Inhalt 1 Leben ist kernig Atome bestehen aus Elektronen, Kernen und viel leerem Raum Atomkerne bestimmen den Elementtyp

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1 Inhalt 1 Leben ist kernig... 1 Atome bestehen aus Elektronen, Kernen und viel leerem Raum... 1 Atomkerne bestimmen den Elementtyp... 2 Protonen und Neutronen sind die Kernbausteine... 2 Isotope unterscheiden sich durch die Zahl der Neutronen... 3 Manche Enzyme bevorzugen leichte Isotope... 4 Im Kern wirken alle vier Grundkräfte... 6 Bei der Bildung von Atomkernen wird Masse zu Energie... 7 Wenig Energie macht stabil, viel Energie macht agil... 9 Instabile Atomkerne ordnen sich neu und strahlen radioaktiv... 9 Kerne zerfallen in Reihen Der radioaktive Zerfall ist ein Zufallsprozess Eine Uhr für lange Zeiträume Der Zerfall von Atomkernen kann Leben schaden Leben ist geladen Eine Hülle aus Elektronen Elektronen als Teilchen Bohrs Postulate schränken Elektronen ein Elektronen als Wellen Atome bieten Wahrscheinlichkeiten statt Gewissheit Das Orbitalmodell bringt Atome und Moleküle in Form Vier Quantenzahlen kontrollieren die Elektronen im Atom So wenig Energie wie möglich Vom Atom zur DNA durch chemische Bindungen Elektronenpaare halten Atome fest zusammen Ionenbindungen sind ungerichtet Schwache Bindungen wirken durch ihre große Zahl Moleküle unternehmen fein abgestufte Quantensprünge Leben ist elektrisch Ladungen üben Kräfte aufeinander aus Elektrische Felder vermitteln die Kraft weiter Elektrische Spannungen sind gespeicherte Energie

2 X Inhalt Membranen sind elektrisch aufladbar Unterschiedliche Ladungsverteilungen erzeugen ein Membranpotenzial Die Kapazität bestimmt die Menge der gespeicherten Energie Das Membranpotenzial lässt Ionen arbeiten Wanderne Ionen bilden einen elektrischen Strom Die Umgebung leistet Wider stand gegen den Ladungsfluss Widerstand macht Energie zu Wärme Die Membran als elektrisches Schaltbild Nerven arbeiten mit elektrischen Signalen Leben ist magnetisch Zwei Seiten der gleichen Kraft Magnetismus entsteht durch bewegte Ladungen Elektronen machen Materie magnetisch Magnetisch ist nicht gleich magnetisch Nur vorübergehend magnetisch Elektrische Ströme erzeugen Magnetfelder Die Kraft der magnetischen Felder Wo geht es nach Norden? Strom durch Bewegung im Magnetfeld Ein Leiter im homogenen Magnetfeld Induktion an veränderlichen Magnetfeldern Magnetische Selbsterhaltung Die Energie des magnetischen Felds Alles in vier Gleichungen Erste Maxwell-Gleichung: Sich ändernde elektrische Felder erzeugen magnetische Wirbelfelder Zweite Maxwell-Gleichung: Ein zeitlich variables Magnetfeld ruft ein elektrisches Feld hervor Dritte Maxwell-Gleichung: Elektrische Felder gehen von Ladungen aus Vierte Maxwell-Gleichung: Es gibt keine magnetischen Monopole Leben ist farbig Licht hat Eigenschaften von Teilchen und Wellen Licht als elektro magnetische Welle Licht ist nur ein Teil des Spektrums Ungestörtes Licht breitet sich geradlinig aus Weiß und Himmelblau durch Streuung Oberflächen reflektieren Lichtstrahlen Materie bremst Licht ab Brechung lenkt Licht auf neue Bahnen Totalreflexion sperrt Licht ein Reflexion und Brechung treten meistens zusammen auf Farben ohne Farbstoffe Dünne Schichten reflektieren einfallendes Licht zweimal Flügel, Federn und Panzer schimmern durch 3D-Strukturen Farbige Fäden durch Lichtbeugung Licht hat auch Teilchencharakter Photonen sind die Teilchen des Lichts Photonen übertragen bei Stößen Energie... 98

3 Inhalt XI Pigmente absorbieren Teile des Lichtspektrums Licht misst Konzentrationen Moleküle müssen überschüssige Energie loswerden Kaltes Licht durch chemische Reaktionen Leben sieht hin Sehen ist die Kunst, Licht umzulenken Lochaugen liefern unscharfe Abbildungen Schärfe und Helligkeit schließen einander aus Linsenaugen sehen schärfer Die Krümmung gibt die Stärke vor Gekrümmte Flächen haben zwei Brennpunkte Die Abbildung ist reell und verkleinert Linsen sind eng benachbarte Grenzflächen Wir können Linsen auch zeichnerisch analysieren Linsen kombinieren ihre Kräfte Augen passen sich an Nah- und Fernsicht an Sammellinsen können näher ran Das menschliche Auge ist nicht perfekt Spiegelaugen sind bei speziellen Anforderungen überlegen Doppelt gesehen für die Dunkelheit Spiegel und Spiegelbild Gewölbte Spiegel fokussieren und zerstreuen Licht Spiegelaugen haben einen anderen Aufbau als Linsenaugen Orientierung mit der Schwingungsebene des Lichts Polarisiertes Licht schwingt in Ebenen Doppelbrechung erzeugt zirkulare Polarisation Komplexaugen erkennen die Schwingungsebene Leben ist dynamisch Bewegung ist nicht immer gleich Bewegung Eindimensionale gerade Bewegungen Der freie Fall Kräfte ändern Bewegungen Masse ist träge Kraft beschleunigt Massen Luftwiderstand ist eine Folge unzähliger Kollisionen Gravitation bringt Gewicht auf die Waage Leben kommt voran Gehen ist ein komplexer biomechanischer Prozess Stehen ist eine Frage des Gleichgewichts Umkippen ist eine Drehbewegung Beine arbeiten mit Hebelkraft Eingebaute Stoßdämpfer Federn speichern Energie Schritte mit und ohne Arbeit

4 XII Inhalt Energie bleibt erhalten Stöße sind elastisch oder zerstörerisch Reibung verhindert Wegrutschen Schwingen wie ein Pendel Kräftegleichgewicht auf der Kreisbahn Pendeln ist energiesparend Wasser braucht keine Balken Auftrieb ohne Aufwand Wasser kann zäh sein In Fluiden herrscht innere Reibung Passiver Strom durch Rohre und Adern Durch das Wasser schrauben Schwimmen wie ein Fisch im Wasser Schwerer als Luft und trotzdem fliegen Gleiten mit dynamischem Auftrieb Mehr Kontrolle durch Flügelschlagen Leben wahrt die Form Zellen sind aufgepumpt Kräfte wirksam verteilen Zug und Druck im Wechselspiel Kräfte gezielt lenken Mannigfaltig verformt Zur Seite ausweichen Druck aus allen Richtungen Langsames Nachgeben Verzerrt durch unterschiedliche Kräfte Mit Gewalt verdreht Seitliche Kräfte verbiegen Jenseits der Belastungsgrenze Leben schwingt mit Tönende Schwingungen Vibrierende Stimmlippen Schwingen um die Ruhelage Die Frequenz bestimmt die Tonhöhe Die Energie einer Welle Gemischte Schallwellen Klangfarbe durch Resonanz Gedämpfte Ausbreitung Mehrere Geschwindigkeiten für Wellen Schall in Festkörpern Bewegter Schall Dämpfende Reibung Ausbreitung in allen Dimensionen Wege um Hindernisse Hören und Fühlen Zum Mitschwingen gezwungen

5 Inhalt XIII Aus Amplitude wird Druck Mit den Knochen hören Doppelter Druck ist nicht doppelt so laut Leben braucht Wärme Energie zum Leben Energieträger müssen gelöst sein Gase verstecken sich in Flüssigkeiten Flüssigkeiten mischen sich verschieden gut Festkörper werden beim Lösen zerlegt Wärme ist Bewegung und Energie Lösungsmittel bieten neue Bindungen Die Macht der Beliebigkeit Lösungen ohne Ionen Hierarchische Energie Auf Zufallswegen in die Zelle Die Energiebilanz biochemischer Reaktionen Wärme als besondere Energieform Wärme kann gespeichert werden Wärme dehnt aus und setzt unter Druck Ideales Gas als einfaches Modell Reale Gase verhalten sich ähnlich Wärmetransport durch Strahlung und Berührung Kühlen und Wärmen mit Phasen übergängen Abbildungsnachweis Index

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