1 Physikalische Grundbegriffe Um die Voraussetzungen der physikalischen Kenntnisse in den nächsten Kapiteln zu erfüllen, werden hier die dafür notwendigen Grundbegriffe 1 wie das Atom, das Proton, das Elektron, das Plasma, das elektrische und magnetische Feld, der elektrische Strom und die magnetische Flasche bzw. Spiegelmaschine erläutert: Ein Atom 2, die Basiseinheit normaler Materie, setzt sich aus einem Atomkern und einer Atomhülle zusammen. Der Atomkern 3 besitzt fast die gesamte Masse des Atoms und besteht wiederum aus zweierlei Kernteilchen ungefähr gleicher Masse und Größe, den positiv geladenen Protonen (mit der Ladung +e n) und den neutralen Neutronen. Dieser massereiche, positive Atomkern wird von sog. Orbitalen umgeben, das ist eine Zone der Aufenthaltswahrscheinlichkeit der negativ geladenen Elektronen (mit der Ladung -e) der Atomhülle 4. Die Masse der Elektronen ist um ein vielfaches geringer als die des Atomkerns. Durch Energieeinwirkung kann ein Atom einen energetisch höheren Zustand einnehmen bzw. ein höheres Energieniveau erreichen. Dabei verändert sich die Gestalt der Orbitale und das Atom wird als angeregt bezeichnet. Wird durch die Energieeinwirkung mindestens ein Elektron vom Atom abgetrennt, spricht man von einer Ionisierung. Da jedes neutrale Atom der Elemente immer aus gleich vielen Protonen und Elektronen bestehen muß, ist jedes ionisierte Atom dem mindestens ein Elektron fehlt positiv geladen und wird dann als Ion bezeichnet. 1 Zu den Grundbegriffen vgl. besonders: WOLFGANG FINKLENBURG, Einführung in die Atomphysik. 11. u. 12. Aufl.. Berlin, Heidelberg, New York 1967, S. 8 ff 2 Zum Atom vgl. besonders: PAUL A. TIPLER, Physik. Heidelberg, Berlin, Oxford 1994, S. 1265 ff 3 Zum Atomkern vgl. besonders: CHRISTIAN GERTHSEN, Physik. Ein Lehrbuch zum Gebrauch neben Vorlesungen. 8. Aufl.. Berlin, Göttingen, Heidelberg, New York 1964, S. 454 ff 4 Zur Atomhülle vgl. besonders: JAY OREAR, Physik. München, Wien 1989, S. 590 ff GERTHSEN, a. a. O., S. 420 ff
Beim Erreichen eines energetisch tieferen Zustandes bzw. Niveaus gibt das Atom einen Energiebetrag in Form von elektromagnetischer Strahlung, z. B. Lichtquanten (Photonen) ab. Um so größer die Energieeinwirkung bei einer Anregung bzw. beim Erreichen eines höheren Energieniveaus ist, desto größer ist auch der freigesetzte Energiebetrag beim Wiedererlangen des ursprünglichen Energieniveaus und um so energetischer ist damit auch die freigesetzte elektromagnetische Strahlung, z. B. in Form von Licht. Besteht ein Gas aus diesen Ionen und Elektronen, so ist es elektrisch leitfähig und wird in diesem ionisierten, thermisch hoch energetischen Zustand als Plasma 5 bezeichnet. Das Plasma ist also neben der festen, flüssigen und gasförmigen die vierte, und damit ionisierte Zustandsform der Materie (Aggregatzustand). In der elektromagnetischen Theorie der Materie treten zwei grundsätzlich verschiedene Felder auf, das elektrische und das magnetische Feld. Wie schon vorher besprochen, können Teilchen eine Ladung besitzen. Das Auftreten eines dieser Felder bedeutet eine Krafteinwirkung auf die darin befindlichen, geladenen Teilchen. Ein elektrisches Feld 6 wird durch die Anwesenheit von geladenen Teilchen hervorgerufen. Das so erzeugte Feld E übt auf geladene Teilchen der Ladung q wiederum eine Kraftwirkung F aus, die gegeben ist durch F = q E. 7 [1] Grundlegend anders und um einiges komplexer ist die Kraft im Magnetfeld 8. Das Magnetfeld übt auf geladene Teilchen nur dann eine Kraft aus, wenn diese bewegt sind 5 Zum Plasma vgl. besonders: D. R. NICHOLSON, Indroduction to Plasma Theory. New York 1983, S. 4 ff RUDOLF KIPPENHAHN/CLAUS MÖLLENHOFF, Elementare Plasmaphysik. Göttingen 1973, S. 1 ff 6 Zum elektrischen Feld vgl. besonders: OREAR, a. a. O., S. 290 ff GERTHSEN, a. a. O., S. 171 ff TIPLER, a. a. O., S. 627 ff 7 Vgl. KLAUS HÜBNER, Einführung in die Plasmaphysik. Darmstadt 1982, S. 5 8 Zum magnetischen Feld vgl. besonders: OREAR, a. a. O., S. 335 ff GERTHSEN, a. a. O., S. 218 ff TIPLER, a. a. O., S. 812 ff
(mit der Geschwindigkeit v). Dann ist die Kraftwirkung F im Magnetfeld B (sog. Lorentz-Kraft) gegeben durch, F = qv B, 9 [2] was bedeutet, daß der Vektor der Kraftwirkung F senkrecht zum Geschwindigkeitsvektor v und zum Magnetfeldvektor B ist (Vektorprodukt oder Kreuzprodukt). Das Auftreten eines Magnetfeldes ist immer mit dem Auftreten von elektrischen Strömen verbunden. Ströme bedeuten den Transport von Ladungen, d. h. die Sromdichte j ist gegeben durch j = -e n v, [3] wobei e die Elementarladung, n die Teilchendichte und v die Geschwindigkeit ist. Im Magnetfeld B erfahren geladene Teilchen eine Beschleunigung, die senkrecht auf B und der Geschwindigkeit v ist. Dies bedeutet, daß sich die geladenen Teilchen entlang der Magnetfeldlinien schraubenförmig bewegen bzw. um sie gyrieren 10. Zum Verständnis der in dieser Arbeit beschriebenen Prozesse ist die Kenntnis der Spiegelmaschine bzw. magnetischen Flasche 11 von großer Bedeutung. Diese Spiegelmaschine ist eine Konfiguration, in der das Magnetfeld sich örtlich in der Stärke ändert. In einem Dipolfeld beispielsweise ist die Feldstruktur derart, daß die Magnetfeldlinien zu den Polen hin konvergieren bzw. zusammenlaufen. In einer solchen Konfiguration bleibt die Gesamtenergie der geladenen Teilchen erhalten, E = (½)m(v 2 senkrecht + v 2 parallel) = const, [4] 9 Vgl. HÜBNER, a. a. O., S. 6 10 Vgl. NICHOLSON, a. a. O., S. 17 ff 11 Zur magnetischen Flasche vgl. besonders: HÜBNER, a. a. O., S. 27 ff NICHOLSON, a. a. O., S. 17 ff BERGMANN/SCHÄFER, Lehrbuch der Experimentalphysik. Erde und Planeten. Bd. 7. Berlin, New York 1997, S. 546 ff
wobei v senkrecht und v parallel die Komponenten der Geschwindigkeit senkrecht (Gyration bzw. Kreisbewegung um die Feldlinie) und parallel (Oszillation bzw. Bewegung längs der Feldlinie) zum Magnetfeld sind. Die Lorentz-Kraft, vgl. Gl. [2], wirkt immer gegen die Richtung des zunehmenden Magnetfeldes. Bewegt sich nun ein Teilchen mit der Geschwindigkeit v parallel längs des Magnetfeldes in Richtung zunehmender Stärke, so wächst die Gyrationsgeschwindigkeit v senkrecht ständig an. Dabei steigt auch (½)mv 2 senkrecht an, was so lange möglich ist, bis (½)mv 2 parallel aus der letzten Gl. [4] verschwindet, deshalb v parallel = 0 wird, so daß das Teilchen stehend die Magnetfeldlinien umkreist, sich wieder rückwärts bewegt und die Magnetfeldkonfiguration deshalb nicht verlassen kann. Die genaue örtliche Position dieses Reflexion- oder Spiegelpunktes ist abhängig vom sog. Pitch-Winkel 12 bzw. Eintrittswinkel des Teilchens, d. i. der Winkel zwischen dem Geschwindigkeitsvektor v und der Magnetfeldrichtung B. Dies ist der Mechanismus, der bewirken kann, daß Teilchen in einer Magnetfeldkonfiguration gefangen sind und an den beiden Enden immer wieder gespiegelt werden, daher auch die Namen magnetische Flasche und Spiegelmaschine. 12 Zum Pitch-Winkel vgl. besonders: NICHOLSON, a. a. O., S. 25 ff