Physik Step 62 (neu)

Die elektrische Anziehungskraft (Coulomb-Kraft) zwischen dem positiven Kern und den negativen Elektronen – ungleichnamige Ladungen ziehen sich an.

Der Kern ist winzig im Vergleich zur Hülle (Erbse im Fussballstadion); fast der ganze Raum enthält kein festes Teilchen, nur ganz aussen die leichten Elektronen.

Die Coulomb-Anziehung zwischen Kern und Elektron: Sie zeigt stets zum Kern und IST die Zentripetalkraft – keine zusätzliche Kraft, man setzt beide gleich.

m_e ⋅ v² / r = k ⋅ e² / r² ⇒ v = √(k ⋅ e² / (m_e ⋅ r))

F = k ⋅ e² / r² = 8,99 ⋅ 10⁹ ⋅ (1,6 ⋅ 10⁻¹⁹)² / (3,0 ⋅ 10⁻¹¹)² N ≈ 2,6 ⋅ 10⁻⁷ N

Das Elektron kann nur bestimmte, festgelegte Energiewerte (Energieniveaus) annehmen – wie Stufen einer Treppe, nicht wie eine Rampe (kontinuierlich).

Grundzustand: unterstes Niveau, kleinste Energie, am nächsten beim Kern; angeregter Zustand: höhere Stufe, mehr Energie, weiter vom Kern entfernt.

Es nimmt ein Photon auf (Absorption), dessen Energie genau der Differenz der beiden Stufen entspricht; passt die Energie nicht genau, wird das Photon nicht aufgenommen.

Es sendet ein Photon (Lichtteilchen) aus (Emission), das genau die Energiedifferenz der beiden Stufen trägt.

Fächert man das Licht eines leuchtenden Gases mit Prisma oder Gitter auf, erscheinen nur einzelne scharfe farbige Linien (Spektrallinien) statt eines durchgehenden Farbbands.

Emission: ein leuchtendes Gas, helle Linien auf dunklem Grund; Absorption: weisses Licht durch ein kühleres Gas, dunkle Linien an genau denselben Stellen.

Licht auffächern, Lage der Linien ablesen und das Muster mit den bekannten Linienmustern der Elemente vergleichen – jedes Muster („Fingerabdruck“) verrät ein enthaltenes Element.

Jedes Element hat eigene Energieniveaus; nur Photonen mit genau den passenden Energiedifferenzen werden ausgesendet oder verschluckt – darum ist das Linienmuster eindeutig (so wurde Helium im Sonnenlicht entdeckt).

Die Bausteine des Atomkerns: Protonen (positiv, je eine Elementarladung) und Neutronen (neutral, etwa gleich schwer wie ein Proton).

Z = Anzahl Protonen (bestimmt das Element; im neutralen Atom auch Anzahl Elektronen); A = Anzahl aller Nukleonen = Z + N. Neutronenzahl: N = A – Z.

Oben links die Massenzahl A = 12 (alle Nukleonen), unten links die Ordnungszahl Z = 6 (Protonen), rechts das Elementsymbol; Neutronen: N = A – Z = 6.

Z = 6 ⇒ 6 Protonen; neutral ⇒ 6 Elektronen; N = A – Z = 13 – 6 = 7 Neutronen.

Die Kernladung stammt nur von den Protonen: Z = q / e = 4,8 ⋅ 10⁻¹⁹ C / 1,6 ⋅ 10⁻¹⁹ C = 3 Protonen ⇒ Lithium (Li)

Kerne desselben Elements mit gleicher Protonenzahl Z, aber verschiedener Neutronenzahl N – z. B. C-12 (6 Neutronen) und C-14 (8 Neutronen); gleiches chemisches Verhalten, andere Massenzahl.

Die Protonen sind alle positiv geladen und stossen sich elektrisch ab (Coulomb-Abstossung) – auf die winzige Distanz im Kern sehr stark.

Die Kernkraft (starke Wechselwirkung): sie wirkt anziehend zwischen allen Nukleonen und ist extrem kurzreichweitig; auf Kerndistanz ist sie stärker als die elektrische Abstossung.

Sie sind ungeladen, tragen also nicht zur Abstossung bei, wohl aber zur anziehenden Kernkraft – sie wirken als „Kitt“ zwischen den Protonen.

Die Energie, die nötig ist, um den Kern in seine einzelnen Nukleonen zu zerlegen (Mass für den Zusammenhalt; wird beim Zusammensetzen frei). Bei Kernumwandlungen rund eine Million Mal grösser als bei Vorgängen in der Hülle (Sonne, Kernkraftwerk).