Kemi

Atomfysik


Expertområde - fysik

Atomfysik som en gren av fysiken beskriver interaktionen mellan elektronerna i atomskalet med strålningsfält.

Baserat på Ruhtherfords planetmodell av atomen, där elektronerna rör sig runt atomkärnan, postulerade Niels Bohr 1913 att elektronerna bara tar vissa banor (energinivåer) och kan förändra dem (Bohrs postulat). Denna modell förklarar strukturen av atomskalet och bildandet av spektrallinjer när atomerna interagerar med ljus.


Forum

Jag har ett litet problem där. Jag har läxor till imorgon och har absolut ingen aning om hur jag ska gå tillväga. Jag har ingen mer kemi och det är därför det inte säger mig någonting. Skulle vara riktigt trevligt om någon kunde hjälpa mig.

1) Bestäm omloppsfrekvenserna på den första och andra omloppsbanan för elektronen i väteatomen och jämför dem med frekvensen för det ljuskvantum som sänds ut när du hoppar från den andra till den första omloppsbanan.

2) Applicera Bohrs postulat på joner med endast en elektron i skalet. Bestäm den totala energin för dessa elektroner Wn i det n:te kvanttillståndet för He +, Li ++, Be +++.

3) Uppgiften "Fastställ heliumkärnans energinivåer" saknas här. Varför?

http://cc.uni-paderborn.de/lehrveran. html # Postulat
där finns postulaten.
det finns också hur man beräknar omloppsradien. Omloppsfrekvenserna bör kunna beräknas från omloppsradierna. det kan du räkna ut med ljuskvantumet när du har avståndet mellan de två körfälten.

en formel ges för energierna. alla har bara 1 elektron i det första skalet.

heliumkärnan består av 2 protoner och 2 neutroner. det kanske hjälper på något sätt med frågan.

Sodal. Jag provade nummer 1 en gång. Om du har några frågor är det bara att fråga. Är relativt lite förklarat nu:

(Är ett allmänt tillvägagångssätt - inte bara för väte.) Jämställ först centripetalkraft med Coulomb-kraft. Och så tar man ett visst Bohrs postulat och till sist har man två ekvationer med två okända som går att lösa. Så vi får v r och r n - hastighet och radie på den n:te kvantomloppsbanan. Då tänkte jag att man kan få omloppstiden och därmed omloppsfrekvensen (hoppas det inte är för krångligt). Jag är inte säker på formeln för T eller f, den är härledd själv - jag skulle kunna bekräfta de andra två. Men enhetsmässigt passar det. (Tyvärr är det bara min dator som kommer ur ekvationen med alla de enorma och små konstanterna!) Och så finns det serieformeln för jämförelse. Första hjälpen kanske? Möjligen behövs en stor förklaring.

Skulle vara trevligt om någon kan bekräfta det!


Edit: Med 3:an skulle jag misstänka, som nämnt av ICQ, att det då förmodligen är He ++ ... och det skulle inte finnas fler elektroner så är det mycket vettigt att beräkna kvantbanor? Eller är det inte sant? Hm. * Gr bel *


Innehållsförteckning

Sedan harmoniseringen av utbildningsprogram i Europa genom Bolognaprocessen erbjuds diplomkursen endast av ett fåtal universitet, som t.ex. B. TU Kaiserslautern [2] erbjöd.

Fysikkursen i diplomkursen är uppdelad i en tvåårig grundkurs som följs av huvudkursen efter en mellantentamen kallad mellantentamen. Experimentell fysik och teoretisk fysik samt fysisk praktik utgör kärnan i utbildningen, plus föreläsningar i matematik och teknisk fysik samt icke-fysikaliska valfria ämnen som kemi, astronomi eller datavetenskap.

I den Experimentell fysik följer en grundkurs bestående av mekanik och värmelära, ellära (inklusive vibrations- och våglära) och optik samt kvantfysik, tillämpad fysik med atom-, molekyl- och fasta tillståndsfysik. [2]

de teoretisk fysik är vanligtvis indelad i en cykel av fyra områden som en del av kursen:

  1. Mekanik (Newtonsk mekanik, analytisk mekanik, speciell relativitetsteori, Hamiltonsk mekanik) (elektro- och magnetostatik, lösningar av Maxwells ekvationer, speciell relativitetsteori) (Schrödinger vågmekanik, Heisenbergs matrismekanik, Dirac-notation, grundläggande drag i teoretisk introduktionsfysik, till relativistisk fysik) och kvantmekanik (termodynamik, statistisk fysik, kvantstatistik, många-partikelteori)

Många universitet erbjuder en kursföreläsning om kontinuans mekanik som ett komplement till denna klassiska kanon. Den allmänna relativitetsteorin, kvantfältsteorier, teoretisk fast tillståndsfysik och andra områden finns representerade som specialföreläsningar vid de flesta universitet, men ingår inte i grundkanonen.

Dessutom brukar det finnas en 4-terminskurs matematikkurs från "Grundläggande matematik I och II" och "Högre analys I och II". Innehållet i dessa kurser är grunderna i matematik (logik, mängdlära), algebraiska strukturer, linjär algebra, matrisberäkning, analytisk och projektiv geometri, en- och flerdimensionell differentialkalkyl, generaliserad differentialkalkyl på grenrör, integrationsteori i ett och flera dimensioner, introduktion till vektoranalys och differentialgeometri, Introduktion till funktionsteori och komplex analys. Självklart högre matematik är vanligtvis lite mer kompakt än de matematiska föreläsningarna om linjär algebra och analys, men skillnaderna är små innehållsmässigt.

Dessutom finns det Mindre ämnensom varierar mycket beroende på universitet, såsom:

  • Kemi: Analytisk och oorganisk kemi I
  • Datavetenskap: introduktionsevenemang
  • elektronik
  • astronomi
  • Materialvetenskap
  • Företagsekonomi (BWL)

I huvudkursen finns utöver de pågående föreläsningarna i teoretisk fysik och de högre föreläsningarna i experimentell fysik (d.v.s. fast tillstånds-, kärn- och plasmafysik) eller det Fysisk avancerad praktik, huvudkursens huvud- och biämne eller, som ett alternativ till de två sistnämnda, de obligatoriska valämnena I och II.

Den där Avancerad praktik har som mål att föra eleverna närmare experimentfysikens moderna metoder, men omfattar även historiskt betydelsefulla experiment från tiden för den moderna fysikens utveckling. Omfattningen och innehållet varierar mycket beroende på universitet. I de flesta fall kan eleverna ange ett visst antal önskade experiment från de befintliga experimenten, vilket de i alla fall skulle vilja göra. De experiment som erbjuds leds ofta av de experimentellt inriktade lärosätena, utbudet speglar då också fakultetens forskningsprofil. Oftast ser man till att eleverna får en överblick över bredden i forskningen, det vill säga inte bara kompletta experiment kring kärnfysik. Omfattningen av försöken är naturligtvis mycket större än i grundpraktiken. Typiska experiment i den avancerade praktiken är till exempel kvant-Hall-effekten, den magneto-optiska Kerr-effekten eller scanning tunnel mikroskopi.

Ytterligare föreläsningar, övningar och seminarier ges i huvudämnet. Vid vissa universitet finns även den s.k. Huvudpraktik fortfarande. Detta är ett halvårs till ettårigt arbete på en lärosäte - mestadels en halv dag - utöver den övriga studieomfattningen. Många universitet har avskaffat detta för att förkorta studietiden, på vissa håll finns det fortfarande. Huvudämnet är det ämne som uppsatsen skrivs i. I princip kan varje ämne som representeras av en professur vid fakulteten väljas som fokusämne, det vill säga teoretisk fasta tillståndsfysik, experimentell fasta tillståndsfysik, experimentell kärnfysik etc, förutsatt att dessa är representerade vid fakulteten. . Dessutom finns det ofta möjlighet att professurer från andra fakulteter, såsom matematik, elektroteknik, kemi, biologi, geovetenskap eller medicin, har tillval med fysikfakulteten och även kan erbjuda fokusämnen som biofysik, geofysik, laser. teknik, neuroinformatik eller matematisk fysik. I de flesta fall är dessa ämnen biämnen med tilläggsmöjlighet att kunna skriva uppsats även i dessa. Många fakulteter har reglerat detta genom valbara ämnen, varav det ena ska ligga inom fysikavdelningen, det andra ska stå i en meningsfull koppling till fysik, men båda kan väljas för examensarbetet.

Biämnen är oftast icke-fysikämnen från högskolans utbud, vilket ska komplettera fysikstudierna på ett meningsfullt sätt. Typiska biämnen är:

  • Ren matematik (t.ex. partiella differentialekvationer, algebra, topologi) (t.ex. databassystem, operativsystem, parallell beräkning) (t.ex. reaktionskinetik, spektroskopiska metoder) (t.ex. metalliska reaktioner) (t.ex. polymerskapande, fotokemi) (t.ex. tunnfilmssystem, epitaxi) (t.ex. optoelektronik, högfrekvensteknik) (t.ex. vätskespektroskopi) (biofysisk modellering av neuroner eller neurala nätverk) (t.ex. neurala nätverk, robotteknik)
  • Teknisk mekanik (t.ex. kontinuummekanik, statik) (t.ex. geomekanik, jordbävningsteori, jordens struktur) (t.ex. epistemologi) Fysik (t.ex. biomedicinsk mätteknik) (t.ex. nervstimulering) (t.ex. B. affärspsykologi, pedagogik) (t.ex. finansiell matematik) , företagsekonomi, derivatteori)

I princip finns det en struktur på en 6-termins kandidatexamen och en 4-termins masterexamen. I slutet av kandidatexamen finns ett kort studieprojekt, masteruppsatsen varar vanligtvis 9 till 12 månader. I princip planeras även den klassiska grundkursen i experimentell fysik till atomfysik och grunderna i teoretisk fysik (i kandidatexamen). Ytterligare föreläsningar om såväl experimentell fysik som teoretisk fysik erbjuds som så kallade specialföreläsningar i magisterexamen för fördjupning av de områden, som studenterna med undantag för några begränsningar vanligtvis fritt kan välja ifrån. På masterprogrammet kan studenterna sedan specialisera sig inom ett visst område. Dels handlar det om specialiseringen i experimentell fysik eller teoretisk fysik, dels de delområden som redan nämnts ovan såsom atom-, kärn-, fast tillstånds- eller partikelfysik m.m.

Matematikföreläsningar ingår alltid i fysik kandidatkurserna.

Men det finns avvikelser här. B. i Marburg en fysikkurs med inriktning mot biologi, som har lägre teoretiska komponenter. Denna kurs är alltså inte att se som en klassisk fysikkurs.

Exemplariskt kandidatprogram Edit

Det finns inga generella scheman där fysikbachelor kan kartläggas. Innehållsmässigt är på grund av behovet av ackreditering av dessa kurser visst innehåll bindande, från vilka specialkurser som "Teknisk fysik" eller "Fysik med inriktning biologi" dock redan kan skilja sig. Den faktiska omfattningen av studien är vanligtvis avsevärt större, eftersom djupet av detta innehåll inte specificeras och denna prestation inte överskrider den specificerade ramen, utan bara motsvarar den breda konsensus som finns inom fysikersamfundet.

  • Experimentell fysik
    • Mekanik, vibrationer och vågor, akustik, speciell relativitetsteori
    • Elektricitet och magnetism
    • Optik (grundläggande funktioner)
    • Termodynamik
    • Atomfysik
    • Kärn- och partikelfysik
    • Mekanik: Newtonsk mekanik, analytisk mekanik (Lagrange-formalism), Galilei-transformationer, Hamiltonfunktion, speciell relativitetsteori
    • Elektrodynamik: elektrostatik, magnetostatik, elektromagnetiska vågor, Maxwells axiom
    • Kvantmekanik: Schrödinger-ekvationen, Heisenbergs osäkerhetsprincip, vågfunktioner, väteatom, heliumatom
    • Termodynamik och statistisk fysik: termodynamik, kvantstatistik, många partikelteori
    • Analys (differential- och integralkalkyl i en och flera dimensioner, differentialekvationer)
    • Linjär algebra (vektor- och matrisberäkning)
    • Differentialgeometri

    (konkret eller mest abstrakt som i klassisk träning)

    Denna lista gäller initialt den ettämnes kandidatexamen (bachelor of Science) som tillhandahålls och delvis introduceras i fysik, modeller för en kandidatexamen (of Arts) med 2 ämnen, varav ett kan vara fysik, men som också testas - i sammanhanget med modellerna för betygsatt lärarutbildning. De modeller som hittills funnits omfattar dock, med undantag för den matematiska delen, ungefär denna kanon.

    Masterexamen redigering

    Civilingenjör är en vetenskaplig examen som motsvarar det klassiska diplomet. Universiteten är dock väldigt fria i utformningen av kursen, så att endast 9 till 12 månaders masteruppsats, inställningen av ett fokusämne och andra händelser utanför fokus är standard. Även frågan om huruvida masterprogrammet innehåller vidareutvecklingar inom såväl teoretisk som experimentell fysik kan inte längre besvaras allmänt, detta är bara fallet i de flesta modeller. Utöver masterexamen i fysik finns det också ett stort antal specialiserade och tvärvetenskapliga masterkurser (optisk teknik, materialvetenskap, etc.). Det finns endast formella ramkrav för studiens omfattning och varaktighet.

    För yrkeshögskolorna kommer övergången till Bachelor-Master-systemet för första gången att ge deras utexaminerade möjlighet att ta doktorsexamen och tillträde till den högre tjänsten inom offentlig förvaltning. För detta ändamål måste detta ha framgått uttryckligen i ackrediteringen.

    Därutöver finns även magisterexamen som motsvarighet till 1:a statsprov för lärartjänster i modellförsök. Här är kraven i respektive nationell lag avgörande. Generellt gäller följande: Det finns en kurs i 2 ämnen och utbildningsvetenskap, ämnesdidaktik och kärnpraktik är delar i kursen.

    Studenter på både kandidat- och diplomprogrammet lägger i genomsnitt cirka 40 timmar i veckan på sina fysikstudier under föreläsningstiden. Fördelningen kring detta medelvärde är dock mycket bred (med

    10 timmar/vecka standardavvikelse) och tar inte hänsyn till om och på vilken tid studenterna klarar av sina studier. [3] I denna insats ingår förutom närvarotiden vid föreläsningar, övningar och praktik tid för självstudier, för att lösa övningsbladen och för att förbereda sig för praktikförsök. Vanligtvis kräver övningsblad för matematik och teoretisk fysik vardera drygt 10 timmars bearbetningstid per vecka (empiriskt värde från många elevråd). Förberedelse och utvärdering av experiment kräver cirka 4–5 timmar per experiment i grundkursen och cirka 30 timmar för avancerade experiment i diplomkursen (varierar mycket).

    Kandidat- och masterkurser omfattas av ECTS:s regelverk, som teoretiskt sett innehåller stränga krav på arbetsbelastningen. Lärarutbildningar varierar mycket i sin arbetsbörda. Särskilt minska lärarspecifikt Föreläsningar i Teoretisk fysik betydande. Den frekventa kombinationen av fysik och matematik leder till en väldigt hög arbetsbelastning i ämnet matematik i alla fall, jämför matematikstudier.

    Typiska närvarotider för olika evenemang

    Ha föreläsningar, övningar och praktik vanligtvis följande omfattning:

    • Experimentell fysik (I till IV): var 4 + 2 timmar per vecka (föreläsning + övning)
    • Teoretisk fysik (I till IV eller V): 4 + 2 timmar per vecka vardera
    • Linjär algebra (I eller / och II): 4 + 2 timmar per vecka vardera
    • Analys (I till III eller IV): 4 + 2 timmar per vecka vardera
    • eller högre matematik (I till IV): var 6 + 2 timmar per vecka
    • Biämne: 4 + 2 timmar per vecka
    • Högre experimentell fysikföreläsningar (huvudkurs): 3 + 1–2 timmar per vecka vardera
    • Praktik i grundläggande studier: en till 2 eftermiddagar per vecka (3 till 4 timmar)
    • Avancerad praktik: 1 föreläsningsdag per vecka (7-10 timmar, avvikelser beroende på experiment)
    • Seminarier: 2–3 timmar i veckan
    • Fördjupningsföreläsningar: 3 timmar per vecka

    Veckotimmar ska förstås som föreläsningsblock om 45 minuter vardera, tid timmar som hela timmar.

    En doktorsexamen kan avläggas vid universitet och tekniska högskolor som erbjuder detta ämne. Hittills har doktorsexamen funnits som så kallade externa doktorsgrader, d.v.s. H. Möjligt utan anmälan till forskarstudier, samt forskarstudier. Individuella doktorandbestämmelser kan avvika från detta. Ändringar skulle kunna göras här under Bolognaprocessen.

    Doktorsavhandlingen avslutas vanligtvis med en vetenskaplig doktorsexamen, beroende på examensbestämmelserna vid universitetets institution Dr. rer. nat. av, men det finns också Dr. phil. nat. som tilldelad doktorsexamen. Under internationaliseringens gång blir också den angloamerikanska alltmer Ph.D. (Philosophiae Doctor) tilldelats.

    En doktorsexamen i fysik i Tyskland tar i genomsnitt fyra till fyra och ett halvt år. [4]

    Under sina studier lär sig fysiker att tillämpa ett matematiskt-analytiskt sätt att tänka på hög nivå samt att lösa tekniska problem i praktiken. Dessutom har de oftast lång IT-erfarenhet. Därför är deras användningsområden i offentliga tjänster, industri och tjänsteföretag olika [5]:

    1. Universitet och forskningsinstitutioner (Max Planck Institutes, Fraunhofer Institutes, etc.) frågar ett litet antal fysikexaminerade.
    2. Skolor behöver i allt högre grad specialiserade fysiklärare. Sedan ett antal år (cirka 2003) har fysiker med examen också haft möjlighet att anställas som så kallade laterala nybörjare eller laterala inträdare i många delstater i skolväsendet. På grund av den stadigt sjunkande födelsetalen och införandet av den 8-åriga gymnasieskolan bör dock ett klart överskott av fysiklärare noteras igen om några år.
    3. Programvaruindustrin frågar ofta fysiker, deras användningsområde liknar det för datavetare.
    4. Halvledarindustrin behöver fysiker, särskilt solid state- och halvledarfysiker.
    5. Elektronikindustrin använder sig av fysiker såväl som elingenjörer.
    6. Energileverantörer anställer fysiker inom olika affärsområden.
    7. Banker använder fysiker både inom IT-området och på grund av sin matematiska utbildning för att analysera valutakursrisker.
    8. Försäkringsbolagen anställer fysiker inom IT-området såväl som aktuarier, eftersom ekvationerna för försäkringsmatematiken är strukturellt identiska med vissa fysiska ekvationer.
    9. Vissa managementkonsultföretag värdesätter fysikers tänkande och analytiska färdigheter och anställer dem också.

    Anställningsmöjligheter hos banker, försäkringsbolag och stora företag inom elbranschen är vanligtvis endast tillgängliga för de fysiker som har en examen som ligger långt över genomsnittet och som kan ge bevis på ytterligare kvalifikationer (t.ex. programmeringserfarenhet).

    Efter en flod av fysik på nittiotalet finns det nu lite mer efterfrågan på fysikexaminerade. Enligt en gammal studie från 2011 är chanserna att hitta ett jobb inom industrin dåliga för fysikexaminerade. [6] Studien är dock inte representativ och det finns inga nyare data om hur relationen mellan arbetsgivare och kandidatexamen har utvecklats de senaste åren. Övergången till kandidat- och magisterexamen har inte nämnvärt förkortat studierna i fysik, särskilt eftersom doktorsexamen har blivit allt viktigare på arbetsmarknaden för fysiker under de senaste två decennierna.

    Att skaffa ytterligare behörighet vid sidan av att studera eller doktorera kan visa sig vara en fördel, eftersom fysikstudier endast i begränsad omfattning förbereder dig för arbetsmarknaden. [7]

    Lärarexamen är i princip beroende av förbundsstaten, men åtminstone gymnasiet eller gymnasienivå II-lärarexamen är ganska lika i hela landet. I princip studeras två ämnen och utbildningsvetenskap, i förhållandet 1:a ämne: 2:a ämne: utbildningsvetenskap 2:2:1.

    Gymnasielärarinlägg redigera

    I ett fåtal länder kan fysik endast studeras i kombination med matematik, men i de flesta fall kan den kombineras fritt, till exempel med kemi, filosofi, geografi, men också z. B. Spanska eller tyska. I händelse av att fysik inte kombineras med matematik kräver vissa universitet ytterligare ett prestationsbevis i matematik, annars ingår inte matematik i kursen, det finns ingen biämne i form av diplomet minor.

    Kursen föreläser i experimentell fysik och den grundläggande fysisk praktik är vanligtvis desamma för doktorander och lärarutbildningsstudenter, vanligtvis minskar antalet experiment i praktiken något. De högre försöksföreläsningarna är däremot endast avsedda som ett specialiseringsalternativ för examinationen i många lärarutbildningar. Den obligatoriska kanonen avslutas vanligtvis med atom- och molekylfysik, som dock är en obligatorisk del av kursen i alla länder (dock är den, till skillnad från diplomkursen, ibland en del av huvudkursen, t.ex. i Nordrhein- Westfalen).

    I den teoretisk fysik Mekanik inklusive speciell relativitetsteori, elektrodynamik och kvantmekanik samt en översikt över termodynamik tillhandahålls. De flesta universitet erbjuder speciella teoriföreläsningar för lärarstudenter med mindre matematisk komplexitet, andra delar bara av en del av kvantmekaniken och ersätter den med en "krockkurs" i statistisk fysik. Teoretisk fysik för lärarstudenter består i regel av 3 kursföreläsningar i mekanik, elektrodynamik och kvantmekanik/termodynamik.

    Det finns även föreläsningar och/eller seminarier inom området Fysik didaktik. Dessa bör tillsammans med skolpraktikerna ge en viss förberedelse för läraryrkets placeringsaspekt. Utbudet inom didaktikområdet varierar mycket beroende på universitet (även i samma delstat). Vid vissa lärosäten pågår aktiv didaktisk forskning medan andra lärosäten har behandlat de didaktiska lärostolarna mycket underordnat. Innan du påbörjar en lärarutbildning är det lämpligt att få information om detta ämne från olika kontor (t.ex. elevrådgivning, elevråd, didaktikordförande).

    Utöver den klassiska utbildningen finns pilotprojekt för kandidat- och magisterexamen, t.ex. B. vid universitetet i Bochum.

    Andra undervisningsinlägg redigera

    Eftersom skolväsendet skiljer sig mycket från stat till stat är lärarutbildningsbestämmelserna i motsvarande grad olika. I Baden-Württemberg, till exempel, utbildas blivande gymnasielärare inte vid universitet, utan vid universitet för lärarutbildning, i Nordrhein-Westfalen är denna lärartjänst hans vid sidan av den för lågstadiet. Undervisning på grund-, gymnasie- och gymnasieskolor sammanfattat, även om naturvetenskap/fysik endast kan studeras med inriktning på Hauptschule och Realschulen - på grundskolor räknas detta som ämnesundervisning, naturvetenskaplig inriktning. Utbildningen av lärare i NRW sker i princip vid universiteten.


    Orbitalmodellen

    Även om den potentiella brunnsmodellen är baserad på kvantmekanik, är den inte lämplig att korrekt representera väteatomens energitillstånd. För det har du Coulomb potential av kärnan måste beaktas.

    Så för att få rätt energitillstånd för H-atomen måste man lösa Schr & oumldinger-ekvationen för väteatomens elektron med hänsyn till Coulomb-potentialen.

    Lösningen som erhålls är en tredimensionell vågfunktion $ Psi (x, y, z) $, som är beroende av rymdens tre koordinater. Kvadraten på beloppet $ vert Psi vert ^ 2 $ ger Sannolikhet för vistelse (Sannolikhetstäthet) av elektronen i atomen igen.

    Beskrivning av orbitaler

    Lägga märke till

    Orbitalen är den tredimensionella vågfunktionen $ Psi (x, y, z) $ för en elektron som är i ett visst kvantmekaniskt tillstånd.

    Orbitalen beskriver tillståndet för elektronen i atomen.

    Orbitaler kan representeras grafiskt genom att använda $ vert Psi vert ^ 2 $ i ett tredimensionellt koordinatsystem. Varje punkt inom dessa ritade orbitaler motsvarar en sannolikhet att hitta elektronen på denna plats. På så sätt får du en överblick över att forma orbitalerna och därmed sannolikhetsfördelningarna för elektronen.

    De olika tillstånden eller orbitalen för elektronerna i atomen är genom Kvanttal klassificerad.

    KvantnummerFörkortningVärdeintervall
    Huvudkvantnummer$ n $$n = 1,2,3. $
    Vinkelmoment kvantnummer$ l $ leq l
    magnetiskt kvanttal$ m $$ -l leq m leq l $
    Spin kvantnummer$ s $$ s = + frac <1> <2>, - frac <1> <2> $

    Förklaringar av kvanttalen
    Huvudkvantnummer $ n $

    Det huvudsakliga kvanttalet $ n $ är redan känt från Bohrs atommodell. Det indikerar energitillståndet.

    Vinkelmomentum kvantnummer $ l $

    Elektronens rörelsemängd kvantiseras här, eftersom i Bohrs atommodell är rörelsemängdskvantumtalet $ l $ föremål för olikheten leq l

    Vinkelmoment kvantnummerbeskrivning
    $ l = 0 $s- (orbital)
    $ l = 1 $p- (orbital)
    $ l = 2 $d- (orbital)
    $ l = 3 $f- (orbital)

    Namnen i tabellen fortsätter alfabetiskt från $ l = 4 $ (g, h,.).

    Magnetiskt kvantnummer $ m $

    Magnetiska kvanttal $ m $ tillhör varje vinkelmomentum kvanttal $ l $. På grund av olikheten $ -l leq m leq l $ finns det totalt $ 2 cdot l + 1 $ möjliga tillstånd för varje vinkelmomentumkvanttal, vilket kan beskrivas med hjälp av det magnetiska kvanttalet $ m $.

    Snurra $ s $

    Spinnkvanttalet $ s $ kan bara ha de två värdena frac <1> <2> $ eller $ - frac <1> <2> $.

    Grundläggande princip för atomär struktur

    Förutom de fyra kvanttalen spelar Pauli-principen en central roll i strukturen av atomskalet. Kort sagt, det förbjuder elektroner att ockupera tillstånd i atomen mer än en gång.

    Lägga märke till

    Pauli princip

    Elektroner måste skilja sig åt i de fyra kvanttalen $ n, l, m, s $. Ett kvantmekaniskt tillstånd som beskrivs av kvanttalen $ n, l, m, s $ kan inte samtidigt vara upptagen av två elektroner.


    11 svar

    I kemi förstår jag åtminstone ingenting i fysik längre. Inom kemi gör man mycket om kemiska saker (metaller, ämnen, syror, alkalier etc.) och inom fysiken brukar man göra andra saker som rörelsemekanismer (kretsar, fall, lutande plan, elektronik etc.). Det är annorlunda.. och inom fysiken finns det definitivt fler formler.

    & quotKemi och fysik har faktiskt mycket gemensamt & quot

    A ha. och vad har de gemensamt förutom atomfysik?

    . ja, det var lite provocerande nu - Ph och Ch var faktiskt ETT ämne på min gymnasietid. Materialet var dock inte lika omfattande som det senare var i HTL (eller gymnasiegym). Visst finns det beröringspunkter (där till exempel energi spelar in), men ämnena är väldigt "olika".

    "Historia" och "Geografi" har också "korsningar" och är ganska olika områden.

    Frågan är i vilken utsträckning detta har en positiv effekt på någon eller vilka generella fördelar som skulle vara värda att nämna.

    Angående dina nackdelar: Du kan dela upp timmarna mellan två lärare. De lär ut sitt material och sätter, vad gäller innehållet, ihop något och sätter betygen tillsammans.

    Speciellt när det kommer till det nitty-gritty, vandrar de två avdelningarna långt ifrån varandra så att jag skulle vara redo för en separation.

    Det finns olika ämnen, så varför ska ämnena slås samman i skolan?

    Och du säger själv att det inte längre finns ett gemensamt ämne i området, förmodligen för att sammanslagningen uppfattades som ett misstag eller varför ändrades den på annat sätt?

    Jag kan inte säga varför det ändrades, det var ett antal år sedan.


    Kärnfysik 1

    Till det verkliga utkastet till det tidigare diskuterade Atommodeller Inkluderar även kunskap om de fysiska egenskaperna hos Atomkärna.

    I följande kapitel vill vi behandla de väsentliga fysikaliska egenskaperna hos en atomkärna.

    Översikt - kärnfysikens struktur

    Den gren av fysiken som vi nu vill gå in i är den Kärnfysik. Å ena sidan, inom kärnfysik studerar man strukturera atomkärnorna, å andra sidan hanterar du Interaktioner mellan nukleonerna (Kärnkomponenter) och den resulterande Kärnkrafter. För att förstå dessa interaktioner är det också nödvändigt att gå djupare in i materien. Eftersom nukleonerna själva består av andra Elementarpartiklarvilken som Quarks utsedda.

    Med tiden var det många Kärnmodeller utvecklats, som ska återspegla atomkärnornas struktur och kärnkrafter i enlighet med de experimentella fynden. Kärnan i moderna kärnmodeller är att de är baserade på Kvantmekanik är baserade. För att till fullo förstå dessa kärnmodeller krävs naturligtvis en gedigen kunskap om avancerad kvantmekanik.

    Vår tillgång till kursen

    Men även den elementära tillgången till kärnfysik, som den genomförs i en fortsättningskurs och eventuellt en grundkurs, kan förmedla viktig kunskap om detta högst relevanta fysikområde.

    Fysikern Rutherford kunde bestämma de första väsentliga strukturella data för en atomkärna med hjälp av ett så kallat spridningsexperiment.


    Kapitelöversikt

    En slående egenskap hos atomer är att de olika typerna av atomer (grundämnen) kan delas in i grupper med mycket lika egenskaper. Elektronskalets skalstruktur är primärt ansvarig för detta. Die Atome können nach diesen Schalen in ein Schema eingeordnet werden, das als Periodensystem der Elemente bekannt ist.

    Atome verbinden sich zu Molekülen und Festkörpern. Es ist deshalb eine wichtige Fragestellung der Physik und Chemie, wie die Bindungen zwischen den Atomen erklärt werden können. Die wichtigsten Bindungsmodelle möchte ich daher auf einer eigenen Seite vorstellen.

    Grundlage aller Naturwissenschaften ist die Beobachtung. Nun ist es nicht ohne Weiteres möglich, in der Natur Vorgänge zu beobachten, aus denen man direkt auf die Atome schließen könnte. Das erkennt man schon daraus, dass die Existenz von Atomen erst seit ca. zweihundert Jahren anerkannt ist. Um Beobachtungen einfacher Vorgänge zu erzwingen macht man Experimente. Erst der Grundsatz, nur Modelle anzuerkennen, die sich im Experiment bewähren, konnte zum heutigen Erfolg der Naturwissenschaften führen.

    Atome sind etwa 10 Millionen mal kleiner als ein Millimeter. Betrachtet man so kleine Gebilde, so kann man sich nicht mehr darauf verlassen, dass die physikalischen Gesetze so sind, wie man es von der "großen" Welt kennt. Bei diesen kleinen Ausdehnungen muss man die Regeln der Quantenmechanik beachten.


    Atomphysik

    Atomphysik, die Physik der elektronischen Struktur der Atome, d.h. des Aufbaus der Elektronenhülle der Atome (Atomhülle), sowie ihrer Wechselwirkungen mit äußeren Feldern und anderen Teilchen. Theoretische Atomphysik läßt sich praktisch ausschließlich im Rahmen der Quantenmechanik (Atomtheorie, Atommodelle) betreiben. Die experimentellen Methoden beruhen überwiegend auf spektroskopischen Techniken (Atomspektroskopie) und Streuexperimenten mit Atomstrahlen. Beziehungen zu anderen Teilgebieten der Physik bestehen vor allem zur Molekülphysik, zur Festkörperphysik, zur Laserphysik sowie zur Kernphysik (Hyperfeinwechselwirkungen).

    Lesermeinung

    Wenn Sie inhaltliche Anmerkungen zu diesem Artikel haben, können Sie die Redaktion per E-Mail informieren. Wir lesen Ihre Zuschrift, bitten jedoch um Verständnis, dass wir nicht jede beantworten können.

    Mitarbeiter Band I und II

    Silvia Barnert
    Dr. Matthias Delbrück
    Dr. Reinald Eis
    Natalie Fischer
    Walter Greulich (Schriftleiter)
    Carsten Heinisch
    Sonja Nagel
    Dr. Gunnar Radons
    MS (Optics) Lynn Schilling-Benz
    Dr. Joachim Schüller

    Christine Weber
    Ulrich Kilian

    In eckigen Klammern steht das Autorenkürzel, die Zahl in der runden Klammer ist die Fachgebietsnummer eine Liste der Fachgebiete findet sich im Vorwort.

    Katja Bammel, Berlin [KB2] (A) (13)
    Prof. Dr. W. Bauhofer, Hamburg (B) (20, 22)
    Sabine Baumann, Heidelberg [SB] (A) (26)
    Dr. Günther Beikert, Viernheim [GB1] (A) (04, 10, 25)
    Prof. Dr. Hans Berckhemer, Frankfurt [HB1] (A, B) (29)
    Prof. Dr. Klaus Bethge, Frankfurt (B) (18)
    Prof. Tamás S. Biró, Budapest [TB2] (A) (15)
    Dr. Thomas Bührke, Leimen [TB] (A) (32)
    Angela Burchard, Genf [AB] (A) (20, 22)
    Dr. Matthias Delbrück, Dossenheim [MD] (A) (12, 24, 29)
    Dr. Wolfgang Eisenberg, Leipzig [WE] (A) (15)
    Dr. Frank Eisenhaber, Heidelberg [FE] (A) (27 Essay Biophysik)
    Dr. Roger Erb, Kassel [RE1] (A) (33)
    Dr. Angelika Fallert-Müller, Groß-Zimmern [AFM] (A) (16, 26)
    Dr. Andreas Faulstich, Oberkochen [AF4] (A) (Essay Adaptive Optik)
    Prof. Dr. Rudolf Feile, Darmstadt (B) (20, 22)
    Stephan Fichtner, Dossenheim [SF] (A) (31)
    Dr. Thomas Filk, Freiburg [TF3] (A) (10, 15)
    Natalie Fischer, Dossenheim [NF] (A) (32)
    Prof. Dr. Klaus Fredenhagen, Hamburg [KF2] (A) (Essay Algebraische Quantenfeldtheorie)
    Thomas Fuhrmann, Heidelberg [TF1] (A) (14)
    Christian Fulda, Heidelberg [CF] (A) (07)
    Frank Gabler, Frankfurt [FG1] (A) (22 Essay Datenverarbeitungssysteme künftiger Hochenergie- und Schwerionen-Experimente)
    Dr. Harald Genz, Darmstadt [HG1] (A) (18)
    Michael Gerding, Kühlungsborn [MG2] (A) (13)
    Andrea Greiner, Heidelberg [AG1] (A) (06)
    Uwe Grigoleit, Göttingen [UG] (A) (13)
    Prof. Dr. Michael Grodzicki, Salzburg [MG1] (A, B) (01, 16 Essay Dichtefunktionaltheorie)
    Prof. Dr. Hellmut Haberland, Freiburg [HH4] (A) (Essay Clusterphysik)
    Dr. Andreas Heilmann, Chemnitz [AH1] (A) (20, 21)
    Carsten Heinisch, Kaiserslautern [CH] (A) (03)
    Dr. Hermann Hinsch, Heidelberg [HH2] (A) (22)
    Jens Hoerner, Hannover [JH] (A) (20)
    Dr. Dieter Hoffmann, Berlin [DH2] (A, B) (02)
    Renate Jerecic, Heidelberg [RJ] (A) (28)
    Dr. Ulrich Kilian, Hamburg [UK] (A) (19)
    Thomas Kluge, Mainz [TK] (A) (20)
    Achim Knoll, Straßburg [AK1] (A) (20)
    Andreas Kohlmann, Heidelberg [AK2] (A) (29)
    Dr. Barbara Kopff, Heidelberg [BK2] (A) (26)
    Dr. Bernd Krause, Karlsruhe [BK1] (A) (19)
    Ralph Kühnle, Heidelberg [RK1] (A) (05)
    Dr. Andreas Markwitz, Dresden [AM1] (A) (21)
    Holger Mathiszik, Bensheim [HM3] (A) (29)
    Mathias Mertens, Mainz [MM1] (A) (15)
    Dr. Dirk Metzger, Mannheim [DM] (A) (07)
    Dr. Rudi Michalak, Warwick, UK [RM1] (A) (23)
    Helmut Milde, Dresden [HM1] (A) (09 Essay Akustik)
    Guenter Milde, Dresden [GM1] (A) (12)
    Maritha Milde, Dresden [MM2] (A) (12)
    Dr. Christopher Monroe, Boulder, USA [CM] (A) (Essay Atom- und Ionenfallen)
    Dr. Andreas Müller, Kiel [AM2] (A) (33 Essay Alltagsphysik)
    Dr. Nikolaus Nestle, Regensburg [NN] (A) (05)
    Dr. Thomas Otto, Genf [TO] (A) (06 Essay Analytische Mechanik)
    Prof. Dr. Harry Paul, Berlin [HP] (A) (13)
    Cand. Phys. Christof Pflumm, Karlsruhe [CP] (A) (06, 08)
    Prof. Dr. Ulrich Platt, Heidelberg [UP] (A) (Essay Atmosphäre)
    Dr. Oliver Probst, Monterrey, Mexico [OP] (A) (30)
    Dr. Roland Andreas Puntigam, München [RAP] (A) (14 Essay Allgemeine Relativitätstheorie)
    Dr. Gunnar Radons, Mannheim [GR1] (A) (01, 02, 32)
    Prof. Dr. Günter Radons, Stuttgart [GR2] (A) (11)
    Oliver Rattunde, Freiburg [OR2] (A) (16 Essay Clusterphysik)
    Dr. Karl-Henning Rehren, Göttingen [KHR] (A) (Essay Algebraische Quantenfeldtheorie)
    Ingrid Reiser, Manhattan, USA [IR] (A) (16)
    Dr. Uwe Renner, Leipzig [UR] (A) (10)
    Dr. Ursula Resch-Esser, Berlin [URE] (A) (21)
    Prof. Dr. Hermann Rietschel, Karlsruhe [HR1] (A, B) (23)
    Dr. Peter Oliver Roll, Mainz [OR1] (A, B) (04, 15 Essay Distributionen)
    Hans-Jörg Rutsch, Heidelberg [HJR] (A) (29)
    Dr. Margit Sarstedt, Newcastle upon Tyne, UK [MS2] (A) (25)
    Rolf Sauermost, Waldkirch [RS1] (A) (02)
    Prof. Dr. Arthur Scharmann, Gießen (B) (06, 20)
    Dr. Arne Schirrmacher, München [AS5] (A) (02)
    Christina Schmitt, Freiburg [CS] (A) (16)
    Cand. Phys. Jörg Schuler, Karlsruhe [JS1] (A) (06, 08)
    Dr. Joachim Schüller, Mainz [JS2] (A) (10 Essay Analytische Mechanik)
    Prof. Dr. Heinz-Georg Schuster, Kiel [HGS] (A, B) (11 Essay Chaos)
    Richard Schwalbach, Mainz [RS2] (A) (17)
    Prof. Dr. Klaus Stierstadt, München [KS] (A, B) (07, 20)
    Cornelius Suchy, Brüssel [CS2] (A) (20)
    William J. Thompson, Chapel Hill, USA [WJT] (A) (Essay Computer in der Physik)
    Dr. Thomas Volkmann, Köln [TV] (A) (20)
    Dipl.-Geophys. Rolf vom Stein, Köln [RVS] (A) (29)
    Patrick Voss-de Haan, Mainz [PVDH] (A) (17)
    Thomas Wagner, Heidelberg [TW2] (A) (29 Essay Atmosphäre)
    Manfred Weber, Frankfurt [MW1] (A) (28)
    Markus Wenke, Heidelberg [MW3] (A) (15)
    Prof. Dr. David Wineland, Boulder, USA [DW] (A) (Essay Atom- und Ionenfallen)
    Dr. Harald Wirth, Saint Genis-Pouilly, F [HW1] (A) (20)Steffen Wolf, Freiburg [SW] (A) (16)
    Dr. Michael Zillgitt, Frankfurt [MZ] (A) (02)
    Prof. Dr. Helmut Zimmermann, Jena [HZ] (A) (32)
    Dr. Kai Zuber, Dortmund [KZ] (A) (19)

    Dr. Ulrich Kilian (verantwortlich)
    Christine Weber

    Priv.-Doz. Dr. Dieter Hoffmann, Berlin

    In eckigen Klammern steht das Autorenkürzel, die Zahl in der runden Klammer ist die Fachgebietsnummer eine Liste der Fachgebiete findet sich im Vorwort.

    Markus Aspelmeyer, München [MA1] (A) (20)
    Dr. Katja Bammel, Cagliari, I [KB2] (A) (13)
    Doz. Dr. Hans-Georg Bartel, Berlin [HGB] (A) (02)
    Steffen Bauer, Karlsruhe [SB2] (A) (20, 22)
    Dr. Günther Beikert, Viernheim [GB1] (A) (04, 10, 25)
    Prof. Dr. Hans Berckhemer, Frankfurt [HB1] (A, B) (29)
    Dr. Werner Biberacher, Garching [WB] (B) (20)
    Prof. Tamás S. Biró, Budapest [TB2] (A) (15)
    Prof. Dr. Helmut Bokemeyer, Darmstadt [HB2] (A, B) (18)
    Dr. Ulf Borgeest, Hamburg [UB2] (A) (Essay Quasare)
    Dr. Thomas Bührke, Leimen [TB] (A) (32)
    Jochen Büttner, Berlin [JB] (A) (02)
    Dr. Matthias Delbrück, Dossenheim [MD] (A) (12, 24, 29)
    Karl Eberl, Stuttgart [KE] (A) (Essay Molekularstrahlepitaxie)
    Dr. Dietrich Einzel, Garching [DE] (A) (20)
    Dr. Wolfgang Eisenberg, Leipzig [WE] (A) (15)
    Dr. Frank Eisenhaber, Wien [FE] (A) (27)
    Dr. Roger Erb, Kassel [RE1] (A) (33 Essay Optische Erscheinungen der Atmosphäre)
    Dr. Christian Eurich, Bremen [CE] (A) (Essay Neuronale Netze)
    Dr. Angelika Fallert-Müller, Groß-Zimmern [AFM] (A) (16, 26)
    Stephan Fichtner, Heidelberg [SF] (A) (31)
    Dr. Thomas Filk, Freiburg [TF3] (A) (10, 15 Essay Perkolationstheorie)
    Natalie Fischer, Walldorf [NF] (A) (32)
    Dr. Harald Fuchs, Münster [HF] (A) (Essay Rastersondenmikroskopie)
    Dr. Thomas Fuhrmann, Mannheim [TF1] (A) (14)
    Christian Fulda, Hannover [CF] (A) (07)
    Dr. Harald Genz, Darmstadt [HG1] (A) (18)
    Michael Gerding, Kühlungsborn [MG2] (A) (13)
    Prof. Dr. Gerd Graßhoff, Bern [GG] (A) (02)
    Andrea Greiner, Heidelberg [AG1] (A) (06)
    Uwe Grigoleit, Weinheim [UG] (A) (13)
    Prof. Dr. Michael Grodzicki, Salzburg [MG1] (B) (01, 16)
    Gunther Hadwich, München [GH] (A) (20)
    Dr. Andreas Heilmann, Halle [AH1] (A) (20, 21)
    Carsten Heinisch, Kaiserslautern [CH] (A) (03)
    Dr. Christoph Heinze, Hamburg [CH3] (A) (29)
    Dr. Marc Hemberger, Heidelberg [MH2] (A) (19)
    Florian Herold, München [FH] (A) (20)
    Dr. Hermann Hinsch, Heidelberg [HH2] (A) (22)
    Priv.-Doz. Dr. Dieter Hoffmann, Berlin [DH2] (A, B) (02)
    Dr. Georg Hoffmann, Gif-sur-Yvette, FR [GH1] (A) (29)
    Dr. Gert Jacobi, Hamburg [GJ] (B) (09)
    Renate Jerecic, Heidelberg [RJ] (A) (28)
    Dr. Catherine Journet, Stuttgart [CJ] (A) (Essay Nanoröhrchen)
    Prof. Dr. Josef Kallrath, Ludwigshafen, [JK] (A) (04 Essay Numerische Methoden in der Physik)
    Priv.-Doz. Dr. Claus Kiefer, Freiburg [CK] (A) (14, 15 Essay Quantengravitation)
    Richard Kilian, Wiesbaden [RK3] (22)
    Dr. Ulrich Kilian, Heidelberg [UK] (A) (19)
    Dr. Uwe Klemradt, München [UK1] (A) (20, Essay Phasenübergänge und kritische Phänomene)
    Dr. Achim Knoll, Karlsruhe [AK1] (A) (20)
    Dr. Alexei Kojevnikov, College Park, USA [AK3] (A) (02)
    Dr. Berndt Koslowski, Ulm [BK] (A) (Essay Ober- und Grenzflächenphysik)
    Dr. Bernd Krause, München [BK1] (A) (19)
    Dr. Jens Kreisel, Grenoble [JK2] (A) (20)
    Dr. Gero Kube, Mainz [GK] (A) (18)
    Ralph Kühnle, Heidelberg [RK1] (A) (05)
    Volker Lauff, Magdeburg [VL] (A) (04)
    Priv.-Doz. Dr. Axel Lorke, München [AL] (A) (20)
    Dr. Andreas Markwitz, Lower Hutt, NZ [AM1] (A) (21)
    Holger Mathiszik, Celle [HM3] (A) (29)
    Dr. Dirk Metzger, Mannheim [DM] (A) (07)
    Prof. Dr. Karl von Meyenn, München [KVM] (A) (02)
    Dr. Rudi Michalak, Augsburg [RM1] (A) (23)
    Helmut Milde, Dresden [HM1] (A) (09)
    Günter Milde, Dresden [GM1] (A) (12)
    Marita Milde, Dresden [MM2] (A) (12)
    Dr. Andreas Müller, Kiel [AM2] (A) (33)
    Dr. Nikolaus Nestle, Leipzig [NN] (A, B) (05, 20 Essays Molekularstrahlepitaxie, Ober- und Grenzflächenphysik und Rastersondenmikroskopie)
    Dr. Thomas Otto, Genf [TO] (A) (06)
    Dr. Ulrich Parlitz, Göttingen [UP1] (A) (11)
    Christof Pflumm, Karlsruhe [CP] (A) (06, 08)
    Dr. Oliver Probst, Monterrey, Mexico [OP] (A) (30)
    Dr. Roland Andreas Puntigam, München [RAP] (A) (14)
    Dr. Andrea Quintel, Stuttgart [AQ] (A) (Essay Nanoröhrchen)
    Dr. Gunnar Radons, Mannheim [GR1] (A) (01, 02, 32)
    Dr. Max Rauner, Weinheim [MR3] (A) (15 Essay Quanteninformatik)
    Robert Raussendorf, München [RR1] (A) (19)
    Ingrid Reiser, Manhattan, USA [IR] (A) (16)
    Dr. Uwe Renner, Leipzig [UR] (A) (10)
    Dr. Ursula Resch-Esser, Berlin [URE] (A) (21)
    Dr. Peter Oliver Roll, Ingelheim [OR1] (A, B) (15 Essay Quantenmechanik und ihre Interpretationen)
    Prof. Dr. Siegmar Roth, Stuttgart [SR] (A) (Essay Nanoröhrchen)
    Hans-Jörg Rutsch, Walldorf [HJR] (A) (29)
    Dr. Margit Sarstedt, Leuven, B [MS2] (A) (25)
    Rolf Sauermost, Waldkirch [RS1] (A) (02)
    Matthias Schemmel, Berlin [MS4] (A) (02)
    Michael Schmid, Stuttgart [MS5] (A) (Essay Nanoröhrchen)
    Dr. Martin Schön, Konstanz [MS] (A) (14)
    Jörg Schuler, Taunusstein [JS1] (A) (06, 08)
    Dr. Joachim Schüller, Dossenheim [JS2] (A) (10)
    Richard Schwalbach, Mainz [RS2] (A) (17)
    Prof. Dr. Paul Steinhardt, Princeton, USA [PS] (A) (Essay Quasikristalle und Quasi-Elementarzellen)
    Prof. Dr. Klaus Stierstadt, München [KS] (B)
    Dr. Siegmund Stintzing, München [SS1] (A) (22)
    Cornelius Suchy, Brüssel [CS2] (A) (20)
    Dr. Volker Theileis, München [VT] (A) (20)
    Prof. Dr. Gerald 't Hooft, Utrecht, NL [GT2] (A) (Essay Renormierung)
    Dr. Annette Vogt, Berlin [AV] (A) (02)
    Dr. Thomas Volkmann, Köln [TV] (A) (20)
    Rolf vom Stein, Köln [RVS] (A) (29)
    Patrick Voss-de Haan, Mainz [PVDH] (A) (17)
    Dr. Thomas Wagner, Heidelberg [TW2] (A) (29)
    Dr. Hildegard Wasmuth-Fries, Ludwigshafen [HWF] (A) (26)
    Manfred Weber, Frankfurt [MW1] (A) (28)
    Priv.-Doz. Dr. Burghard Weiss, Lübeck [BW2] (A) (02)
    Prof. Dr. Klaus Winter, Berlin [KW] (A) (Essay Neutrinophysik)
    Dr. Achim Wixforth, München [AW1] (A) (20)
    Dr. Steffen Wolf, Berkeley, USA [SW] (A) (16)
    Priv.-Doz. Dr. Jochen Wosnitza, Karlsruhe [JW] (A) (23 Essay Organische Supraleiter)
    Priv.-Doz. Dr. Jörg Zegenhagen, Stuttgart [JZ3] (A) (21 Essay Oberflächenrekonstruktionen)
    Dr. Kai Zuber, Dortmund [KZ] (A) (19)
    Dr. Werner Zwerger, München [WZ] (A) (20)

    Dr. Ulrich Kilian (verantwortlich)
    Christine Weber

    Priv.-Doz. Dr. Dieter Hoffmann, Berlin

    In eckigen Klammern steht das Autorenkürzel, die Zahl in der runden Klammer ist die Fachgebietsnummer eine Liste der Fachgebiete findet sich im Vorwort.

    Prof. Dr. Klaus Andres, Garching [KA] (A) (10)
    Markus Aspelmeyer, München [MA1] (A) (20)
    Dr. Katja Bammel, Cagliari, I [KB2] (A) (13)
    Doz. Dr. Hans-Georg Bartel, Berlin [HGB] (A) (02)
    Steffen Bauer, Karlsruhe [SB2] (A) (20, 22)
    Dr. Günther Beikert, Viernheim [GB1] (A) (04, 10, 25)
    Prof. Dr. Hans Berckhemer, Frankfurt [HB1] (A, B) (29 Essay Seismologie)
    Dr. Werner Biberacher, Garching [WB] (B) (20)
    Prof. Tamás S. Biró, Budapest [TB2] (A) (15)
    Prof. Dr. Helmut Bokemeyer, Darmstadt [HB2] (A, B) (18)
    Dr. Thomas Bührke, Leimen [TB] (A) (32)
    Jochen Büttner, Berlin [JB] (A) (02)
    Dr. Matthias Delbrück, Dossenheim [MD] (A) (12, 24, 29)
    Prof. Dr. Martin Dressel, Stuttgart (A) (Essay Spindichtewellen)
    Dr. Michael Eckert, München [ME] (A) (02)
    Dr. Dietrich Einzel, Garching (A) (Essay Supraleitung und Suprafluidität)
    Dr. Wolfgang Eisenberg, Leipzig [WE] (A) (15)
    Dr. Frank Eisenhaber, Wien [FE] (A) (27)
    Dr. Roger Erb, Kassel [RE1] (A) (33)
    Dr. Angelika Fallert-Müller, Groß-Zimmern [AFM] (A) (16, 26)
    Stephan Fichtner, Heidelberg [SF] (A) (31)
    Dr. Thomas Filk, Freiburg [TF3] (A) (10, 15)
    Natalie Fischer, Walldorf [NF] (A) (32)
    Dr. Thomas Fuhrmann, Mannheim [TF1] (A) (14)
    Christian Fulda, Hannover [CF] (A) (07)
    Frank Gabler, Frankfurt [FG1] (A) (22)
    Dr. Harald Genz, Darmstadt [HG1] (A) (18)
    Prof. Dr. Henning Genz, Karlsruhe [HG2] (A) (Essays Symmetrie und Vakuum)
    Dr. Michael Gerding, Potsdam [MG2] (A) (13)
    Andrea Greiner, Heidelberg [AG1] (A) (06)
    Uwe Grigoleit, Weinheim [UG] (A) (13)
    Gunther Hadwich, München [GH] (A) (20)
    Dr. Andreas Heilmann, Halle [AH1] (A) (20, 21)
    Carsten Heinisch, Kaiserslautern [CH] (A) (03)
    Dr. Marc Hemberger, Heidelberg [MH2] (A) (19)
    Dr. Sascha Hilgenfeldt, Cambridge, USA (A) (Essay Sonolumineszenz)
    Dr. Hermann Hinsch, Heidelberg [HH2] (A) (22)
    Priv.-Doz. Dr. Dieter Hoffmann, Berlin [DH2] (A, B) (02)
    Dr. Gert Jacobi, Hamburg [GJ] (B) (09)
    Renate Jerecic, Heidelberg [RJ] (A) (28)
    Prof. Dr. Josef Kallrath, Ludwigshafen [JK] (A) (04)
    Priv.-Doz. Dr. Claus Kiefer, Freiburg [CK] (A) (14, 15)
    Richard Kilian, Wiesbaden [RK3] (22)
    Dr. Ulrich Kilian, Heidelberg [UK] (A) (19)
    Thomas Kluge, Jülich [TK] (A) (20)
    Dr. Achim Knoll, Karlsruhe [AK1] (A) (20)
    Dr. Alexei Kojevnikov, College Park, USA [AK3] (A) (02)
    Dr. Bernd Krause, München [BK1] (A) (19)
    Dr. Gero Kube, Mainz [GK] (A) (18)
    Ralph Kühnle, Heidelberg [RK1] (A) (05)
    Volker Lauff, Magdeburg [VL] (A) (04)
    Dr. Anton Lerf, Garching [AL1] (A) (23)
    Dr. Detlef Lohse, Twente, NL (A) (Essay Sonolumineszenz)
    Priv.-Doz. Dr. Axel Lorke, München [AL] (A) (20)
    Prof. Dr. Jan Louis, Halle (A) (Essay Stringtheorie)
    Dr. Andreas Markwitz, Lower Hutt, NZ [AM1] (A) (21)
    Holger Mathiszik, Celle [HM3] (A) (29)
    Dr. Dirk Metzger, Mannheim [DM] (A) (07)
    Dr. Rudi Michalak, Dresden [RM1] (A) (23 Essay Tieftemperaturphysik)
    Günter Milde, Dresden [GM1] (A) (12)
    Helmut Milde, Dresden [HM1] (A) (09)
    Marita Milde, Dresden [MM2] (A) (12)
    Prof. Dr. Andreas Müller, Trier [AM2] (A) (33)
    Prof. Dr. Karl Otto Münnich, Heidelberg (A) (Essay Umweltphysik)
    Dr. Nikolaus Nestle, Leipzig [NN] (A, B) (05, 20)
    Dr. Thomas Otto, Genf [TO] (A) (06)
    Priv.-Doz. Dr. Ulrich Parlitz, Göttingen [UP1] (A) (11)
    Christof Pflumm, Karlsruhe [CP] (A) (06, 08)
    Dr. Oliver Probst, Monterrey, Mexico [OP] (A) (30)
    Dr. Roland Andreas Puntigam, München [RAP] (A) (14)
    Dr. Gunnar Radons, Mannheim [GR1] (A) (01, 02, 32)
    Dr. Max Rauner, Weinheim [MR3] (A) (15)
    Robert Raussendorf, München [RR1] (A) (19)
    Ingrid Reiser, Manhattan, USA [IR] (A) (16)
    Dr. Uwe Renner, Leipzig [UR] (A) (10)
    Dr. Ursula Resch-Esser, Berlin [URE] (A) (21)
    Dr. Peter Oliver Roll, Ingelheim [OR1] (A, B) (15)
    Hans-Jörg Rutsch, Walldorf [HJR] (A) (29)
    Rolf Sauermost, Waldkirch [RS1] (A) (02)
    Matthias Schemmel, Berlin [MS4] (A) (02)
    Prof. Dr. Erhard Scholz, Wuppertal [ES] (A) (02)
    Dr. Martin Schön, Konstanz [MS] (A) (14 Essay Spezielle Relativitätstheorie)
    Dr. Erwin Schuberth, Garching [ES4] (A) (23)
    Jörg Schuler, Taunusstein [JS1] (A) (06, 08)
    Dr. Joachim Schüller, Dossenheim [JS2] (A) (10)
    Richard Schwalbach, Mainz [RS2] (A) (17)
    Prof. Dr. Klaus Stierstadt, München [KS] (B)
    Dr. Siegmund Stintzing, München [SS1] (A) (22)
    Dr. Berthold Suchan, Gießen [BS] (A) (Essay Wissenschaftsphilosophie)
    Cornelius Suchy, Brüssel [CS2] (A) (20)
    Dr. Volker Theileis, München [VT] (A) (20)
    Prof. Dr. Stefan Theisen, München (A) (Essay Stringtheorie)
    Dr. Annette Vogt, Berlin [AV] (A) (02)
    Dr. Thomas Volkmann, Köln [TV] (A) (20)
    Rolf vom Stein, Köln [RVS] (A) (29)
    Dr. Patrick Voss-de Haan, Mainz [PVDH] (A) (17)
    Dr. Thomas Wagner, Heidelberg [TW2] (A) (29)
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    Dr. Martin Werner, Hamburg [MW] (A) (29)
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    Dr. Stefan L. Wolff, München [SW1] (A) (02)
    Priv.-Doz. Dr. Jochen Wosnitza, Karlsruhe [JW] (A) (23)
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    Artikel zum Thema


    Atomphysik - Chemie und Physik

    Michael Block vor dem supraleitenden Magneten der Shiptrap-Apparatur, in dessen Innerem sich der Ionenkäfig befindet Fotos GSI Bild: Foto GSI

    Isoliert in einem Ionenkäfig, lassen sich nun auch die Massen der Elemente jenseits von Uran präzise messen, ohne Umweg über die Zerfallsprodukte.

    D ie Masse eines Atomkerns zählt zu den wichtigsten physikalischen Größen, liefert sie doch Informationen über den Aufbau, die Struktur und die Stabilität des Kerns. Die Kernmassen geben auch Auskunft darüber, wie sich die Elemente im Inneren von Sternen gebildet haben. Doch ist es mitunter keine leichte Aufgabe, die Masse eines Atomkerns präzise zu ermitteln. Das galt bisher insbesondere für radioaktive Atomkerne, die schwerer sind als Uran. Deren Masse konnte bislang nur indirekt über die Zerfallsprodukte des Kerns berechnet werden, was zum Teil mit großen Unsicherheiten verbunden war.

    Erschwerend kommt hinzu, dass solche Nuklide künstlich erzeugt werden müssen und zum Teil nur Bruchteile von Sekunden leben. Eine internationale Forschergruppe hat nun eine "Waage" für schwere Elemente entwickelt. Damit ist es ihnen erstmals gelungen, die Massen von drei Isotopen des radioaktiven Elements Nobelium ohne Umweg über die Zerfallsprodukte zu bestimmen.

    Atomphysik : Linkshänder im Reich der Atome

    Quantenphysik : Die Renaissance der Atome

    Das Element Nobelium, erstmals 1957 bei Kernreaktionen erzeugt, gehört zur chemischen Gruppe der Transurane. Sein Atomkern, der aus 102 Protonen besteht, besitzt zehn Protonen mehr als Uran, das schwerste natürlich vorkommende Element. Zur Bestimmung der Masse von Transuranen werden üblicherweise die beim radioaktiven Zerfall freigesetzte Energie und die Massen der leichteren, wägbaren Zerfallsprodukte gemessen - ein bisweilen unsicheres Verfahren, da ein Teil der Energie als Anregungsenergie in den entstehenden Atomkernen bleibt und sich somit der Massenbestimmung entzieht.


    Physikunterricht/ Atomphysik/ Aufbau der Materie

    Schon früh in der Geschichte der Menschheit hat man sich Gedanken darüber gemacht, wie die uns umgebende Welt aufgebaut ist. Zu beobachten ist, dass Materie, etwa ein Apfel zunächst immer weiter teilbar ist. Schnell stellt sich da die Frage, ob das etwa jenseits von Apfelmus, welches ebenfalls in weitere kleine Portionen teilbar zu sein scheint, immer so weitergeht, oder ob es da prinzipielle Grenzen gibt oder ob es zumindest im Kleinen andere Strukturen gibt, die sich anders verhalten als das, was uns in unserem Größenmaßstab so bekannt ist. Ein anderer Aspekt ist, dass man früh beobachtet hat, wie sich verschiedene Stoffe, wenn man sie geeignet zusammenbringt, meist durch Zuführung von Energie, manchmal auf mit freiwerdender Energie, in andere Stoffe verwandeln, typisch ist hier etwa das Verbrennen von Holz oder Kohle zu nennen, aber auch die Gewinnung von Metallen aus geeignetem Gestein. Ein weiterer beobachteter Effekt ist, dass derselbe Stoff verschiedene Erscheinungsformen annehmen kann - in der heutigen Begriffswelt sind die wichtigsten fest, flüssig, gasförmig, plasmaartig (Aggregatszustände genannt), was grob mit dem korrespondiert, was man in einer früheren, heute überholten Begriffswelt die vier Elemente nannte: Erde, Wasser, Luft, Feuer. Der Begriff 'Elemente' kollidiert hier mit der heutigen Verwendung des Begriffes, Feuer paßt inhaltlich auch eher schlecht in die Reihe der Aggregatszustände.

    Bereits bei den frühen Griechen ist unter vielen anderen Ideen und alternativen Konzepten der Gedanken aufgekommen, dass hinsichtlich der Teilbarkeit irgendwo eine Grenze sein könnte oder sollte. Teilbarkeit ist hier in zweierlei Hinsicht zu verstehen, einmal wie bei Apfel-Beispiel einfach Aufteilung in kleinere Stücke, zum anderen aber im Sinne der Umwandlung von Stoffen in andere als das Finden von Stoffen, die sich nicht weiter in mehrere verschiedene Stoffe teilen lassen. In heutiger Begriffsbildung kann man etwa normales Salz chemisch in die Stoffe Natrium und Chlor aufteilen, letzte beide aber chemisch nicht weiter aufteilen.

    Hinsichtlich der Experimente ist man zu den Zeiten der Griechen da allerdings nicht wesentlich über Apfelmus hinausgekommen, um beim Beispiel des Apfels zu bleiben - zwar ändert sich die Struktur etwas, man kann aber wohl weiter teilen. Trotzdem hatten wenigstens einige Griechen die Idee oder Überzeugung, es müßte unteilbare kleinste Teilchen geben, unteilbar ist in etwa die Bedeutung des Begriffes Atom mit griechischem Ursprung.

    Als man viel später in Chemie und Physik per Experiment wirklich Anzeichen dafür fand, dass es wirklich bei ganz kleinen Objekten eine Änderung der Struktur hinsichtlich der einfachen Teilbarkeit gab, nannte man diese mutmaßlich kleinsten Teilchen daher Atome. Die oben genannten Stoffe Natrium und Chlor sind etwa solche Atome, das daraus gebildete Salz wird Natriumchlorid genannt und tritt zumeist als Kristall auf, einer Struktur, bei der sehr viele Natrium- und Chlor-Atome regelmäßig angeordnet sind.

    In den nächsten Jahrzehnten hat sich dann allerdings herausgestellt, dass diese Atome auch noch deutlich strukturiert sind, man kann sie allerdings schlecht wie einen Apfel in eine größere Anzahl von gleichen Teilstücken zerteilen, allerdings in dem anderen genannten Sinne in voneinander unterscheidbare Bestandteile. Die Erkenntnis ging zunächst dahin, dass man herausgefunden hat, dass es verschiedene Sorten von Atomen gibt, die eine unterschiedliche Masse und unterschiedliche chemische Eigenschaften haben.

    Unterschiedliche Eigenschaften heißt hier, dass sie mit anderen Atomen andere Verbindungen eingehen. Um beim Beispiel Salz zu bleiben, so kann man Natrium gegen Lithium, Kalium, Strontium tauschen und bekommt jeweils ein Salz mit etwas anderen Eigenschaften, aber eben auch ein Salz, welches sich als Kristall darstellt. Auch das Chlor kann man tauschen, etwa gegen Fluor, Brom, Jod und bekommt wieder jeweils ein Salz mit etwas anderen Eigenschaften. Andere Atome wie etwa Gold oder Platin verbinden sich hingegen kaum oder gar nicht mit anderen Atomen, bilden aber mit Atomen derselben Sorte große Strukturen. Andere Atome wie Helium, Neon oder Argon verbinden sich unter den üblichen Bedingungen weder mit Atomen einer anderen Sorte, noch mit welchen von derselben Sorte. Alle genannten Atomsorten, auch wenn sie sich in mancherlei Hinsicht in den angedeuteten Gruppen ähnlich verhalten, haben jeweils eine andere Masse, sind also klar voneinander zu unterscheiden.

    Aus der Untersuchung von Gemeinsamkeiten und Unterschieden von verschiedenen Atomsorten und der Gruppierung nach gemeinsamem Verhalten entstand über längere Zeit das Periodensystem der Elemente, welches also primär unterschiedliche chemische Eigenschaften berücksichtigt, ohne diese im Detail zu erklären. Daneben fand man aber auch schnell heraus, dass Atome mit denselben chemischen Eigenschaften auch leicht unterschiedliche Massen aufweisen können, diese nannte man dann Isotope.

    Experimente zeigten, dass es nur endlich viele verschiedene Atomsorten gibt und zu jeder Atomsorte nur wenige Isotope. Das forderte natürlich nach weiteren Erklärungen, wie diese Unterschiede zustande kommen.

    Ein Atom hat ungefähr einen Durchmesser von 10 -10 m, also eine unvorstellbar kleinen Größe. Durch weitere Experimente wurde zudem herausgefunden, dass Atome selbst strukturiert sind, ähnlich wie der Apfel haben sie eine große, ungefähr gleichförmige äußere Struktur und einen Kern. Die äußere Struktur besteht aus Elektronen und wird Elektronenhülle genannt. Diese Elektronenhülle bestimmt im Wesentlichen die Größe eines Atoms, erklärt letztlich auch die Einteilung und Gruppierung der Atome in Periodensystem der Elemente und damit unterschiedliches und ähnliches chemisches Verhalten. Die Masse wird hingegen durch den Kern bestimmt. Wenn auch die Elektronenhülle die chemischen Eigenschaften bestimmt, so wird diese doch wiederum durch Eigenschaften des Kerns bestimmt. Der Kern bestimmt primär die Anzahl der Elektronen der Hülle. Die Anordnung der Elektronen und damit die chemischen Eigenschaften eines Atoms werden wiederum bestimmt durch einerseits die Ladung des Kerns, andererseits durch die Anzahl der vorhandenen Elektronen. Somit sind einige Eigenschaften des Kerns stark mit der Hülle verknüpft, andere hingegen nicht. Ein anderes Isotop derselben Atomsorte verhält sich chemisch nahezu identisch. Die Struktur des Kerns spielt keine Rolle für das chemische Verhalten der Hülle.

    Solch ein Atomkern hat nur einen Durchmesser von etwa 10 -15 m, ist also noch einmal deutlich kleiner als die ohnehin für uns bereits winzige Hülle. Weil nahezu die ganze Masse im Kern steckt, ist die Hülle nahezu leer, allerdings hat die Hülle eine elektrische Ladung mit umgedrehtem Vorzeichen zur elektrischen Ladung des Kerns. Die Ladung der Hülle hebt also die des Kerns gerade auf, das Atom ist neutral. Man kann allerdings auch ein Elektron, mehrere oder gar alle Elektronen der Hülle eines Kerns entfernen, dann hat man ein sogenanntes Ion, welches auch nach außen eine elektrische Ladung aufweist. In begrenzter Zahl kann man bei einigen Atome auch Elektronen hinzufügen und erhält dann ebenfalls ein Ion, dessen Ladung dann allerdings das andere Vorzeichen hat gegenüber die Ionen mit fehlenden Elektronen.

    Während man bei den Elektronen bislang keine weitere Struktur gefunden hat, die von den Effekten der Ladung abweichen würden, hat sich beim Kern eine weitere Struktur ergeben. Auch der Kern besteht wiederum aus noch kleineren Teilchen, die allerdings im Kern selbst kaum oder nicht voneinander separiert sind, das ähnelt also ein wenig einen Tropfen von dem oben erwähnten Apfelmus - man ahnt, da ist noch was, findet aber keine richtig eindeutige Struktur darin. Mit geeigneten Methoden kann man aber durch Beschuß mit anderen Teilchen, etwa anderen Ionen bei den meisten Atomen Teilchen aus dem Kern herausschießen. Primär findet man dabei, dass so ein Kern aus Protonen und Neutronen besteht. Die haben beide ungefähr die gleiche Masse, das Proton trägt wie ein Elektron eine Ladung, von gleichem Betrag, aber anderem Vorzeichen. Das Neutrum ist, wie man anhand der Namenswahl bereits raten kann, neutral, hat also keine Ladung. Neutronen alleine bleiben nicht lange Neutronen, während sie in einem Kern zusammen mit Protonen stabil bleiben. Wenn ein Neutron zerfällt, findet sich danach ein Proton und ein Elektron (und wenn man sehr genau nachsieht noch ein Teilchen, welches hier nicht weiter diskutiert wird, zudem fliegen die Teile mit erheblicher Geschwindigkeit auseinander).

    Bevor man genauer hingesehen hat, hat man für kurze Zeit vermutet, die Welt würde letztlich aus Protonen und Elektronen bestehen. Die Idee, Kerne mit Kernen oder Protonen oder Protonen mit Protonen, Elektronen etc zu beschießen, war aber zu verlockend, um da nicht weiter zu versuchen, mit schnelleren Zusammenstößen mehr Details zu suchen. Das ähnelt von der Anschauung her der Idee, Autos zusammenkrachen zu lassen, um danach herauszufinden, woraus sie bestehen. Stoßen sie mit geringer Energie zusammen, deformieren sie sich vielleicht nur und man sieht nicht so viel von dem, was innen drin sein mag. Stoßen sie mit hoher Geschwindigkeit, wie man in der Physik sagt, mit hoher kinetischer Energie zusammen, fliegen dabei allerdings viele Bestandteile der Autos in verschiedene Richtungen auseinander und durch Untersuchung dieser Bruchstücke und wie oder wo sie von den Autos weggeflogen sind, kann man eine Menge über die Zusammensetzung von Autos lernen. Natürlich würde man da bei Autos eher anders vorgehen, aber das sind relativ große Objekte, die man mit geeignetem Werkzeug auch gut anders auseinandernehmen kann. Bei Atomen, Atomkernen sieht das hingegen anders aus, da sind im Wesentlichen die Werkzeuge Protonen, Elektronen, andere Kerne, Ionen.

    Am Beispiel mit den Autos kann man aber erkennen, dass bei hoher Energie noch weitere Effekte auftreten können, beim Stoß wegfliegende Teile zerreißen, bei einer Explosion oder einem Brand können sich aber auch neue Bestandteile ergeben, die so zuvor gar nicht im Auto dringesteckt haben.

    Der Effekt ist noch viel dramatischer, wenn man solche Stöße mit hoher kinetischer Energie mit Kernen etc durchführt. Es hat sich herausgestellt, dass dabei wenigstens Teile der kinetischen Energie in neue Teilchen verwandelt werden. Statt also mehr Detailinformation über die ursprünglich zusammenstoßenden Teile zu bekommen, hat man nun Teilchen mit neuen Eigenschaften produziert, die man auch erst einmal sortieren und verstehen sollte, um den Stoß und den Aufbau der Materie zu verstehen.

    Mit solch genaueren Experimenten hat sich also gezeigt, dass es neben den wenigen geläufigen Teilchen noch einen ganzen Zoo von weiteren Teilchen gibt, die sich anhand ihrer Eigenschaften sortieren lassen und mathematisch zu Gruppen zusammenfassen lassen. Nun hätte man mit zwei Teilchen und zusätzlich dem Licht noch ganz zufrieden sein können, um die Welt zu erklären, ein ganzer Zoo von Teilchen, der sich zudem in Gruppen einteilen lassen, die sich mathematisch beschreiben lassen, wirft jedoch weitere Fragen auf, provoziert weitere Modelle und Theorien, aufgrund derer dieser Teilchenzoo wiederum aus einfacheren Teilchen bestehen könnte. So wurde also nach einem Modell gesucht, welches solch einen Teilchenzoo mit möglichst wenig weiteren Teilchen beschreibt.

    Dabei ist man auf ein Modell gekommen, dessen Teilchen man Quarks, Leptonen und Austauschteilchen nennt. Neuerdings ist auch noch ein Higgs-Boson hinzugekommen, welches für die Masse der Teilchen verantwortlich sein soll. Nach diesem Modell benötigt man 6 verschiedene Quarks, 6 verschiedene Leptonen, 4 verschiedene Austauschteilchen und das Higgs-Boson, um sämtliche bekannten Teilchen des Teilchenzoos zusammensetzen zu können. Möglich sind weitere Teilchen ähnlich dem Higgs-Boson, die man noch nicht entdeckt hat.

    Aus den Quarks setzen sich Teilchen wie das Proton oder das Neutron zusammen, das Elektron gehört zu den Leptonen und etwa Photonen sind in diesem Modell jene Austauschteilchen, welche für das Licht stehen.

    Das sind zwar deutlich weniger Teilchen als der Teilchenzoo aufweist, aber immer noch deutlich mehr, als wirklich handlich ist. Sollten noch einige weitere Teilchen auf diesem Niveau gefunden werden, ist es möglich, dass bald wieder der Bedarf aufkommt, ein einfacheres Modell zu finden, welches diese Teilchen so erklären kann, dass sie aus deutlich weniger Teilchen zusammengesetzt sind. Bereits die Quarks im genannten Modell treten allerdings nie alleine auf, sondern immer in Gruppen. Etwa bestehen Proton und Neutron je aus drei Quarks. Von daher bleibt bereits bei diesen Modellen nicht mehr viel vom Konzept der Teilbarkeit oder Unteilbarkeit. Besser paßt da die Idee, ob Teilchen eine Struktur aufweisen, die über das hinausgeht, was schon bekannt ist und so Modelle provoziert, die diese bislang unbekannten Strukturen erklären können.

    Solche Modelle oder Theorien müssen nicht zwangsläufig auf Teilchen beruhen. Zum Beispiel gibt es die sogenannte Stringtheorie, bei der es sich eher um Kringel in der Raumzeit handelt. Raumzeit ist dabei ein Begriff aus der Relativitätstheorie, die bei dem zuvor genannten Teilchenmodell noch gar nicht berücksichtigt ist. Im Rahmen einer Stringtheorie kann es durchaus mehr als drei Dimensionen für den Raum und eine für die Zeit geben. Alternative Beschreibungsmodelle können einen ähnlich hohen Abstraktionsgrad aufweisen.

    Während man bei solch einem Teilchenmodell davon ausgeht, dass Wechselwirkungen, Kräfte zwischen Teilchen durch Austauschteilchen bewirkt werden (und in Form von Feldern beschreibbar sind), verwirft die Allgemeine Relativitätstheorie den Begriff des Feldes und führt ein anderes Konzept von Raum und Zeit ein, welches diese beiden Größen zu einer Struktur vereint, in welcher Massen diese Raumzeit krümmen. Die Bewegungen von Massen relativ zueinander werden demnach also nicht durch Felder bewirkt, sondern durch eine Krümmung der Raumzeit. Teilchen bewegen sich in dieser gekrümmten Raumzeit einfach immer auf dem kürzesten Weg, brauchen also keine Felder oder Austauschteilchen, um jene Effekte zu beobachten, die uns geläufig sind, etwa wie Planeten um die Sonne kreisen oder Mond und Erde umeinander.

    In der Interpretation des Teilchenmodells müßte es für die Gravitation auch Austauschteilchen geben, sogenannte Gravitonen, die aber schwer zu finden sind. Die eng damit verknüpften Gravitationswellen korrespondieren zun Gravitonen ungefähr wie elektromagnetische Wellen zu den Photonen im Teilchenmodell. Gravitationswellen sind bislang nur indirekt gemessen worden.

    Während die skizzierten Teilchenmodelle die Welt im kleinen gut beschreiben, jedenfalls solange nicht sehr viel Masse den Raum sehr stark krümmt, beschreibt die Allgemeine Relativitätstheorie die Gravitation großer Strukturen sehr genau, etwa den Einfluß von Sonnen auf Massen und Licht, das Verhalten von Galaxien, Galaxienhaufen und noch größere Strukturen bis hin zur Entwicklung des gesamten Universums.

    Interessant ist dabei, dass wiederum das Higgs-Boson aus dem Teilchenmodell erst bestimmt, welche Teilchen welche Masse haben, während die bislang nicht zum Teilchenmodell gehörige Allgemeine Relativitätstheorie beschreibt, welchen Effekt oder welche Wirkung Massen (und Energieansammlungen) auf andere Teilchen oder Phänomene haben, einschließlich solcher, die zwar eine Energie haben, aber keine Masse, wie etwa das Licht.

    Ungelöst ist indessen das Problem, wie sich diese Teilchenmodelle mit der Allgemeinen Relativitätstheorie vereinen lassen, um extreme Bedingungen beschreiben zu können, etwa der mutmaßliche Anfang des Universums, der Urknall, aber auch schwarze Löcher, eventuell auch das Ende des Universums. Aus Sicht des Teilchenmodells bleibt auch sehr rätselhaft, aus was das besteht, was im Rahmen der Beschreibung des Univerums mit der Relativistik mit Dunkler Materie und Dunkler Energie bezeichnet wird. Es wurden bislang keine Teilchen eindeutig identifiziert, die zu diesen Größen passen, welche immerhin das Verhalten des Universums bis runter zu Strukturen wie Galaxien dominieren.

    Auch solch offene Probleme zeigen, dass unser Bild vom Aufbau der Materie keineswegs abgeschlossen ist, es muß weiter verfeinert und verbessert werden, um 'alles' beschreiben zu können. Allerdings muß man auch klar sagen, dass man diese stimmigen Modelle für 'alles' keineswegs braucht, um unsere unmittelbare Umwelt beschreiben zu können, dafür reichen zumeist viel einfachere Modelle, die darauf beruhen, dass ein Atom eine Hülle und einen Kern hat, ohne dies weiter aufzulösen. Auf diesem Niveau lassen sich mittels der Atomphysik schlüssig mathematische Beschreibungen für die Chemie und Biologie etc angeben. Von den großen Strukturen her kommend lassen sich wiederum die für uns unmittelbar relevanten Phänomene der Raumzeit mit der Relativistik ausreichend erklären. Ganz praktisch braucht man das etwa beim Globalen Positionierungssystem (GPS), beim Mobilfunk und ähnlichen Anwendungen, die darauf angewiesen sind, dass man genau weiß, wo und wann welche Satteliten um die Erde kreisen und wie spät es gerade auf dem jeweiligen Satteliten ist und unten auf der Erde.

    Was die Atomphysik anbelangt, so steckt sie also irgendwo mittendrin im großen Gebäude der Physik. Die Atomphysik ist dabei einerseits ein gut verstandenes Fundament für andere Zweige der Physik und der sonstigen Naturwissenschaften, andererseits gibt es aber jenseits der Atomphysik im Rahmen der Kern- und Teilchenphysik und der Relativistik auch einige andere Bereiche der Physik, die sich allerdings recht gut von der Atomphysik abtrennen lassen, was bedeutet, dass die Atomphysik gut funktioniert, selbst wenn man diese anderen Zweige der Physik nur als recht einfache Parameter oder Korrekturen in die Modelle der Atomphysik einfließen läßt. Methoden und Modelle der Atomphysik werden sich also nicht (relevant) ändern, wenn es für die Teilchenphysik neue Modelle gibt oder sich da etwa die Stringtheorie einmal etablieren sollte. Vad som redan passar bra inom atomfysiken måste tvärtom vara lätt att härleda från en sådan mer allmän teoristimulering, varvid erfarenheten visar att sådana mer generella teorier vanligtvis har en sådan abstraktionsnivå att man kan fortsätta att lösa praktiska problem inom ramverk för atomfysik vars modeller kommer att användas, även om dessa i princip kan härledas från mer generella modeller. Atomfysiken är alltså ett bra exempel på att man inte behöver kunna 'allt' för att kunna beskriva mycket av vår vardag mycket exakt.


    Video: FysikB, eksamen, atomfysik og Bohr (December 2021).