Studium Generale Physik
Wolfgang W. Osterhage Studium Generale Physik Ein Rundflug von der modernen Physik klassischen bis zur
Wolfgang W. Osterhage Wachtberg-Niederbachem Deutschland ISBN 978-3-662-49475- 2 ISBN 978-3-662-49476-9 (ebook) DOI 10.1007/978-3-662-49476-9 Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über http://dnb.d-nb.de abrufbar. Springer Spektrum Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2013, unveränderter Nachdruck 2016 Das Werk einschließlich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung, die nicht ausdrücklich vom Urheberrechtsgesetz zugelassen ist, bedarf der vorherigen Zustimmung des Verlags. Das gilt insbesondere für Vervielfältigungen, Bearbeitungen, Übersetzungen, Mikroverfilmungen und die Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen. 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. Der Verlag, die Autoren und die Herausgeber gehen davon aus, dass die Angaben und Informa-tionen in diesem Werk zum Zeitpunkt der Veröffentlichung vollständig und korrekt sind. Weder der Verlag noch die Autoren oder die Herausgeber übernehmen, ausdrücklich oder implizit, Gewähr für den Inhalt des Werkes, etwaige Fehler oder Äußerungen. Planung: Lisa Edelhäuser Gedruckt auf säurefreiem und chlorfrei gebleichtem Papier Springer Spektrum ist Teil von Springer Nature Die eingetragene Gesellschaft ist Springer-Verlag GmbH Berlin Heidelberg
Inhalt Vorwort............................................................ IX Teil 1 Klassische Physik................................................... 1 1 Kraft............................................................ 3 1.1 Einleitung..................................................... 3 1.2 Kraft und Wirkung.............................................. 4 1.3 Maßeinheiten und Bezugssysteme................................. 5 1.4 Statik......................................................... 6 1.5 Fazit.......................................................... 12 2 Bewegung...................................................... 13 2.1 Einleitung..................................................... 13 2.2 Kinematik..................................................... 13 2.3 Kinetik........................................................ 16 2.4 Fazit.......................................................... 23 3 Flüssigkeiten und Gase............................................ 25 3.1 Einleitung..................................................... 25 3.2 Flüssigkeiten................................................... 25 3.3 Gasdynamik................................................... 32 3.4 Fazit.......................................................... 37 4 Wärmelehre..................................................... 39 4.1 Einleitung..................................................... 39 4.2 Energie....................................................... 39 4.3 Temperatur.................................................... 42 4.4 Erster Hauptsatz der Thermodynamik.............................. 45 4.5 Zweiter Hauptsatz der Thermodynamik............................. 47 4.6 Wärmeleitung.................................................. 51 4.7 Phasen........................................................ 52 4.8 Fazit.......................................................... 55
VI Book Studium TitleGenerale Physik 5 Elektrizitätslehre................................................. 57 5.1 Einleitung..................................................... 57 5.2 Ladung....................................................... 57 5.3 Strom und Spannung............................................ 59 5.4 Magnetismus.................................................. 64 5.5 Wechselstrom.................................................. 67 5.6 Maxwellsche Gleichungen........................................ 70 5.7 Transformator.................................................. 71 5.8 Fazit.......................................................... 73 6 Felder........................................................... 75 6.1 Einleitung..................................................... 75 6.2 Gravitation.................................................... 78 6.3 Elektromagnetismus............................................. 79 6.4 Fazit.......................................................... 81 7 Wellen.......................................................... 83 7.1 Einleitung..................................................... 83 7.2 Allgemeine Wellenlehre......................................... 83 7.3 Mechanische Schwingungen...................................... 85 7.4 Elektromagnetische Wellen....................................... 87 7.5 Strahlenoptik.................................................. 92 7.6 Wellenoptik................................................... 95 7.7 Fazit.......................................................... 100 8 Intermezzo von der Klassik zur Moderne........................... 101 Teil 2 Quantenphysik..................................................... 105 9 Atomphysik...................................................... 107 9.1 Einleitung..................................................... 107 9.2 Strahlung..................................................... 107 9.3 Teilchen und Wellen............................................. 112 9.4 Atommodelle.................................................. 118 9.5 Spektren...................................................... 120 9.6 Quantenzahlen................................................. 122 9.7 Quantenmechanik.............................................. 124 9.8 Fazit.......................................................... 130 10 Kernphysik....................................................... 133 10.1 Einleitung.................................................... 133 10.2 Radioaktivität................................................. 133 10.3 Periodensystem der Elemente.................................... 139
Inhalt VII 10.4 Aufbau des Atomkerns........................................ 141 10.5 Starke Wechselwirkung........................................ 142 10.6 Kernmodelle................................................. 143 10.7 Technologien................................................ 147 10.8 Kernphysikalische Reaktionen................................... 151 10.9 Kernreaktoren............................................... 154 10.10 Fusion...................................................... 156 10.11 Fazit........................................................ 163 11 Elementarteilchen............................................... 165 11.1 Einleitung................................................... 165 11.2 Erkenntnisse................................................. 165 11.3 Experimente................................................. 167 11.4 Klassifizierungen............................................. 170 11.5 Quarks...................................................... 174 11.6 Schwache Wechselwirkung..................................... 176 11.7 Fazit........................................................ 179 12 Intermezzo von der Quantenphysik zur Gravitation................. 181 12.1 Einleitung................................................... 181 12.2 Die vier Wechselwirkungen..................................... 182 12.3 Quantenelektrodynamik (QED) und elektroschwache Wechselwirkung.............................................. 183 12.4 Standardmodell der Elementarteilchen........................... 185 12.5 Gravitation.................................................. 186 Teil 3 Relativitätstheorie................................................. 187 13 Spezielle Relativitätstheorie....................................... 189 13.1 Einleitung................................................... 189 13.2 Lichtgeschwindigkeit.......................................... 189 13.3 Referenzsysteme / Ungleichzeitigkeit............................. 192 13.4 Energie-Masse-Äquivalent...................................... 195 13.5 Fazit........................................................ 198 14 Allgemeine Relativitätstheorie.................................... 199 14.1 Einleitung................................................... 199 14.2 Gravitation.................................................. 199 14.3 Raumzeit.................................................... 201 14.4 Koordinatensysteme.......................................... 203 14.5 Krümmung.................................................. 204 14.6 Gravitationsgleichung......................................... 206 14.7 Fazit........................................................ 208
VIII Book Studium TitleGenerale Physik 15 Kosmologie.................................................... 211 15.1 Einleitung................................................... 211 15.2 Modelle des Universums....................................... 211 15.3 Singularitäten................................................ 217 15.4 Urknall...................................................... 218 15.5 Kosmische Gebilde............................................ 219 15.6 Fazit........................................................ 222 16 Ausblick...................................................... 225 16.1 Einleitung................................................... 225 16.2 Stand der Wissenschaft heute................................... 225 16.3 Ungelöste Probleme und Rätsel................................. 226 16.4 Schlussbemerkung............................................ 229 Formelsammlung.................................................... 233 Naturkonstanten und Umrechnungsfaktoren............................. 243 Allgemeine Literaturhinweise......................................... 245 Stichwortverzeichnis................................................ 247
Vorwort Forschungsergebnisse, Theorien und Umsetzung in Technologien aus der Physik haben zu gewaltigen geistigen und gesellschaftlichen Umwälzungen geführt, die bis heute nachwirken. Viele offene Fragen nach den kosmischen Ursprüngen und den kleinsten Bausteinen der Natur sind noch nicht beantwortet. Dieses Buch nähert sich den großen Komplexen der modernen Physik, ohne Spezialistenwissen vermitteln zu wollen. Dabei werden zunächst die Grundlagen der klassischen Physik erörtert wie Mechanik, Elektrizitätslehre, Felder, Wellen, Wärmelehre. Auf dieser Basis werden dann die wesentlichen Erkenntnisse der Quantenphysik (Atomphysik, Kernphysik) und der Kosmologie (Relativitätstheorie) bis zum aktuellen Wissensstand entwickelt. Die inhaltliche Abfolge orientiert sich dabei nicht an der Geschichte der wissenschaftlichen Entdeckungen, wenn auch an einigen Stellen das eine oder andere geschichtliche Ereignis gestreift wird. Für das Verständnis der Physik sind die Zusammenhänge zwischen den einzelnen Disziplinen wesentlich bedeutender als der historische Hintergrund. Insbesondere die Begriffe Kraft und Bewegung spielen immer wieder eine herausragende Rolle. Es gibt allerdings auch vertikale Abgrenzungen innerhalb einer Disziplin und auch solche horizontaler Art zu anderen Disziplinen. Als Beispiele für die vertikale Abgrenzung seien die Wärmelehre und die Wellenlehre genannt, die wir hier nur streifen werden. So wird der Schall nur im Zusammenhang mit der Gasdynamik erörtert. Das Gebiet der Akustik wird nicht weiter behandelt. Das Thema Optik findet im Bereich der Wellenlehre seinen Platz, ohne beispielsweise ausführlich auf optische Instrumente einzugehen. Auch die Kosmologie wird nicht durch ein Kapitel über die Astronomie allgemein, die sich ja mit Sternenkonstellationen beschäftigt, vorbereitet. Ein Beispiel für die horizontale Abgrenzung findet sich bei der Vorstellung des Periodensystems der Elemente im Zusammenhang mit der Atomphysik. Wir werden wir uns nicht mit den chemischen Eigenschaften beschäftigen es erfolgt also eine Abgrenzung zur Chemie. Gleiches gilt auch für viele technologische Anwendungen (Energieerzeugung, optische Instrumente usw.). Das Buch ist in drei Teile gegliedert: klassische Physik, Quantenphysik und Relativitätstheorie. Zum Verständnis sind mathematische Grundkenntnisse
X Studium Book TitleGenerale Physik erforderlich, man muss jedoch beispielsweise die Differenzialrechnung nicht virtuos beherrschen, um folgen zu können. Dennoch geht es nicht immer ohne bestimmte Formalismen. Es werden Vektoren eingeführt, ohne dass die Kenntnis der gesamten Vektoralgebra vorausgesetzt wird. Wo notwendig, wird die eine oder andere Gleichung speziell erläutert. Das gilt auch für Matrizen und Tensoren. Erwähnung finden einige Differenzialgleichungen bzw. partielle Differenzialgleichungen, die in der Physikgeschichte eine wichtige Rolle gespielt haben. Sie werden nicht immer hergeleitet, sind jedoch entsprechend erläutert. Ohne das freundliche Entgegenkommen des Verlags wäre dieses Buch, das auf einer einsemestrigen Grundlagenvorlesung beruht, nicht zustandegekommen. Bei der Bearbeitung, die mit viel Geduld und gegenseitigem Verständnis erfolgte, wurde ich professionell unterstützt von Meike Barth und Birgit Jarosch. Die Grafiken hat Thomas Epp nach meinen Vorlagen mit diversen Iterationen innerhalb eines sportlichen Zeitrahmens erstellt. Allen Beteiligten gilt mein ganz herzlicher Dank. Besonders danken möchte ich Vera Spillner. Sie hat mit mir zusammen nicht nur die Idee zu diesem Buch entwickelt, sondern viele neue inhaltliche Impulse gegeben und mich während der gesamten Umsetzungsphase mit ihren beharrlichen Aufmunterungen immer wieder motiviert. Wachtberg-Niederbachem Juni 2012 Wolfgang W. Osterhage