigenschaften von Materie sind abhängig von der Energiemenge aus der sie bestehen bzw. die sie eingeschlossen haben. Sie wird zusammengehalten durch Anziehungs- und Abstoßungskräfte ihrer kleinsten Teilchen sowie äußeren Einflüssen, zum Beispiel Hitze. Wird einem Gegenstand Energie in Form von Hitze zugeführt so verändert sich dieses Gleichgewicht und er kann beispielsweise schmelzen. Dieser Gedanke, das alles aus eingeschlossener Energie besteht, führte unter anderem zum Bau der Atombombe. Im Grunde leben wir innerhalb einer riesigen Batterie

Fazit: Nichts ist absolut, sondern alles ist relativ zueinander. Daher auch der Name

Kurs 2b) Einsteins allgemeine Relativitätstheorie


Die „Allgemeine Relativitätstheorie“ erweitert die „Spezielle“ um genauere Betrachtungen von Raum und Zeit, kurz: „Raumzeit“ ( na, wer hat den Begriff schon gehört? )
Wir wissen also nun dass die Zeit an anderen Orten anders verläuft als auf der Erde und das sie durch die Geschwindigkeit beeinflusst wird. Wir wissen dass es nicht möglich ist schneller als das Licht zu reisen. Wir wissen dass Energie ein spezifisches, unabänderliches Gewicht besitzt und Objekte durch das Hinzufügen von Energie schwerer werden. Und hier setzen wir nun an.

Die Zeit wird durch Masse „verändert“.
Je näher wir uns an der Erde befinden desto geringer ist ihre Abweichung von der unsrigen Zeit auf der Erde. In der Nähe anderer Planeten oder Himmelskörper geht sie jedoch schon wieder anders als im leeren Raum, aber trotzdem nicht so wie auf der Erde. Warum? Weil sie für gewöhnlich nicht die exakt gleiche Masse besitzen.

Welche Auswirkungen hat das auf Bewegungen im umliegenden Raum?
Unter Umständen ganz erhebliche! Nehmen wir zwei identische Objekte die auf ihrem Weg zum Jupiter die Erde auf perfektem Parallelkurs zueinander passieren. Sie bewegen sich mit 100% identischer Geschwindigkeit und es gibt zwischen ihnen keinerlei noch so winzigen Unterschied. Teilchen A passiert die Erde in 100.000 und Teilchen B in 150.000 Kilometern Entfernung. Kommen sie zeitgleich an? Nein. Teilchen A wird stärker durch die Zeitverzerrung in Erdnähe beeinträchtigt als Teilchen B. Sie können sich also unmöglich weiterhin parallel zueinander bewegen.

"Was soll’s? Kommen sie halt zu unterschiedlichen Zeitpunkten beim Jupiter an…"
Auch wieder falsch, denn Erde, Jupiter und Co sind auch in Bewegung. Teilchen A wird von der Masse der Erde angezogen und kommt also vom Kurs ab. Dumm gelaufen für Teilchen A ( verflixte Erde ) Wie im Folgenden zu sehen ist wird diese Abweichung aber noch etwas komplexer


Für Einstein bedeutete dies dass sich Zeit verzerren lässt. Wenn eine Atomuhr auf der Erde nach 24 Stunden gestoppt würde wären an einem Ort im leeren Raum abseits der Erde zum Beispiel erst 23 Stunden vergangen ( willkürlich von mir gewählte Zeit ). Einstein stellte also fest: Teilchen werden zu dem Punkt mit der größten Zeitverzerrung gezogen, sie beeinflusst ihre Richtung.

Masse verändert den sie umgebenden Raum.
Stellen wir uns zwei Bleikugeln vor. Kugel A besitzt eine Masse an Teilchen bzw. Energie ( Gewicht ) von 5 Kilo, Kugel B von nur 3 Kilo. Beide werden auf die Oberfläche eines Swimmingpools gelegt und losgelassen. Kugel A erzeugt aufgrund ihrer größeren Masse einen stärkeren Sog in das Wasser als Kugel B ( diese Art von Sog die Passagiere eines untergehenden Schiffes schneller mit in die Tiefe reißt als ihr eigenes Gewicht verursachen würde ). Sie verzerren den sie umgebenden Raum ( Wasser ). Je näher sich der Raum ( das Wasser ) an der Kugel befindet umso stärker wird es verzerrt. Mit Himmelskörpern ist es genau so. Würde in der Nähe von Kugel A gleichzeitig ein Luftballon aufsteigen entsteht ein noch größeres Chaos im Raum. Also ist auch der Raum veränderbar.


Früher wurde so etwas einfach als „Gravitation“ bezeichnet. Einstein stellte jedoch fest das es wesentlich komplizierter ist und sowohl die Zeitverzerrung als auch die Raumverzerrung den Kurs eines Teilchens beeinflussen. Sie sind in der modernen Wissenschaft untrennbar miteinander verbunden und deshalb spricht man von „Raumzeit“. Die Verzerrungen nennt man eine „Krümmung der Raumzeit“. Da Himmelskörper eine unterschiedliche Masse besitzen ist die Raumzeit im Grunde überall anders und alle Messungen müssen immer vor dem Hintergrund der lokalen Raumzeitkrümmung betrachtet werden. Sie sind also wieder relativ.



Das ist so die grobe Zusammenfassung der „Allgemeinen Relativitätstheorie“. Ich finde dass letztere nicht ohne die „Spezielle Relativitätstheorie“ zu verstehen ist. Ich hoffe alle hier haben das Geschriebene halbwegs verstanden und nun geht die Diskussion hoffentlich erst richtig los. Denkt wie Einstein: „Was wäre wenn…“

So far

Kurs 3: Die Kernphysik


Ich selber finde die Kernphysik nicht so wahnsinnig komplex und ich denke es wird den Meisten von Euch ähnlich gehen. Ansonsten natürlich fleißig fragen und diskutieren

Als erstes müssen wir einige Begriffe klären, ohne die es einfach nicht geht. Wie bei der Relativitätstheorie ist es besorgniserregend wie viele Leute im Alltag mit Begriffen und Pseudowissen um sich schmeißen ohne eine Ahnung zu haben wovon sie eigentlich reden. In diesem Falle geht es zunächst um


Das Atom
Was ist eigentlich ein Atom? Erschreckend viele glauben ein Atom sei das kleinste aller Teilchen. Aber unter uns SciFi Anhängern ist es bestimmt bekannt: Das ist Blödsinn
Ein Atom besteht aus anderen, kleineren Teilchen: Den Elektronen, Neutronen und Protonen. Es besitzt einen positiv geladenen Kern und ein paar Groupies aus negativ geladenen Elektronen die es umkreisen. Der Kern besteht aus einem Knäuel von Protonen und Neutronen. Die Protonen sind entscheidend dafür um welche Art des Stoffes es sich handelt.
Das Gleichgewichtsverhältniss innerhalb des Atoms ist sehr wichtig, sonst wird es instabil und zerfällt. Dabei entsteht etwas potentiell sehr gefährliches: Radioaktive Strahlung.



Radioaktivität
Ein Atom zerfällt immer gleichmäßig, es gibt keine Ungleichmäßigkeiten. Anmerkungen dazu finden sich im Thread über die Relativitätstheorie. Deshalb lässt sich genau vorhersagen wann ein Stoff zerfallen sein wird und es ist möglich eine gemeinsame Maßeinheit zu finden: Die Halbwertzeit. Die Halbwertzeit gibt den Zeitraum an den ein Stoff braucht um, Überraschung, auf die Hälfte seiner Atom(kerne) zu zerfallen. Diese Daten können im Periodensystem eingesehen werden.
Man unterscheidet dabei in Alpha- Beta- und Gammastrahlung.


1) Alphastrahlung
Sie ist potentiell die für uns gefährlichste Strahlung. Jedenfalls theoretisch, denn in der Praxis ist der Mensch von Haus aus geschützt. Die menschliche Haut reicht dafür aus. Bei dem dazugehörigen Zerfallsprozess verringert sich die Masse des Atomkerns um zwei Protonen und um zwei Neutronen.

2) Betastrahlung
Auch hier unterscheiden wir wieder in Beta-minus und Beta-plus Zerfall. Beim Beta-minus Zerfall zerfällt ein Neutron in ein Elektron, ein Proton und ein Antineutrino. Um sich vor ihr schützen zu können bedarf es eines zusätzlichen Schutzes neben der Haut.
Beim Beta-plus Zerfall zerfällt ein Proton in ein Positron, ein Neutron und ein Neutrino. Die Wirkung ist aber im Prinzip identisch.

3) Gammastrahlung
Vorraussetzung für eine Gammastrahlung ist die Alpha- oder Betastrahlung beziehungsweise der dazugehörige Zerfallsprozess. Dabei befindet sich der Atomkern in einem hochenergetischen Zustand und es werden starke elektromagnetische Wellen ausgesendet. Die Gammastrahlung ist die in der Praxis für uns tödlichste Strahlung da es eines massiven Schutzes bedarf um nicht von ihr betroffen zu werden.

Was ist eine Verstrahlung? Vereinfacht ausgedrückt schädigen die beim radioaktiven Zerfall eines Stoffes abgegebenen Teilchen die körpereigene Struktur, so als würde man mit einer Axt durch ein Stück Butter schlagen und die zwei Hälften anschließend mit Matsch auffüllen. Absolut ungenießbar danach und sie wird immer ungenießbarer je öfter sich der Prozess wiederholt. Und wenn sie dann endgültig verkorkst ist landet sie auf dem Müll beziehungsweise in einem strahlensicheren Sarg. So in etwa

Doch sind die Kernspaltung und Radioaktivität auch nützlich und zwar nicht nur um andere Menschen und Städte zu Asche zu verbrennen
Aufgrund ihres immer gleichmäßigen Zerfalls ergeben radioaktive Stoffe die genaueste Zeitmessung von allen. In der Medizin wäre die Röntgenstrahlung zu nennen, in der Alltagsphysik etwa die Nutzung radioaktiver Stoffe zur Stromerzeugung. Aber wie man es auch dreht und wendet, Radioaktivität ist extrem gefährlich.

Für eine Kernspaltung bedarf es eines spaltbaren Materials, so weit ich weiß stehen nur Plutonium-239 oder Uran-235 zur Auswahl, ich mag mich aber irren.
Bei einer Kernspaltung wird eine Kettenreaktion in Gang gesetzt. Um einen Atomkern zu spalten bedarf es stark erhitzter Neutronen (siehe Atomaufbau) die auf das zu spaltende Atom "abgefeuert" werden. Bei einer Atombombe üblicherweise TNT. Durch die Kollision der erhitzten Neutronen mit dem Atom wird dessen Gleichgewicht gestört und es zerfällt, es wird also gespalten. Dabei entsteht Hitze. Die nun erhitzten Teilchen des gespaltenen Atoms treffen wiederum auf andere Atome, spalten sie und so weiter. Bei einer Atombombe wird eine möglichst lange, unkontrollierte Kettenreaktion angestrebt. In einem Kernkraftwerk wird diese sorgfältig überwacht, denn wenn sie außer Kontrolle geraten sollte hat das Umfeld ein ernsthaftes Problem

Die Kernfusion steckt noch in den Kinderschuhen, Teilchen werden hier nicht gespalten sondern verschmolzen, das ist wesentlich sicherer. Leider ist der für diesen Prozess benötigte Energieaufwand derzeit noch größer als der Energiegewinn.
Auf Kernwaffen möchte ich an dieser Stelle nicht weiter eingehen, was nicht bedeuten soll das ich etwas gegen eine Diskussion über sie habe. Aber das driftet sehr schnell in weltanschauliche Auseinandersetzungen ab, also bleiben wir lieber bei der physikalischen Funktion dieser Waffen falls wir darüber sprechen sollten. Hitzige oder emotionale Beiträge zu Kernwaffen werde ich ohne Vorankündigung löschen


Dank unseres verehrten Forenmitglieds "Nym" wurde mir etwas Arbeit erspart, die folgende Lehrstunde ist sein Werk. Also danken wir ihm dafür

Isotope:
Wie oben ja schon angesprochen, bestehen Atome aus Protonen, Elektronen, und Neutronen.
Protonen sind verantwortlich dafür, was für ein Element das Atom darstellt.
Elektronen müssen genauso viel vorhanden sein wie Protonen, da ein Atom elektrisch neutral ist (ist es das nicht, spricht man von einem Ion)
So, in was kann sich nun ein Stoff noch unterscheiden?
Richtig, die Neutronen, die elektrisch, wen wunderts, neutral sind.
Hier sind wir schon beim Begriff der Isotope:
Es gibt von (fast) allen Elementen verschiedene Isotope. D.h. Jedes Teilchen eines Elements kann - in begrenztem Maßstab - unterschiedlich viele Neutronen besitzen.
Gibt es zu viele, oder zu wenig Neutronen in einem Kern, ist dieser instabil und zerfällt. (-> Siehe Radioaktivität).

Bekannte Beispiele:
Die Isotope des Wasserstoffs:
0 Neutronen: Wasserstoff
1 Neutron: Deuterium
2 Neutronen: Tritium (-instabil)

Kohlenstoff:
6 Neutronen: 12C, der weit über 90% des Kohlenstoffs der Erde stellt
7 Neutronen: 13C, nur ~1% des Kohlenstoffs der Erde; uninteressant
8 Neutronen: 14C, 10^(-10)% des Kohlenstoffs der Erde, zerfällt mit einer Halbwertszeit von etwas über 5000 Jahren. Mit seiner Hilfe ist die Radiocarbonmethode (auch C14-Methode) zur Altersbestimmung organischer Substanzen möglich.

Ach ja, bei der Radioaktivität haben wir in der Schule die radioaktiven Strahlen so gelernt:
Alpha:
Reichweite: 8-10 cm
Abschirmung: reicht ein Blatt Papier
Gefahr:
Von außen keine, da die Haut gut abschirmt, nimmt man allerdings einen Alpha-Strahler zu sich ist das sehr gefährlich, da die Teilchen eine hohe Energie besitzen (z.B. radioaktiver Staub)

Beta:
Reichweite: Mehrere Meter
Abschirmung: Ca. ein halber cm Plexiglas
Gefahr: Klein, da geringe Reichweite und nicht sehr viel Energie (!= ungefährlich!!!!)

Gamma:
Reichweite: Unendlich, allerdings mit 1/l² abnehmend (doppelte Entfernung, ein Viertel der Strahlung)
Abschirmung: 10cm Blei oder mehrere Meter Wasser (->Wasserbecken in AKWs)
Gefahr: Groß; zwar nicht viel Energie, dafür enorme Reichweite

Photonen

Sonderform der Strahlung: Licht
Entsteht unter anderem, wenn Atome angeregt werden:
Kriegt ein Atom mehr Energie, springen die Elektronen auf eine Schale (~Umlaufbahn um den Kern) die etwas weiter außen ist -mehr Energie = instabiler. Fällt der Energiezuschuss ab, so kann das Elektron seine äußere Position nicht mehr halten und fällt auf die ursprüngliche Position zurück. Dabei wird ein Photon frei.
Photonen können unterschiedlich viel Energie besitzen, was uns dann als verschiedene Farben auffällt (wenig Energie: Rot-Blau -> Ultra Violett(UV) sehr energiereich)
Und noch etwas:
Licht ist zwar etwas alltägliches, und hat keine Assoziation mit etwas gefährlichem wie Radioaktivität, ist aber trotzdem nicht zu unterschätzen. Schon mal nen Sonnenbrand gehabt? Da hat die Haut zu viel Energie in Form von den ultravioletten Strahlen des Sonnenlichts abgekriegt, und daran sind einige Hautzellen gereizt worden (Rotfärbung der Haut) oder gleich abgestorben (die Haut schuppt). Ziemlich das Selbe passiert bei einer Überdosis radioaktiver Strahlung, nur sehr viel heftiger.

"Nym" hat uns noch einmal mit einem Artikel beglückt, also danket ihm und lernt

Ionen

Ionen sind die gefährlichsten unberechenbarstenund überhaupt die extremsten Teilchen die es gibt - jedenfalls wenn man dem Sci-Fi oder Leuten die keine Ahnung haben glaubt. So führen z.B. bei Star Trek die "Ionenstürme" zu massiven Schäden und die Ionenkanone ist in vielen Serien eine beliebte und starke Waffe.

So, Schluss mit dem Humbug, back to reality. Bei Ionen handelt es sich um elektrisch geladene Atome oder Moleküle, man unterscheidet zwischen zwei Ionentypen: Den Atomionen und den Molekülionen und zwei Ladungsrichtungen, positiv und negativ. Das Ziel eines jeden Elements ist es die so genannte Edelgaskonfiguration zu erreichen, d.h. dass auf der äußersten Schale genau acht Elektronen sind. Bei den Atomen haben das genau sechs Atome, die sechs Edelgase (Ausnahme Helium, das hat nur zwei, hier schwer zu erklären, da schafft
die äußerste Schale nicht mehr). Da diese Elektronenkonfiguration so energetisch günstig ist, reagieren Edelgase, oder Teilchen mit Edelgaskonfiguration sehr schwer bis gar nicht.
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Anionen
Negativ geladene Ionen, entstehen meistens aus Nichtmetallen. Es werden Elektronen aufgenommen und es entsteht ein Protonendefizit.

Kationen
Positiv geladene Ionen, entstehen meistens aus Metallen. Durch das Abgeben von Elektronen entsteht ein Überschuss an Protonen.
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Atomionen
Atomionen sind Atome bei denen die Ladung (Protonen - Elektronen) nicht ausgeglichen ist und somit das gesamte Teilchen geladen ist. Dies geschieht indem einem Atom entweder ein Elektron (negativ geladen) entzogen (Kation), oder dazugegeben (Anion) wird. Passiert dies,
so spricht man von einem [Elementnamen einsetzen]-ion (Die Protonen bleiben unverändert da sonst der Elementname vertauscht werden müsste).
In der Praxis ist zwar zwischen Atom und Ion bei der Schreibweise nur ein minimaler Unterschied (zwischen Cl und Cl- - Chlor und Chlorid/bzw. dem "Chlor-ion") Allerdings reagieren sie komplett anders. Des Weiteren sind Ionen ein täglicher Bestandteil unseres Lebens und ich wette jeder von euch hat in den letzten Tagen massenweiße Ionen zu sich genommen.

Die zwei Ionen die ich hier im speziellen anspreche entstehen bei der Reaktion von Natrium und Chlor, einmal ein hochaggressives Metall und ein giftiges Halogen. nach der Reaktion bleibt ein Stoff übrig, der von der Gefährlichkeit der Ausgangsmaterialien nicht mehr ahnen lässt: KOCHSALZ, Natriumchlorid, NaCl, bestehend aus Na+ + Cl-, zwei Ionen. (Energetischer Rückbezug: Cl hat 7 Valenzelektronen, Cl- hat eins mehr - deswegen einmal negativ geladen - und somit die Edelgaskonfiguration. Na+ hat dieses Elektron gespendet, somit die äußerste Schale abgebaut und auf der verbleibenden äußeren nun genau 8 Valenzelektronen)


Molekülionen
Eigentlich das gleiche wie Atomionen, nur das hier nicht ein Atom geladen ist sondern ein komplettes Molekül (mehrere zusammenhängende Atome)

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In der Physik gibt es für Ionen mehrere Einsatzbereiche, zwei davon erkläre ich hier:

Der Ionenantrieb
Beim Ionenantrieb nutzt man die Eigenschaft von Ionen, dass sie geladen sind (wow). Das Prinzip ist das gleiche wie bei den konventionellen Raketentriebwerken, das so genannte Rückstoßprinzip. Die Rakete hat in sich Ionen gelagert und die werden mit Hilfe elektrischer Felder (wären es Atome würde sie das Feld nicht im geringsten interessieren) beschleunigt. Die Teilchen rasen hinten mit einer extremen Geschwindigkeit raus und die Rakete wird nach vorne geschoben. Das heutige Problem dieser Antriebe ist ihr Wirkungsgrad:
Eine Rakete hat eine extrem große Masse, einzelne Ionen hingegen sind sehr leicht (dafür aber zahlreich). Laut der Impulserhaltung muss die Masse der Rakete multipliziert mit ihrer Geschwindigkeit gleich dem Produkt aus der Masse aller Ionen und ihrer Geschwindigkeit sein.
Einfacher: Eine große Rakete soll möglichst schnell fliegen also müssen die Ionen noch um ein vielfaches schneller sein. Des Weiteren ist für den Betrieb dieser Triebwerke eine große Energiemenge nötig um die Teilchen zu beschleunigen. Sie wird heute durch Solarzellen gewonnen, die allerdings noch nicht sehr effektiv sind.


Das Plasma
Plasma ist schon wieder etwas, was man als Sci-Fi Fan sofort mit einer Plasmakanone einem Plasmawerfer oder sonstigem Zeug in Verbindung bringt. Wieder falsch Plasma ist eigentlich nichts anderes als ein Gas, das teilweise ionisiert wurde (energiereicher <-> Plasma wird auch als vierter Aggregatszustand bezeichnet) - also eins dessen einzelne Teilchen mehr freie Elektronen haben als normal.

Vorkommen:
Plasma gibt es auf der Erde kaum in natürlichen Vorkommen, im Weltraum besteht so ziemlich alles aus Plasma.

Entstehung:
Plasma kann man auf der Erde durch verschiedene Arten künstlich herstellen.

Thermisch:
- Man erhitzt einen Stoff extrem. Dadurch bewegen sich die einzelnen Teilchen schneller und manche Elektronen werden ausgestoßen.
Elektrisch:
- Man legt an einen unterbrochenen Stromkreis eine Spannung an. Ist die Spannung groß genug, wird die Luft zwischen den zwei Enden ionisiert; Plasma entsteht, der Stromkreis wird durch die nun leitende Luft geschlossen. Kommt euch bekannt vor? Jup, das ist ein Blitz
- Durch Mikrowellenstrahlung kann Gasen Energie hinzugefügt werden die dann zu Plasma werden. So kann z.B. aus einer Streichholzflamme ein ordentlicher "Plasmaball" werden. Kling nach "viel Energie" benötigt? Nö Kann man, sollte man aber nicht, auch in einer Mikrowelle machen (hab ich trotzdem schon mal )


Verwendungszweck:
Vielleicht haben manche von euch daheim einen PlasmaTV. Auch hier ist Plasma im Einsatz. Die Funktionsweise ist ziemlich kompliziert, ich versuch das hier einfach mal so einfach wie möglich zu erklären: In einer abgeschlossenen Kammer ist ein Edelgas in einer extrem niedrigen Konzentration (fast ein Vakuum). Durch Energie in Form von Strom wird dieses Gas zu Plasma. Fällt nun die Spannung ab so gibt das Gas UV Strahlen ab die ein Material an der Rückwand dazu anregen für uns sichtbares Licht abzustrahlen.

Auch für die Fusionstechnik ist Plasma unerlässlich. Die Materialien die bei der Fusion verbraucht werden müssen im Plasmazustand sein damit sie verschmelzen. Auch hier gibt es heutzutage noch große Probleme: Der Energieaufwand um das Gas in diesen Zustand zu bringen ist extrem hoch und wenn es diesen Zustand erreicht hat muss man schauen dass das Plasma möglichst nichts berührt, da dies über 100 Millionen °C heiß ist.

Kurs 4: Die Quantenphysik / Quantenmechanik

Nun kommen wir zum vorerst wohl letzten Thema: Der Quantenphysik.

Was ist die Quantenphysik?
Bei der Quantenphysik handelt es sich um eine der revolutionärsten Entdeckungen der modernen Physik und sie zählt neben der Relativitätstheorie zu den bedeutendsten Aspekten der Physik des 20. Jahrhunderts. Zwar hat sie nun seit ihrer Geburt schon knapp 100 Jahre auf dem Buckel, die dramatischsten Entdeckungen und Möglichkeiten sind aber noch relativ frisch und eröffnen uns eine völlig neue Welt. „SciFi light“ lässt hier grüßen ( mehr dazu später ). Und genau da liegt ein Problem mit dem auch ich mich noch nicht so ganz anfreunden konnte Trotzdem versuche ich es mal zu erklären, ist halt eine Einführung


"Die Quantenphysik basiert auf dem geordneten Chaos"

Das ist ein Schlagsatz den ich mir als Einführung überlegt habe. Ich hatte ja schon angedeutet dass es in der Quantenphysik ein Problem gibt: Die konventionelle Physik wie wir sie nun kennengelernt haben greift hier nicht mehr. Uns bekannte absolute Regeln haben keine absolute Bedeutung mehr, die Relativitätstheorie ist eine Ausnahme, typisch Einsteinsches Genie halt



Bislang kennen wir physikalische Abläufe im Rahmen von festen Gesetzen die schon per Definition des Wortes Gesetz immer zum selben Ergebnis führen müssen. Jemand wird wegen seiner Verbrechen zu lebenslanger Haft verurteilt? Das sind mindestens 15 Jahre bevor es zu einer Bewährung kommen kann. Immer.

Die Quantenphysik nimmt solche Gesetzmäßigkeiten oberflächlich betrachtet nicht so genau, unsere Vorstellung von physikalischen Gesetzmäßigkeiten wird in der Quantenphysik über den Haufen gerannt! Trotzdem kann man Gesetze und Gleichungen aufstellen die auch hier gellten. Würde ich aber in so einer Mikrowelt leben würde ich mich sehr verunsichert fühlen. Wie sehen also physikalische Vorgänge in der Quantenphysik aus?

Nehmen wir mal O´Neill Er hat ein neues Navigationssystem für seinen Pick up gekauft und reist vom Stargatecenter nach Washington. Normalerweise würde er den schnellsten, also meist direkten Weg fahren. Nun verlässt er sich aber auf sein Navigationssystem mit aktiver Staubeachtung, Baustellenwarnungen und so weiter. Senator Kinsey möchte ihn unterwegs mal wieder belästigen und wartet an einem üblichen Knotenpunkt auf der Strecke. Nun weiß er aber nichts von O´Neills neuem Navigationssystem und wartet vergeblich. Denn O´Neill hat einen ganz anderen Weg genommen

Treffen klassische Physik und Quantenphysik aufeinander ist es ähnlich. Ein erfahrener Physiklehrer führt einen Versuch durch den er schon 100x gemacht hat und der immer gleich ablief. Ein Quantenphysiker würde wohl sagen: Der Typ hat noch mal Glück gehabt. Denn nun passiert es unserem Lehrer dass der Versuch plötzlich anders abläuft. Er versucht es also noch einmal und nun läuft der Versuch schon wieder anders ab als für ihn bekannt ist. Er versucht es 45 Minuten lang aber er erhält stets einen immer anderen Ablauf. Die Schüler finden das total lustig und unser armer Physiklehrer steht mit rotem Gesicht und runtergelassenen Hosen da. Peinlich, peinlich, der gute Ruf ist ruiniert und die Schule hat einen vermeintlichen Trottel mehr.
Aber: Das Risiko ist gering, denn spürbar sind diese Abläufe eigentlich nur auf kleinster Ebene.
Wie konnte das passieren?

In dem uns bislang bekannten Atommodel haben wir den Kern und die um ihn herum fliegenden Elektronen. So sehen wir es auf den bekannten Abbildungen von Warnschildern und so fort.
In der Quantenphysik bewegen sich die Elektronen in so genannten Orbitalen. Theoretisch könnte ein Elektron als eigenständiges Teilchen kreuz und quer durch den Mikrokosmos fliegen. Warum tut es das nicht? Aus der uns schon bekannten Wechselwirkung von Anziehung und Abstoßung. Diese hält die Elektronen in Kernnähe. Aber wo genau sie sich in Kernnähe befinden ist laut Quantenphysik nicht sicher. Es gibt nur bestimmte Rahmen, die besagten Orbitale. In diesen bewegen sie sich variabel. Vergleichbar mit einem Tunnel in den ein starker Flummi geschleudert wird. Auf seinem Weg von a nach b titscht er kreuz und quer gegen die Tunnelseiten und fliegt unberechenbar auf b zu. Jemand der ihm unterwegs ausweichen möchte kann nur die Wahrscheinlichkeit berechnen wo der Flummi sein wird wenn er seine Position passiert. Der Tunnel könnte ja durch unvorhergesehene äußere Einflüsse, wenn auch nur minimal, verändert werden. Erdbeben etc. Es ist also niemals möglich die exakte Position des Flummis zu einem bestimmten Zeitpunkt oder den Punkt an dem er b erreicht zu bestimmen.
Mit den Teilchen in der Quantenphysik ist es ähnlich, sie bewegen sich also in Wellen und sind unberechenbar. Deshalb wird in der Quantenphysik nur mit Wahrscheinlichkeiten gerechnet, diese sind kumulativ.
Und das ist ein echtes Problem wenn man beispielsweise Bewegungsabläufe auf Kleinstteilchenebene berechnen möchte. Es ist nicht möglich mit 100% Sicherheit zu sagen wie sich ein Teilchen von a nach b bewegt und deshalb kann eine Messung auf dieser Ebene ziemlich in die Hose gehen und ein Experiment anders verlaufen als erwartet. Eine Horrorvorstellung für jeden konventionellen Physiker

Nun sind solche Vorgänge im Alltag eher unbedeutend da sie sich auf kleinster Ebene, der Quantenebene abspielen. Aber je abhängiger ein Experiment oder ein Vorgang davon ist umso fataler können seine Auswirkungen werden. Und je komplexer unsere Technologie wird umso präziser muss sie gebaut werden. Tadaaa, da hat unsereins dann den Salat.

Diese genauere Sichtweise der Dinge könnte einen Quantenphysiker zu leichter Überheblichkeit gegenüber anderen Physikern verleiten, doch sei es ihm mal verziehen da der Makrokosmos nun mal auf dem Mikrokosmos der Quanten aufbaut. Stößt die Quantenmechanik an ihr Größtmögliches geht sie nahtlos in die klassische Mechanik über. Sie gehören also auch zusammen.

Wie funktioniert dann die Mathematik in der Quantenmechanik? Im Grunde lässt es sich recht gut anhand eines Würfelspiels betrachten. Wir haben zwei Würfel die wir gleichzeitig fallen lassen. Es ist unvorhersehbar welches Ergebnis von 2 – 12 wir erhalten. Es ist aber am wahrscheinlichsten das wir aufgrund der Vielzahl von Möglichkeiten eine 6 oder 8 erhalten, wohingegen eine 2 oder 12 sehr unwahrscheinlich ist. Aber es ist möglich und damit unmöglich genau vorherzusehen

Das ist übrigens auch der Grund warum McKay in Staffel 4 „The seer“ so beunruhigt ist



Und nun kommen wir endlich zum Thema SciFi!

Zeitreisen sind unmöglich? Falsch. Die Quantenphysik eröffnet im Rahmen ihrer vielen noch unerforschten Phänomene ein Türchen zu dieser Möglichkeit.
„Quatsch! Du redest Blödsinn!!!“ Nope, es ginge theoretisch wirklich. Ich kann es leider nicht präzise erklären, deshalb nur eine Zusammenfassung

Aus der allgemeinen Relativitätstheorie kennen wir ja bereits den Begriff der „Raumzeit“, also der Kombination von Raum und Zeit. Wir wissen bereits dass sich diese Raumzeit durch eine extreme Gravitation, etwa der eines schwarzen Loches, verzerren lässt. Uns sind bekanntlich drei Dimensionen bekannt: Tiefe, Höhe, Breite, also der Raum an sich. Nehmen wir nun also die Zeit als vierte Dimension und wir erhalten die Raumzeit. Wir haben die Raumzeit nun also in vier parallele Faktoren zerlegt. Durch eine extreme Gravitation könnte der Raum theoretisch so stark verzerrt werden das die Zeit die dritte Dimension einnimmt. Im Raum konnten wir uns auf dieser dritten imaginären Achse vorwärts und Rückwärts bewegen. Nun wird diese Achse aber durch die Zeit eingenommen und wir könnten in der Zeit vor und zurück reisen

Das ist natürlich sehr, sehr viel komplizierter, aber einfacher kann ich es nicht erklären.
Es gibt auch nach nun fortgeschrittener theoretischer Forschung sogar schon, so weit ich weiß, viel versprechende Versuche zur Beamtechnologie auf Quantenebene Die Quantenphysik eröffnet uns also völlig neue Ansätze die jeden SciFi Fan in euphorische Stimmung versetzen können


Hoffe das war so weit verständlich, Fragen sind erlaubt