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Revolutionen im Weltbild der Physik seit 1900
Prof. (em.) Dr. Hans-Jürgen MikeskaTheoretische Physik, Universität Hannover
VHS Springe, 05.11.2011
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Zwei Revolutionen in der Physik im 20. Jhd
Ernest Rutherford 1911: Atome haben einen winzigen Kern
Edwin Hubble 1929:
Das Universum dehnt sichaus
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Längenskalen im Universum
Erde
12000 km
Oortsche Wolke(Heimat derKometen)
100 Milliarden km
Spiralgalaxie
1018 km
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Oortsche Wolke (großes Bild)
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mehr aus dem Sonnensystem
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- Moleküle, Atome, Elektronen, Periodensystem- elektromagnetische Wellen- radioaktive Strahlen (α-, β-, γ-Strahlen)
- statisches Universum (unsere Galaxie = Milchstraße)
Revolutionen im 20./21. Jhd: Die Welt im Kleinen: Struktur der Materie ( = Atomkerne, quarks …)
Quantenmechanik ( = „Gott würfelt“)
Die Welt im Großen: Urknall, Sternentstehung, Ende der Welt (= Kosmologie)
Dagegen 19.Jhd.:
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Rutherford ab 1911:
Das Wasserstoffatom hat einen winzigen Kern, in dem die positive Ladung konzentriert ist.
Es gibt ein ungeladenes Gegenstück zum Proton:Neutron (Chadwick 1932)
Der Kern des Wasser- stoffatoms heißt Proton.
Planetenmodell des
Wasserstoffatoms
Atomkerne bestehen aus Protonen und Neutronen
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Streuexperimente
Rutherford ab 1911: α-Teilchen auf Goldatome
proton existiert
Hofstadter 1957:Elektronen auf Wasserstoffkerne:
proton hat Struktur( = quarks existieren)
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Quarks als Bestandteile des Protons
Experimente Hofstadter ab 1957:
Das Proton ist endlich ausgedehnt und hat innere Struktur
Theorie Gell-Mann ab 1964:
Mathematische Beschreibung des Aufbaus von Proton, Neutron usw. aus fiktiven fundamentaleren Einheiten, quarks genannt
Theorie Feynman 1969: Beschreibung der Streuung am Proton
Experiment Friedmann, Kendall, Taylor ≈1970:
Das Proton hat drei punktförmige Bestandteile, genannt quarks
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Elementare Bestandteile der Materie
Alle Materie unserer täglichen Erfahrung besteht aus drei Sorten von Elementarteilchen:
zwei quarks u, d(„up“, „down“) und Elektronen e
Elektrische Ladung: Elektron -1u quark +2/3
d quark - 1/3
Proton = (u,u,d)Neutron = (u,d,d)
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1. Überraschung:Es gibt (so etwas wie) ein ungeladenes Elektron,
das Neutrino νe
Existenz postuliert 1932 von Wolfgang Pauli
Experimentell nachgewiesen 1959
⇒ zwei Paare elementarer Teilchen: (u, d) (e, νe)
Andreas Gursky:NeutrinodetektorKamiokande (Japan)
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ÜberraschungenEs gibt (so etwas wie) ein ungeladenes Elektron,
das Neutrino νe
Existenz postuliert 1932 von Pauli
Experimentell nachgewiesen 1959
Es gibt (so etwas wie) ein schweres Elektron, das
Muon μ (ursprünglich „μ-Meson“, Anderson 1936)
Pauli: „Who has that ordered?“
⇒ Symmetrisches Ergebnis: (u, d) (e, νe)
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2. Überraschung:
Es gibt (so etwas wie) ein schweres Elektron, das
Muon μ (ursprünglich „μ-Meson“, Anderson 1936)
Pauli: „Who has that ordered?“
Das Muon ist die Spitze eines Eisbergs, das erste Anzeichen der vollständigen Liste der elementarenTeilchen:
1. Familie: (u, d) (e, νe) 2. Familie: (c, s) (μ, νμ)3. Familie: (t, b) (τ, ντ)
„punktförmige“ Quarks / Leptonen
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2. Überraschung:
Es gibt (so etwas wie) ein schweres Elektron, das
Muon μ (ursprünglich „μ-Meson“, Anderson 1936)
Pauli: „Who has that ordered?“
Das Muon ist die „Spitze eines Eisbergs“: es ist das erste Anzeichen für drei Familien von elementaren Teilchen:
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Materie im „Standardmodell“
1. Familie: (u, d) (e, νe)
2. Familie: (c, s) (μ, νμ)
3. Familie: (t, b) (τ, ντ)
Zu allen Teilchen gibt es Antiteilchen (Elektron / Positron)
Quarks haben drei verschiedene Farbladungen („rot, blau, grün“)
Quarks und Leptonen sind „punktförmig“.
Sie haben zwei mögliche Werte, ±½, für ihren „inneren Drehimpuls“ (genannt „spin“), sie sind „Fermionen“.
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Wechselwirkungen
Starke Wechselwirkung (= Kräfte im Atomkern) durch Austausch von „Gluonen“
Schwache WechselwirkungZerfall des Neutrons durch Austausch von W Bosonen:
n → p + e + νe
Elektrische Anziehung / Abstoßung durch Austausch von Photonen (= Licht, -Quanten )
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Warum gibt es keine freien quarks?
Versuch, ein aus zwei quarks zusammen gesetztes Teilchen (Meson) zu spalten:
Größenordnungen
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Meson (z.B π - Meson), zusammengesetzt aus quark und antiquark mit Farbladung
Baryon (z.B proton), zusammengesetzt aus drei quarks mit Farbladung
Antibaryon (z.B antiproton), zusammengesetzt aus drei antiquarks mit komplementären Farbladungen
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Quanten: In der Welt des sehr Kleinen ist vieles ganz anders
Problem Wasserstoffatom:Positive und negative Ladungen ziehen sich an:
Warum fällt das Elektron nicht in den Atomkern ?
Warum strahlt das geladene Elektron nicht wie eine Antenne?
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Elektronen als Materiewellen
Elektronen zeigen Beugung und Interferenz am Gitter (genau wie Licht)
P.G.Thomson / Davisson und Germer 1927:
Wellenlänge: λ = ℏ /( )mv
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Modelle für das Elektron im Wasserstoffatom
Vorhersage: L. deBroglie (1924)
Experiment: G.P. Thomson (1927)
Rutherford (1911)J.J. Thomson (1897)
Elektron als Teilchen: Elektron als Welle:
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Aspekte der Quantenmechanik:dreimal Elektron im Wasserstoffatom
Verschmierte Elektronenwolke
(Schrödinger)
Diskrete Energieniveaus
(Bohr, Heisenberg)
Stehende Elektronenwelle
(de Broglie)
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Quantenwelt mikroskopisch
Fragen: Warum fällt das Elektron nicht in den Atomkern ?
Warum strahlt das geladene Elektron nicht als Antenne?
Antworten der Quantenmechanik:
Elektronen benehmen sich, je nach Fragestellung, als Teilchen oder als Wellen
Das Elektron ist verschmiert, hat keine genaue Position. (Heisenberg'sche Unschärferelation von 1927)
Das Ergebnis einer Messung ist nicht vorhersagbar.
Einstein 1935: Gott würfelt nicht! ????
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Quantenwelt auch makroskopisch ?Schrödingers Katze: Tot oder lebendig ist erst nach dem
Öffnen der Kiste eine sinnvolle Alternative.
- Quantenlogik (verschränkter Zustand) statt
aristotelischer Logik (tertium non datur)
- Quantenmechanik und Determinismus
- Chaos, Multiversen
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Systeme aus sehr vielen Atomen
I. Gase, Flüssigkeiten, Kristalle, Metalle, Steine, Berge …..
II. Planeten, Sterne …..
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Systeme aus sehr vielen Atomen
I. Gase, Flüssigkeiten, Kristalle, Metalle, Steine, Berge …..
d.h. die Gravitation zwischen den Bestandteilen spielt keine Rolle, die Bestandteile halten durch die molekularen Anziehungskräfte zusammen (durch die chemische Bindung).
II. Planeten, Sterne …..
d.h. die Bestandteile werden durch die Gravitation zwischen ihnen zusammen gehalten.
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Wie groß ist der größte Berg / Stein / Planet?
Die Bindungskräfte halten eine Menge aus, die Atome kommen einander zwar näher, aber der Stein wird größer.
Wenn die Atome einander sehr nahe kommen, werden die Elektronen sozialisiert: an die Stelle des chemischen Drucks tritt der sog. Entartungsdruck der Elektronen.
Ebenso bei Planeten:
Ein Beispiel für diese Sozialisation im irdischen Labor ist metallischer Wasserstoff.
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Entartungsdruck
Wolfgang Pauli 1925:
Elektronen mit gleicher Spinausrichtung haben Abscheu voreinander, sie vermeiden es, zusammen zu sein. Dies hat nichts mit der Abstoßung durch ihre gleichnamigen Ladungen zu tun (die noch zusätzlich auftritt) und gilt für alle Fermionen (Spin ½ Teilchen: ν, μ, u, d...., p, n,...He3), aber nicht für Bosonen (Spin 0 und 1 Teilchen: He4)
= Pauli Prinzip
Konsequenzen des Pauli Prinzips:
Periodisches System der Elemente (aus Schalenstruktur)
Entartungsdruck im Elektronengas
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Gleichgewicht in Sternen
Die Gravitationsanziehung zwischen den einzelnen Bestandteilen eines Sterns muss durch eine Gegenkraft ausgeglichen werden, sonst würde er zusammenstürzen.
„lebende“ Sterne heizen in ihrem Innern – der so entstehende Gasdruck hält der Gravitation das Gleichgewicht.
Temperatur im Sonneninnern: 15 Mio Grad
„tote“ Sterne sind kalt: Entartungsdruck statt Gasdruck
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Größe eines Berges / Steins / Planeten
in Abhängigkeit von der Masse
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Gleichgewicht in ausgebrannten Sternen
Maximaler Gegendruck durch Elektronenentartung:
⇒ Elektronenstern
= weißer Zwerg
(≙ Riesenatom, -metall)
Maximaler Gegendruck durch Neutronenentartung:
⇒ Neutronenstern
= Pulsar
(≙ Riesenatomkern)
Weißer Zwerg im Zentrum einesplanetarischen Nebels (Ringnebel)
Neutronenstern = Pulsar
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Materie höchster Dichte
Weißer Zwerg: 3m x 2,5m x 1m Beton im Volumen einer Streichholzschachtel
Neutronenstern: 3km x 2,5km x 1km Beton im Volumen einer Streichholzschachtel
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Lecture 02
● Wie heizen die Sterne, insbesondere die Sonne ?
● Woher stammen die heute vorhandenen Elemente ?
● Wie war der Anfang des Universums ?
● Wie haben sich Elementarteilchen, Atome, Galaxien, Sterne gebildet ?
● Ist das Universum unendlich, wie schnell dehnt es sich aus?