Größe und Einheiten / Atomphysik

Gravitation, Elektromagnetismus, starke Wechselwirkungen, schwache Wechselwirkungen

- positiv geladene Protonen stoßen sich im Atomkern voneinander ab
- starke Wechselwirkung wirkt dieser Abstoßung entgegen
- sorgt dafür, dass Nukleonen sich gegenseitig anziehen und so der Atomkern zusammengehalten wird
- hat die Eigenschaft, mit größerem Abstand immer stärker zu werden
- Basis liefern Gluonen die zwischen Nukleonen hin und her springen und sie dadurch anziehen

- Prozess der im Atomkern Teilchen ineinander umbauen kann
- dadurch wird radioaktive Zerfall möglich
- schwache Wechselwirkung wird durch Austauschteilchen übertragen
- hat extrem geringe Reichweite

- es gibt bestimmte Bahnen auf denen Elektronen ohne Energieverlust um den Kern kreisen können, haben unterschiedliche Energieniveaus
- bei Sprung von einer höheren Bahn auf eine niedrigere wird Energiedifferenz in Form von elektromagnetsicher Welle abgegeben
- zwischen Frequenz und Energie der elektromagnetischen Welle gibt es direkten Zusammenhang → E = f * h (f=Frequenz, E=Energie, h= Planck Konstante)
- umso höher die Frequenz einer Strahlung umso höher ist die Energie

- Elektronen befinden sich normalerweise in Grundzustand, durch verschiedenen Formen von Energie können sie angeregt werden → Erwärmung (z.B Glühbirne), Zusammenstoß mit anderen Elektronen (z.B. Neon-Röhre), Licht (z.B. Fluoreszenz)
- Anregung selbst ist von außen nicht erkennbar, erst wenn das angeregte Elektron wieder in Ursprungsbahn zurück geht wird die Energiedifferenz in Form von Strahlung abgegeben

- Uran lässt sich beim Beschießen von langsam fliegenden Neutronen in ca zwei gleich große Teile spalten und gibt dabei Energie ab
- Uran kann sich in Barium und Krypton oder Strontium und Xenon spalten
- Energie tritt auf, da die Bruchstücke fester gebunden sind als die Ausgansgsstücke → stabilerer Zustand wurde erreicht
- Energie liegt in Form von kinetischer Energie, Alpha- und Betastrahlung vor
- für die aus der Spaltung entstehenden Neutronen gibt es 3 Möglichkeiten:
   - sie spalten keine weiteren Kerne; wenn nicht genug Uran vorhanden ist und die Neutronen nicht gebremst werden bewegen sie sich einfach weiter im Raum; Uran unterliegt alpha-Zerfall
   - sie spalten 1:1 weitere Urankerne, Zahl der Spaltunegn und Energieabgabe bleibt konstant → Soll-Zustand eines Kernkraftwerkes
   - alle Neutronen spalten weitere Kerne, Spaltungsrate steigt exponentiell an und es wird in kurzer Zeit ungeheure Menge an Energie frei → Funktionsprinzip einer Atombombe

- Verschmelzung von leichten Atomkernen = Kernfusion
- aus diesem Prozess gewinnt Sonne ihre Energie
- Bindungsenergie in Atomen mit höherer Massenzahl ist weit höher als bei niedrigeren Atomen → sie werden durch Fusionen stabiler, somit wird Energie freigesetzt
- Kernspaltung stellt umgekehrten Prozess dar

spontaner Zerfall instabiler Atomkerne

3 Strahlungsarten → Alpha-Strahlung, Beta-Strahlung, Gamma-Strahlung

- ionisierende Strahlung
- Atom sendet radioaktives Nukleotid aus, ein Alpha-Teilchen (Helium 4-Teilchen ohne Elektronen)
- Massenzahl des Atoms nimmt um 4 Einheiten ab, Kernladungzahl um 2 Einheiten
- Atom wandelt sich dabei in ein anderes Element um

- ionisierende Strahlung
- Elektron entsteht, da sich Neutron in Elektron und Proton umwandelt
- Kernladungszahl nimmt um eine Einheit zu
- Energie des Elektrons variiert und ist nicht konstant

- ionisierende Strahlung
- Sammelbegriff für elektromagnetische Strahlungen die über 200 keV (Kiloelektronenvolt) an Energie hat und aus dem Kern kommt
- Atomkerne können, so wie Elektronenhüllen auch, angeregt sein; befinden sich meist in diesem Zustand nach Alpha- oder Betazerfall → wenn der angeregte Atomkern nun wieder in Grundzustand übergeht gibt er Energie in Form von elektromagnetischer Strahlung ab

- Strahlungen, die fähig sind aus einem Atom Elektronen zu entfernen, so dass geladene Ionen oder Molekülreste zurückbleiben
- ionisierte Moleküle können Mutationen oder Gewebsschäden hervorrufen
- Beispiele: kosmische Strahlung, Alpha Beta Gamma-Strahlung; Röntgenstrahlung, UV-Strahlung, freie Protonen und Neutronen

Maßnahmen:
- geringstmögliche Zeit nahe der Strahlenquelle
- maximaler Abstand zur Strahlenquelle
- gute Abschirmungsmaterialien
- Vermeidung von Aufnahme der strahlenden Substanz

Gefahr ist auch abhängig von der Art der Strahlung:
- Alpha-Strahlung wird von Papier abgehalten
- Beta-Strahlung wird von Aluminumblech oder Buch abgehalten
- Röntgen oder Gamma-Strahlung hat fas unendliche Weite, kann durch schwere Elemente wie Eisen oder Blei abgeschwächt werden

Zerfall jedes einzelnen Atoms ist vom Zufall abhängig, man kann jedoch berechnen wieviel insgesamt noch vorhanden ist

\( N(t) = N_0 * e^{-λ*t}\)

gibt an, wie lange es noch dauert bis nur noch die Hälfte der ursprünglichen Anzahl an Atomkernen vorhanden ist 
 

\( t_{1/n} ={ ln (n) \over λ}\)

gibt an wieviele Kerne pro Sekunde zerfallen, Einheit Becquerel (Bq)

\(A ={ \text {Zahl der Zerfälle} \over {\text Zeit}}\)

gibt an wieviel Energie einer Strahlung auf eine bestimmte Masse übertragen wurden, Gray = 1Ws/kg bzw. 1J/kg

\( Energiedosis[Gy] = {Energie [Ws] \over Masse[kg]}\)

misst ionisierende Strahlung; bezeichnet die elektrische Ladung der Ionen gleichen Vorzeichens, die durch ionisierende Strahlung in einer bestimmten Masse entsteht
messbar durch Geiger-Müller-Zähler; Einheit: Coulomb/kg

\( \text {Ionendosis [C/kg] }={ \text {Ladungen durch Ionisation[C] }\over \text{ Masse [kg]}}\)

Dosis pro Zeiteinheit

Energiedosis: Gray/s  → Gray = J/kg
Ionendosis: Sievert/s  → Sievert = J/kg
 

\( \text Dosisleistung = {Dosis \over Zeit [s]}\)

berücksichtigt unterschiedliche Gefährlichkeit der einzelnen Strahlenarten, als Dosis kann die Energie- oder Ionendosis herangezogen werden

\(D_q = D * q\)     Energieodsis D * Qualitätsfaktor q; Einheit Sievert

zusätzlich zur Bewertung der Strahlenart wird auch das Gewebe gewichtet welches die Strahlung durchdringt
Äquivalenzdosis und effektive Äquivalenzdosis können herangezogen werden um Gefahren nach einer Strahlenesplosion zu beurteilen

\(D_{eff} = w_T * D_q\)

- hochenergetische Teilchenstrahlung aus Protonen, Elektronen und vollständig ionisierten Atomen welche auf die äußere Erdatmosphäre treffen
- ist für Polarlicht zuständig. da dort die geladenen Teilchen die Stickstoff- und Sauerstoffatome zum Leuchten bringen
- Strahlenbelastung ist über den Wolken viel höher als auf Meeresniveau

- jede Art von Elementarteilchen existiert in zwei Formen, als ‚normales‘ und als Antiteilchen
- dabei besteht vollständige Symmetrie: Das Antiteilchen des Antiteilchens ist wieder das ursprüngliche Teilchen; beispielsweise ist das Positron das Antiteilchen des normalen Elektrons und umgekehrt
- Masse, Lebensdauer und Spin eines Teilchens und seines Antiteilchens sind gleich, ebenfalls Art und Stärke ihrer Wechselwirkungen
- elektrische Ladung, magnetisches Moment und alle ladungsartigen Quantenzahlen sind entgegengesetzt gleich

- Materie, deren Bausteine aus Antiteilchen besteht
- Anti-Atome haben Atomhüllen aus Positronen und Atomkerne aus Antiprotonen und ggf. Antineutronen

- Paarvernichtung; Elementarteilchen und sein Antiteilchen verwandeln sich zusammen in andere Teilchen
- gegenseitige Vernichtung unter Ausstoß von Energie

Bildung eines Teilchen-Antiteilchen-Paares

- besagt, dass zwei komplementäre Aussagen der Quantenphysik nicht gleichzeitig genau bestimmbar sind
- z.B. Ort und Impuls; kann entweder bestimmen, wo das Elektron gerade ist oder kann bestimmern wohin es sich bewegt; beides gleichzeitig ist unmöglich

- manche Objekte verhalten sich gleichermaßen wie ein Welle und wie ein Teilchen
- vor allem bei Elektronen welche sich manchmal wie eine Welle verhalten (Doppelspaltversuch) und manchmal wie ein Teilchen (elektrischer Strom)

- auch Thermodynamik genannt
- beschäftigt sich mit geänderten physikalischen Eigenschaften von Materie bei sich ändernder Temperatur

- spiegelt die kinetische Energie der einzelnen Teilchen eines Stoffes wieder
- elektrischer Widerstand, Dichte, Ausdehnung sind direkt von der Temperatur abhängig

Celsius-Skala
- 2 Fixpunkte: Gefrierpunkt von Wasser mit 0, Siedepunkt von Wasser mit 100

Fahrenheit-Skala:
- 1. Fixpunkt: beste Kältemischung aus Ammoniak, Eis und Salz → 0 F = - 17,8°C
- 2. Fixpunkt: Körpertemperatur eines gesunden Menschen → 96 F = 35,6°C

weder Celsius noch Fahrenheit-Skala sind für physikalische Prozesse geeignet

Kelvin-Skala:
- Nullpunkt der Kelvin-Skala ist der absolute Nullpunkt bei dem keine Teilchenbewegung mehr stattfindet → -273,15°C

- gilt in einem abgeschlossenen System, z.B. Luftballon
- gesamte Energie, die für thermische Umwandlungsprozesse genutzt werden kann → chemische Energie, thermische Energie, Kernenergie
- nicht möglich gesamte innere Energie einer Stoffes zu messen, aber Änderung der inneren Energie
- innere Energie ändert sich wenn an der Umgebung Wärme oder Arbeit ausgetauscht wird- in einem abgeschlossenen System kann Energie nicht erzeugt und nicht vernichtet, sondern nur von einer Form in andere Formen umgewandelt werden. Die Gesamtenergie des Systems bleibt konstant.

Änderung der inneren Energie = Wärme + Arbeit
\( \triangle U=Q+W \)

unterschiedliche Zustände eines Stoffes welche sich durch Änderung von Druck und Temperatur umwandeln können

relativ starre Form welche aus Untereinheiten bestehen die fest miteinander verbunden sind