Physik: Oberartikel

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Obwohl ich eigentlich vorrangig an Astronomie interessiert bin, habe ich doch auch einige Fragen der Physik rechechieren müssen, um z.B. bei der Astrophysik und Kosmologie ein bisschen mehr zu verstehen…

Astronomie: Teilchenphysik

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Siehe auch: Quantenphysik, SVG, Kosmologie
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Teilchenphysik

In der Teilchenphysik unterscheidet man Elementarteilchen und zusammengesetzte Teilchen. Wobei es sich im Laufe der Jahrhunderte immer etwas geändert hat, was als “elementar” angesehen wurde.

Die Teilchenphysik wurde von Murray Gell-Mann (1929-2019) sehr befruchtet. Er gilt als Entdecker der Quarks und schaffte Ordnung bei den Elementarteilchen.

Im Jahr 1969 wurde Gell-Mann im Alter von 40 Jahren für seine „Beiträge und Entdeckungen zur Ordnung der Elementarteilchen und ihrer Wechselwirkungen“ mit dem Nobelpreis für Physik ausgezeichnet.
Das heutige (2020) Verständnis dieser Elementarteilchen wird zusammenfassend dargestellt im sog. “Standardmodell”:

Standardmodell der Teilchenphysik

Abbildung 1: Standard Model of Elementary Particles (Wikipedia: Standard_Model_of_Elementary_Particles.svg)

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Symbole für Teilchen

Tabelle 1: Symbole für Teilchen

Teilchen Symbol Bemerkungen
Photon γ Austauschteilchen der Elektromagnetischen Kraft
Gluon g Austauschteilchen der Starken Kernkraft (Farbladungen)
W-Boson W Austauschteilchen der Schwachen Kernkraft
Z-Boson Z Austauschteilchen der Schwachen Kernkraft
Up-Quark u
Down-Quark d
Charme-Quark c
Strange-Quark s
Top-Quark t
Bottom-Quark b
Elektron e
Myon μ schwereres Elektron
Tauon τ noch schwereres Elektron
Neutrino νe Elektron-Neutrino
μ-Neutrino νμ μ-Neutrino
τ-Neutrino ντ τ-Neutrino

Statt “Kraft” sagen wir auch gerne “Wechselwirkung” – also z.B. “Starke Wechselwirkung”

Anti-Teilchen

Zu jedem Teilchen kann es auch ein Anti-Teilchen geben. Anti-Teilchen werden im Allgemeinen mit einen “Quer-Symbol” versehen, z.B.  u und ū.

Antiteilchen haben die entgegengesetzte elektrische Ladung wie ihr “normales” Teilchen z.B.   e und e+ (hier benutzen wir das Quer-Symbol nicht).

Zusammengesetzte Teilchen

Danach sind Protonen und Neutronen (sog. Hadronen) sowie Mesonen keine Elementarteilchen mehr, sondern setzen sich aus Quarks zusammen:

Protonen und Neutronen bestehen aus drei Quarks:

  • Proton p: up up down
  • Neutron: n: up down down

Mesonen bestehen aus zwei Quarks:

  • Meson: ein Quark & ein Anti-Quark

Kräfte und Wechselwirkungen

Bei den Elementarteilchen unterscheidet man Fermionen (Materie) und Bosonen (Austauschteilchen für Wechselwirkungen). Die Bosonen stehen in der vierten Spalte des Standardmodells:

  • Photonen (γ) vermitteln die Elektromagnetische Kraft  (Wechselwirkung)
  • Gluonen (g) vermitteln die sog. Starke Kernkraft (Wechselwirkung), die hält beispielsweise die Protonen in einem Atomkern zusammen.
  • W-Bosonen vermitteln die sog. Schwache Kernkraft (Wechselwirkung), die kann beispielsweise aus einem Proton ein Neutron machen und umgekehrt, indem aus einem Up-Quark ein Down-Quark wird bzw. umgekehrt.

Feynman-Diagramme

In Feyman-Diagrammen läuft die Zeit von unten nach oben und der Raum von links nach rechts (wie in einem Raum-Zeit-Diagramm)- allerdings ist dies nicht standardisiert.

Materie-Teilchen werden als Pfeile mit ausgezogener Linie dargestellt.
Wechselwirkungs-Teilchen werden anders dargestellt:

  • Photonen als Welle
  • Gluonen als Schraubfeder
  • Bosonen mit einer gestrichelten Linie

Zerfall bzw. Kollision zweier Objekte bilden einen sog. “Vertex”.

Abbildung 2: Beispiel eines Feynman Diagrams: Electron absorbs a Photon (Wikipedia: Basic_Feynman_diagram_-_electron_absorbs_photon.svg)

Feynman Diagram: Electron absorbs a Photon

Abbildung 3: Beispiel eines Feynman-Diagramms: Beta-Zerfall (Wikipedia: BetaDecay.svg)

Feynman-Diagramm: Betazerfall (Halbwertzeit 10 Minuten)

Physik

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Siehe auch: Quantenmechanik, Thermodynamik, Elektrodynamik

Am Rande (neben der Astronomie und der Computerei) beschäftige ich mich auch mit Teilaskepten der Physik.

Klassischerweise teilt man das Gebiet der Physik ein in:

  • Mechanik (Klassiker: Galilleo, Newton,…)
  • Thermodynamik (Wärmelehre) (Dampfmaschinen)
  • Elektrodynamik (Elektrizität, Magnetismus)

Geschrieben habe ich folgende Beiträge:

….

 

Astronomie: Physikalische Größen

Gehört zu: Astronomie, Physik
Siehe auch: Scheinbare Helligkeit, Entfernungsbestimmung, Zeitmessung, Thermodynamik, Elektrisches Feld, Magnetisches Feld

Physikalische Größen: SI-Basiseinheiten

Die französische Akademie der Wissenschaften erhält 1790 von der französischen Nationalversammlung den Auftrag, ein einheitliches System von Maßen und Gewichten zu entwerfen. Sie folgt dabei den Prinzipien, die Grundeinheiten aus naturgegebenen Größen abzuleiten, alle anderen Einheiten darauf zurückzuführen und alle, mit Ausnahme der Zeit, dezimal zu vervielfachen und zu unterteilen. Als Grundeinheiten wurden Meter, Gramm und Sekunde gewählt.

1889 Gründung der Generalkonferenz für Maß und Gewicht (CGPM = Conférence Générale des Poids et Mesures)

Aktuell (im Jahre 2020) sind als sog. SI-Basiseinheiten (französisch Système international d’unités) international definiert:

  1. Meter (m)  – Länge
  2. Sekunde (s) –  Zeit
  3. Kilogramm  (kg) –  Masse
  4. Ampere (A) –  Stromstärke  (1948)
  5. Kelvin (K) –  Temperatur  (1954, 1968)
  6. Mol (mol) –  Stoffmenge  (1971)
  7. Candela (cd)  –  Lichtstärke   (1979)

Länge: Meter

1790: Erste Definition des Meters als zehnmillionster Teil des Erdmeridianquadranten

1960 wurde dieses “Urmeter” abgelöst durch eine neue Definition des Meters als Vielfaches der Wellenlänge eines Kyrpton-Lasers zu definieren.
Die Wellenlänge einer elektromagnetischen Strahlung, die vom Kryptonisotop 86Kr ausgestrahlt wird, wurde 1960 als Grundlage für die Definition des Meters gewählt.  Ein Meter wurde als das 1.650.763,73fache der Wellenlänge der vom Nuklid 86Kr beim Übergang vom 5d5 in den 2pl0-Zustand ausgesandten und sich im Vakuum ausbreitenden Strahlung definiert.

1983 hat die  17. Generalkonferenz für Maß und Gewicht das Verhältnis zwischen Lichtgeschwindigkeit und Meterdefinition umgekehrt.
Dabei wurde die Lichtgeschwindigkeit als Naturkonstante definiert zu 299 792 458 m/s und das Meter definiert als “Die Strecke, die Licht im Vakuum während der Zeit von 1/299 792 458 Sekunden zurücklegt”.

Zeit: Sekunde

1790:  Erste Definition der Sekunde als 1/86 400ster Teil des mittleren Sonnentages

1967 hat man der Sekunde eine atomphysikalische Definition gegeben: “Die Sekunde ist das 9 192 631 770-fache der Periodendauer der dem Übergang zwischen den beiden Hyperfeinstrukturniveaus des Grundzustandes von Atomen des Nuklids Cs-133 entsprechenden Strahlung.”

Masse: Gramm / Kilogramm

Ursprünglich sollte ein Kilogramm der Masse von einem Liter Wasser entsprechen.

1790: Erste Definition des Gramms als Gewicht, später als Masse von 1 cm3 reinem Wasser bei 4 °C und einem Druck von 760 mm Quecksilbersäule

1890: Das Urkilogramm als ein Zylinder aus Platin-Iridium

2019: 20. Mai 2019: Mit Hilfe einer Siliziumkugel wird die Masse eines Si-Atoms bestimmt und damit die Größe des Planckschen Wirkungsquantums h. Danach dreht man den Spieß um und legt die Größe des Planckschen Wirkungsaunatums als Naturkonstante so wie gerade gemessen fest (so wie es früher schon mit der Lichtgeschwindigkeit geschah). Nun kann man definieren:  Das Kilogramm, Einheitenzeichen kg, ist die SI-Einheit der Masse. Es ist definiert, indem für die Planck-Konstante h der Zahlenwert 6.62607015*1034 Js festgelegt wird, Wobei ja  \( 1 Js =  1 \frac{kg \cdot m^2}{s} \) ist, wobei der Meter und die Sekunde unabhängig als SI-Einheiten definiert sind.

Stromstärke: Ampere

1898 wurde 1 Ampere im „Gesetz, betreffend die elektrischen Maßeinheiten des Deutschen Kaiserreichs” als die Stärke desjenigen Stromes definiert, der aus einer wässrigen Silbernitrat-Lösung mittels Elektrolyse in einer Sekunde 1,118 mg Silber abscheidet. Das so definierte Ampere ist später als internationales Ampere bezeichnet worden; das mit den restlichen Basiseinheiten kompatible dagegen als absolutes Ampere.

1948 wurde das Ampere über die Lorentzkraft zweier Leiter aufeinander definiert: 1 A ist die Stärke des zeitlich konstanten elektrischen Stromes, der im Vakuum zwischen zwei parallelen, unendlich langen, geraden Leitern mit vernachlässigbar kleinem, kreisförmigem Querschnitt und dem Abstand von 1 m zwischen diesen Leitern eine Kraft von 2 · 10−7 Newton pro Meter Leiterlänge hervorrufen würde.

2019 Auf der 26. Generalkonferenz für Maß und Gewicht beschlossen, das Ampere und andere SI-Basiseinheiten mit Wirkung zum 20. Mai 2019 neu zu definieren. Mit dieser Neudefinition des Internationalen Einheitensystems basiert das Ampere auf der Elementarladung, der ein fester Zahlenwert zugewiesen wurde: 1.602176634 * 1019  C. Seitdem hängt die Definition des Amperes nur mehr von der Definition der Sekunde ab, nicht mehr jedoch vom Meter und vom Kilogramm.

Temperatur: Kelvin

1948 wurde durch die 9. Generalkonferenz für Maß und Gewicht (CGPM) festgelegt, dass eine absolute thermodynamische Skala den Tripelpunkt des Wassers als einzigen fundamentalen Fixpunkt haben sollte. Vor allem die starke Abhängigkeit des Siedepunkts vom Luftdruck hatte die Temperatureichung über die bisherigen Fixpunkte schwierig gemacht. Der Tripelpunkt hingegen war leicht und eindeutig reproduzierbar.

1954 wurde das Kelvin von der CGPM in der bis zum 19. Mai 2019 gültigen Form definiert und zur Basiseinheit erklärt. Dadurch bekam zugleich das Grad Celsius eine neue Definition. Die Bezeichnung war zunächst „Grad Kelvin (°K)“ und wurde 1967 auf „Kelvin (K)“ geändert. Die Definition lautete seitdem: „Das Kelvin, die Einheit der thermodynamischen Temperatur, ist der 273,16-te Teil der thermodynamischen Temperatur des Tripelpunktes des Wassers.“.

2019: Anbindung an die thermische Energie: Die thermodynamische Temperatur ist direkt proportional zur thermischen Energie, mit der Boltzmann-Konstanten als Proportionalitätsfaktor  (1.380649 * 1023 Joule/Kelvin). Solange die Einheiten von Energie (Joule) und Temperatur (Kelvin) unabhängig voneinander definiert waren, musste die Boltzmann-Konstante experimentell bestimmt werden. Diese Messungen wurden im Laufe der Zeit immer präziser und erreichten schließlich die Genauigkeit der Realisierung des Kelvin über den Tripelpunkt des Wassers. Damit war die Existenz zweier konkurrierender Definitionen nicht mehr zu rechtfertigen. Der Boltzmann-Konstanten wurde ein fester Wert in der Einheit J/K zugewiesen und das Kelvin dadurch direkt an das Joule gekoppelt. Der Wert der Boltzmann-Konstanten, die seitdem ein nur durch Konvention festgelegter Skalierungsfaktor ist, wurde so gewählt, dass das neue Kelvin möglichst genau mit dem alten übereinstimmte. Diese Änderung trat mit der Revision des Internationalen Einheitensystems am 20. Mai 2019 in Kraft.

Stoffmenge: Mol

Die Maßeinheit der Stoffmenge ist das Mol, eine SI-Basiseinheit.

1971: Ein Mol ist die Menge einer Substanz, in der gleichviel Moleküle sind, wie in 12 g von Kohlenstoff 12C.

2019: Eine Stoffmenge von 1 Mol (= 1 mol) enthält die durch die Avogadro-Konstante (NA = 6.02214076 * 1023 mol−1) festgelegte Teilchenzahl. Die Avogadro-Konstante ist der Proportionalitätsfaktor zwischen der Stoffmenge und der Teilchenzahl N(X). Teilchen können hier Atome, Ionen, Moleküle, Formeleinheiten oder auch Elektronen sein. Formelzeichen und Teilchenart X werden zusammen als nX oder n(X) angegeben.

Lichtstärke: Candela

Für die Messung der Himmelshelligkeit ist die Lichtstärke gemessen in Candela interessant. Wobei die SI-Definition besagt:

Eine Lichtquelle hat die Lichtstärke 1 cd, wenn sie monochromatisches Licht der Frequenz 540 x 1012 Hertz (555 nm) aussendet und dabei in einen Raumwinkel von 1 sr (Steradiant) eine Leistung von 1/683 Watt abgibt.

Von Candela abgeleitete Einheiten:

  • Lichtstrom  Φv , gemessen in Lumen (lm): Eine Lichtquelle der Lichtstärke 1 cd strahlt in einen Raumwinkel von 1 sr einen Lichtstrom von 1 lm (Lumen) ab. Also lm = cd sr
  • Leuchtdichte  Lv , gemessen in Candela pro Qudratmeter  (cd m-2 oder lm m-2 sr-1)
  • Beleuchtungsstärke E, gemessen in Lux (lx):  Lichtstrom pro m². Also lx = lm m-2

Die Wikipedia gibt für einen “Sternklaren Nachthimmel” eine Leuchtdichte (also Flächenhelligkeit) von   0,001 cd m-2 an. Nach der unten stehenden Umrechnungsformel wären das 20,08 mag/arcsec².

Wobei “mag” für Größenklassen (Magnituden) der klassischen astronomischen Helligkeitsskala steht.

Umrechnungen:

  • 1 cd/m²    =     12,58 mag/arcsec²
  • Allgemein gilt:  Astronomische Leuchtdichte in mag/arcsec² =  12,58 –  2,5 * lg(LV)    (wobei LV: Leuchtdichte in cd/m²  und lg der 10er Logarithmus ist)
  • Umgekehrt erhalten wir die SI-Leuchtdichte in cd/m² durch:  \( L_v = 10^{\frac{12,58 – SQM}{2.5}} \)

Abgeleitete SI-Einheiten

Als sog. abgeleitete SI-Einheiten (mit eigenem Namen) sind festgelegt:

  • Kraft: Newton:  1 N = 1 kg m/s^2
  • Energie: Joule = 1 J = 1 N m = 1 kg m^2 / s^2
  • Leistung: Watt: 1 W = 1 J/s = 1 kg m^2 / s^3
  • Elektrische Ladung: Coulomb: 1 C = 1 A s
  • Elektrische Spannung: Volt: 1 V = 1 W / A = 1 kg m^2 / (A * s^3)
  • Magnetische Flußdichte: Tesla: 1 T = 1 N / A m = 1 kg / (A * s^2)
  • Lichtstrom: Lumen: 1 lm = 1 cd * sterad

Notiz: Die C14-Methode

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Die C14-Methode

C-14 wird in der Atmosphäre unter dem Einfluss von kosmischer Strahlung gebildet. Es verbindet sich mit Sauerstoff zu radioaktivem Kohlendioxid.

Durch konstante Neubildung und laufenden Zerfall hat sich in der Luft ein Gleichgewicht gebildet.

C-14 wird von den Pflanzen (Assimilation) bzw. durch alle von pflanzlicher Nahrung lebenden Organismen aufgenommen. In einem Baumast entsteht so eine ganz bestimmte Menge dieses Kohlenstoffes. Wird nun ein Ast von einem Baum abgebrochen, kann sich das C-14 Depot nicht mehr erneuern. Der C-14 Gehalt sinkt nach dem Zerfallsgesetz.

Die vorhandene C-14-Menge kann analysiert werden und aufgrund der Halbwertszeiten wird auf die ursprüngliche Menge zurückgerechnet. Bis auf ein paar Jahre genau lässt sich so bestimmen, wann ein Baum abgestorben oder gefällt wurde.