Bogdan Povh. Anschauliche Physik. für Naturwissenschaftler

Transkript

1 Anschauliche Physik

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3 Bogdan Povh Anschauliche Physik für Naturwissenschaftler 123

4 Prof. Dr. Bogdan Povh MPI für Kernphysik Saupfercheckweg Heidelberg Deutschland b.povh@mpi-hd.mpg.de ISBN e-isbn DOI / Springer Heidelberg Dordrecht London New York Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über abrufbar. c Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2011 Dieses Werk ist urheberrechtlich geschützt. Die dadurch begründeten Rechte, insbesondere die der Übersetzung, des Nachdrucks, des Vortrags, der Entnahme von Abbildungen und Tabellen, der Funksendung, der Mikroverfilmung oder der Vervielfältigung auf anderen Wegen und der Speicherung in Datenverarbeitungsanlagen, bleiben, auch bei nur auszugsweiser Verwertung, vorbehalten. Eine Vervielfältigung dieses Werkes oder von Teilen dieses Werkes ist auch im Einzelfall nur in den Grenzen der gesetzlichen Bestimmungen des Urheberrechtsgesetzes der Bundesrepublik Deutschland vom 9. September 1965 in der jeweils geltenden Fassung zulässig. Sie ist grundsätzlich vergütungspflichtig. Zuwiderhandlungen unterliegen den Strafbestimmungen des Urheberrechtsgesetzes. Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Werk berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, dass solche Namen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von jedermann benutzt werden dürften. Einbandentwurf: estudio Calamar S.L. Illustrationen: Gernot Vogt Gedruckt auf säurefreiem Papier Springer ist Teil der Fachverlagsgruppe Springer Science+Business Media (

5 Für Anica

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7 Vorwort It is good to have an end to journey toward, but it is the journey that matters in the end. Ursula K. Le Guin Das vorliegende Buch ist eine erste, aber umfassende Einführung in die Physik und richtet sich an Naturwissenschaftler mit Nebenfach Physik, sowie Lehrer an Gymnasien und Fachschulen. Behandelt werden klassische Gebiete wie Mechanik, Wärmelehre und Elektrodynamik, bis hin, einerseits zu den Vorgängen im atomaren und nuklearen Bereich und, andererseits, zu dem physikalischen Modell des Universums. Physik soll uns helfen, die vor uns ablaufenden Vorgänge in der materiellen Welt qualitativ zu verstehen; auch Vorgänge aus dem Bereich der Biologie und der Lebenswissenschaften. Dieser Gesichtspunkt steht im Zentrum des vorliegenden Buches. Physik stellt sich aber auch die Aufgabe, ihre innere Konsistenz zu sichern und, des weiteren, quantitative Aussagen zu machen. Dafür wird die Sprache der Mathematik eingesetzt, die dem Nichtfachmann selten zur Verfügung steht. Folgerichtig wird in diesem Buch der formal mathematische Apparat stark zurückgenommen. Er beschränkt sich auf diejenigen Formeln, die man in der Alltagspraxis wirklich braucht, um etwas konkret auszurechnen bzw. die eminent wichtigen physikalischen Größenordnungen richtig abzuschätzen. Das Erlernen der Physik soll jedem offen stehen und es soll, so sieht es der Autor, auch Spaß machen. Die Physik wird anhand von alltagsnahen Fragestellungen beschrieben und der Leser lernt dabei die wichtigsten Begriffe und Erkenntnisse in knapper, aber gut verständlicher Form kennen. Aber neben der Beschreibung in Worten, findet der Leser zahlreiche eingängige und oft aus der Physik des Alltags genommene Abbildungen, die alle auf Anregung und unter Aufsicht des Autors grafisch einheitlich gestaltet sind. Sie dienen nicht nur der Illustration des Textes und der Ergötzung des Lesers. Versehen mit ausführlichen pädagogisch hervorragenden Legenden wird durch sie Physik noch einmal eindringlich verdeutlicht und, im wahrsten Sinne des Wortes, anschaulich gemacht. Es soll das Auge als mnemotechnisches Lehrmittel in guter Tradition von R. W. Pohl und nach dem Vorbild von seriösen Wissenschaftsmagazinen wirkungsvoll eingesetzt werden: Physiklernen durch Anschauen. Die Abbildungen zusammen VII

8 VIII Vorwort mit den konzentrierten Textwiederholungen in den Bildlegenden stellen quasi auf zweiter Ebene und das ist das Besondere an diesem Buch eine weitere willkommene Lernhilfe dar. Es werden Beobachtung in der Natur und Experimente im Labor analysiert. Die Phänomene werden in einfacher Sprache erklärt und letztendlich auch noch für quantitative Betrachtungen in mathematischer Symbolik, in der Formelsprache, formuliert. Dadurch wird erreicht, dass jede Formel sogleich ihren physikalischen Inhalt bekommt. Das wird vertieft, indem zu jeder Formel ihre Anwendung an nützlichen Beispielen demonstriert wird. Das Buch soll also eine erste Einführung in die Physik und ihre Begriffe und Methoden sein. Aber es will noch mehr. Es soll die Stellung der Erde im Sonnensystem, des Sonnensystems in der Milchstraße, der Milchstraße im Universum aus physikalischer Sicht zeigen. Und es soll helfen, die Vorgänge auf der Erde bis hin zur Struktur kleinster Bauteile und ihrer Wechselwirkungen zu erklären. Beides, die Physik im Größten und die im Kleinsten, sind nach unseren heutigen Vorstellungen nicht mit dem Wissen des 19. Jahrhunderts, der Zeit der sogenannten klassischen Physik, vollständig zu verstehen. Es waren Max Planck und Albert Einstein, die Anfang des 20. Jahrhunderts die Tür aufgestoßen haben zur sogenannten modernen Physik unserer Tage: Zur Relativitätstheorie und zur Quantenphysik. Sie werden in diesem Lehrbuch ihrer Bedeutung entsprechend behandelt; und das unter Beibehaltung des Grundsatzes, dass es hier um eine für Nichtfachleute verstehbare Darstellung gehen muss. Einstein hat nach tiefer Analyse der klassischen Physik ihre Inkonsistenz erkannt und als Lösung des Dilemmas vorgeschlagen, die damalige Jahrhunderte alte Vorstellung von Raum und Zeit aufzugeben. In der Speziellen Relativitätstheorie liegt der Physik eine Raum und Zeit vereinheitlichende Raumzeit zugrunde. Auch wenn diese in der uns auf der Erde begegnenden Physik nur in der Hochenergiephysik angewandt wird, ist sie wegen ihrer großen weltanschaulichen Bedeutung Bestandteil naturwissenschaftlichen Allgemeinwissens. In der Allgemeinen Relativitätstheorie wird diese Raumzeit, die bei der Deutung der Gravitation an ihre Grenzen stößt, geometrisch erweitert und damit wird ein physikalisches Verstehen kosmischer Vorgänge im Großen möglich; ermöglicht aber auch die technische Realisierung der GPS-Ortung hier auf unserer Erde. Experimente, die den Leser an Einsteins neue Vorstellungen heranführen, werden in diesem Buch behandelt. Für einen Laborphysiker sieht die Einsteinsche Raumzeit nicht anders aus als die Newtonsche Welt, die unseren dreidimensionalen Raum an die Zeitachse des Beobachters anheftet. Erst wenn man zu höheren Energien oder Geschwindigkeiten kommt, merkt man allmählich stärker merkbare Ab-

9 Vorwort IX weichungen. Dieser allmähliche Übergang erleichtert die physikalische Interpretation speziell-relativistischer Effekte. Eine ganz andere Situation findet man bei den Quanteneffekten vor. Die Quantenmechanik stellt für Studenten eine weit höhere Hürde dar. Ihre theoretische Durchdringung erfordert einen sehr anspruchsvollen mathematischen Apparat, der zuerst von John von Neumann in den 20er Jahren ausgearbeitet worden ist, und zum anderen erschließen sich ihre radikal neuen Konzepte nur über die Anwendungen auf Quantensysteme, zu denen der Experimentator mithilfe makroskopischer Meßaparate nur einen indirekten Zugang hat. Und das gilt schon bei den einfachsten Systemen, den Atomen. Deswegen werden in diesem Buch quantenmechanische Konzepte an eindimensionalen Systemen beschrieben, bei denen man auch mathematisch gut mit elementaren Winkelfunktionen und der Exponentialfunktion zurecht kommt. Von daher, so denken wir, sollte es keine prinzipiellen Schwierigkeiten machen, die quantenmechanische Beschreibung auf dreidimensionale Probleme zu erweitern. Die Physik der Atome, der Moleküle bis hin zu den subatomaren Strukturen der Kernphysik einerseits und die des expandierenden Universums stützen sich auf die relativistischen und auf die Quantenphänomene. Das wird dem Leser in den Kapiteln erklärt. Natürlich bekommt auch die klassische Physik, auf der ja das ganze physikalische Denken aufbaut, in diesem Buch den ihrer Bedeutung zustehenden Raum zugewiesen. Galileis wegweisende Studien zur Bewegungslehre, die er als alter Mann in der Verbannung abgeschlossen und 1638 als Buch über die Bewegungslehre veröffentlicht hatte, haben uns die Mechanik beschert, die in den Kapiteln 2 4 dargestellt ist. Aufbauend darauf hat Newton die in Kapitel 5 behandelte Gravitation physikalisch gedeutet und auf die Himmelsmechanik angewandt. Die Kapitel 6 und 9 behandeln die für unser Leben so wichtigen Flüssigkeiten und die mechanischen Wellenphänomene; hier haben die Basler Physiker Daniel Bernoulli und Leonhard Euler die wesentlichen Impulse gegeben. Kapitel sind den elektromagnetischen Vorgängen gewidmet, also einer Physik, die ein radikales Umdenken des mechanischen Weltbilds bedeutet hat, damals Mitte des 19. Jahrhunderts, als sie von Faraday und Hertz erschlossen worden waren. Die Kapitel 7 und 8 behandeln die Wärmelehre, die man im 19. Jahrhundert der Mechanik angefügt hat, um in abgeschlossenen Systemen der Energieerhaltung gerecht zu werden. Sie steht im Mittelpunkt technischer Vorgänge und auch der Lebensprozesse. Heute interessieren uns viel mehr die offenen Systeme, zu denen auch unsere Erde gehört; das Leben auf unserem Planeten verdanken wir dem Unterschied zwischen der Qualität der von der Sonne eingestrahlten und der von der Erde emittierten Energie.

10 X Vorwort Ein Literaturverzeichnis, das dem Leser ein vertieftes Weiterstudium ermöglichen sollte, schließt das Buch ab. Als erstes möchte ich mich bei Wolf Beiglböck bedanken für den Vorschlag dieses Lehrbuch basierend auf Abbildungen zu gestalten und dadurch eine anschauliche Darstellung zu erreichen. Auch der Titel des Buches stammt von ihm. Gernot Vogt hat seine künstlerische Neigung mit Erfolg in den Abbildungen des Buches gezeigt. Der Abschnitt Elektrizität in der Biologie wurde in Zusammenarbeit mit Heinz Horner (Heidelberg) verfasst, Bindungscocktails entstand mit der Hilfe von Samo Fišinger (Ljubljana) und Energieübertragung mit Dušan Povh (Nürnberg). Für kritische Bemerkungen und Verbesserungsvorschläge danke ich Jörg Hüfner (Heidelberg), Karl-Tasso Knöpfle (Heidelberg), Dietrich Pelte (Heidelberg), Mitja Rosina (Ljubljana) und Bernhard Schwingenheuer (Heidelberg). Bei der Textverarbeitung haben geholfen Tina Pollmann, Volkhard Mäckel, Gerhard Zuern, Renee Klawitter und Julia Serwane. Im letzten Jahr des Buchschreibens hat Kirsten Schnorr in sprachlichen und technischen Fragen wesentlich zur Fertigstellung des Buches beigetragen. Heidelberg, im November 2010 Bogdan Povh

11 Inhaltsverzeichnis 1 Hors d Oeuvre Wissenschaftliche Revolution Physik im 20. Jahrhundert Struktur der Materie Die fundamentalen Wechselwirkungen Einheiten Messfehler Kinematik Weg, Geschwindigkeit und Beschleunigung Addition zweier Geschwindigkeiten Kreisbewegung Dynamik Masse, Impuls und Impulserhaltung Kraft Proton im elektrischen Feld Schwere Masse Drehimpuls und Drehimpulserhaltung Schwerpunkt Drehmoment Bewegungsgleichung der Rotation Energie und Arbeit Mechanik und Sport Stabhochsprung Peitscheneffekt im Sport XI

12 XII Inhaltsverzeichnis 4 Stoß, Oszillator und Kreisel Elastischer und inelastischer Stoß Federpendel, Harmonischer Oszillator Potential des Harmonischen Oszillators Quantenmechanischer Harmonischer Oszillator Klassischer Kreisel Quantenmechanischer Kreisel Gravitation Sonne Erde Mond Erde auf einer Kreisbahn Ortsgebundener Satellit Mondanziehung Gezeiten Sonnensystem Milchstraße Schwarzes Loch in der Mitte der Milchstraße Determinismus und Deterministisches Chaos Die Masse des Lichts: E D mc Schwarzschildradius und Ereignishorizont Flüssigkeit und Gas Druck als Folge der Erdanziehung Wasserdruck Barometrische Höhenformel Archimedisches Prinzip Strömung nach Bernoulli und Venturi Blutkreislauf Physik des Fliegens Wind-Druck-Abhängigkeit Kohäsion und Adhäsion Kinetische Theorie der Wärme Ideales Gas Reales Gas Maxwellsche Geschwindigkeitsverteilung Spezifische Molwärme von Gasen Spezifische Molwärme bei konstantem Volumen c V Spezifische Molwärme bei konstantem Druck c p Spezifische Molwärmen kristalliner Substanzen Spezifische Molwärme von Flüssigkeiten Phasenübergänge

13 Inhaltsverzeichnis XIII 7.8 Wärmemaschinen Wärmepumpe Diffusion und Osmose Wärmetransport Wärmeleitung Konvektion Strahlung Entropie Abgeschlossene Systeme Zeitrichtung Offene Systeme Selbstorganisation Mechanische Wellen Eindimensionale, longitudinale und transversale Wellen Phasengeschwindigkeit Energie und Impuls der Welle Reflexion, Transmission und Absorption Stehende Wellen Wasserwellen Interferenz und Beugung der Wasserwellen Schall Schallwellen im Gas Dopplereffekt Schockwellen Ultraschall Infraschall Elektromagnetische Wechselwirkung Elementarladung Das magnetische Feld und das magnetische Moment des Elektrons Elektrische Spannung und elektrischer Strom Elektrischer Strom in Metallen Strom in Lösungen Batterie Widerstand Kondensator Elektrizität in der Biologie Elektrische Eigenschaften der Zellmembran Magnetfeld und magnetische Induktion

14 XIV Inhaltsverzeichnis Spule Transformator Elektromagnetischer Schwingkreis Stromgenerator Elektromotor Maxwellgleichungen Energietransport Elektromagnetische Wellen Lichtgeschwindigkeit Relativitätstheorie Es gibt keinen absoluten Raum Es gibt keine absolute Zeit Längenkontraktion Äquivalenz von Masse und Energie Experimentelle Bestätigung von Dilatation und Kontraktion Strahlungsquellen Atomspektren Laser Röntgenstrahlung Bremsstrahlung Charakteristische Röntgenstrahlung Röntgenspektroskopie Wärmestrahlung Optik Reflexion und Brechung Geometrische Optik Linse Auge Lupe und Mikroskop Spiegelteleskop Das Sehen Quantenmechanik Die wesentlichen Begriffe Photon Photoeffekt Comptonstreuung Ist das Photon ein Teilchen oder eine Welle? Elektron Das Elektron ist ein Teilchen Das Elektron ist eine Welle

15 Inhaltsverzeichnis XV 13.3 Heisenbergsche Unschärferelation Das virtuelle Photon Wellenfunktion Unendliches Kastenpotential Harmonisches Potential Endliches Kastenpotential Tunneln durch eine Potentialbarriere Strahlungsübergänge Elektronen sind Fermionen, Photonen sind Bosonen Atome Wasserstoffatom Die vier Quantenzahlen des Wasserstoffatoms Periodensystem der Elemente Moleküle Starke chemische Bindung Kovalente Bindung Metallische Bindung Ionische Bindung Geometrie der Moleküle Wasserstoffbrückenbindung Van-der-Waals-Bindung Bindungscocktails Graphit Faltung Kondensierte Materie Kovalente Kristalle Ionische Kristalle Eis Van-der-Waals-Kristalle Metalle Quarks, Nukleonen und Kerne Starke Wechselwirkung Schwache Wechselwirkung ˇ -Zerfall Quarkspektroskopie Kernbindungsenergie Stabile Isotope Fusionsreaktor Sonne

16 XVI Inhaltsverzeichnis 17.5 Elementsynthese Spaltung Radioaktivität Geothermale Energiequellen Das Alter des Sonnensystems Umweltradioaktivität Expandierendes Universum Kosmische Rotverschiebung und Expansion Das Big-Bang/Urknall-Modell Weiterführende Literatur Sachverzeichnis