Wie war das noch - Schulwissen neu aufpoliert

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Autoren: Martin Tzschaschel

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besteht aus Portionen ( Quanten ). Diese sogenannten Lichtteilchen oder Lichtquanten werden auch Photonen genannt. Sie bewegen sich mit Lichtgeschwindigkeit; aber nicht nur das sichtbare Licht gehört dazu, auch andere Strahlung, zum Beispiel Röntgenstrahlung.

    Sehr seltsam verhalten sich die Teilchen, wenn man sie beobachtet: Man kann nicht gleichzeitig ihren Ort und ihre Geschwindigkeit messen. Misst man das eine, wird das jeweils andere immer ungenau. Das nennt man »Unschärferelation«. Zum Vergleich: Wenn man ein fest installiertes Gewehr mehrere Schüsse abfeuern lässt, dann treffen die Kugeln immer dieselbe Stelle. Bei Photonen ist das nicht der Fall, man kann nicht vorhersagen, wo die Lichtteilchen auftreffen werden. Dennoch bilden sie in ihrer Gesamtheit ein bestimmtes Verteilungsmuster – ähnlich wie bei einer Roulettekugel, bei der man nie weiß, wo sie landen wird; aber viele Kugeln verteilen sich auf Dauer gleichmäßig auf alle Zahlen.

    Die Quantenphysik erklärt, was im Inneren von Atomen und noch kleineren Teilchen vor sich geht. Ein Atom besteht aus einem positiv geladenen Kern und negativ geladenen Elektronen, die den Kern umkreisen. Eigentlich müssten die Elektronen, weil sie sich bewegen, ständig Energie abgeben, immer
langsamer werden und schließlich vom Kern angezogen werden. Das geschieht aber nicht, die Atomstruktur bleibt stabil. Der dänische Physiker Nils Bohr (1885 — 1962) erkannte, dass die Elektronen in bestimmten Abständen auf festgelegten Bahnen um den Atomkern kreisen. Auf den äußeren Bahnen haben sie mehr Energie als auf einer weiter innen liegenden Bahn. Wenn ein Elektron auf eine weiter außen liegende Bahn springt, dann muss es ein Photon aufnehmen, ein sogenanntes Energiequantum.

    Wenn das Elektron zurückspringt, gibt es das Photon wieder ab. Dieses Verhalten bezeichnet man als Quantensprung. Die aufgenommene oder abgegebene Energie setzt sich zusammen aus der Frequenz des Photons und dem Wirkungsquantum. Mit diesem Modell bestätigte Niels Bohr die Existenz des von Max Planck entdeckten Wirkungsquantums und schuf die Grundlage für das Periodensystem der Elemente (siehe Seite 209 ff., Chemie). Auch er bekam den Nobelpreis.


    Selbst für Experten ist Quantenphysik nicht leicht nachzuvollziehen. »Wer sie versteht, hat sie nicht verstanden«, sagte einmal der US-amerikanische Physiker Richard Feynman. Ein Nobelpreisträger.
    Was ist eigentlich Energie?

    Wir verbrauchen Energie, wir versuchen, Energie zu sparen, und wenn wir müde sind, fehlt uns die Energie, uns aufzuraffen. Sicher ahnen Sie es schon: Für die Physiker ist das alles nicht präzise genug. Sie definieren Energie als »gespeicherte Arbeit« oder als »Fähigkeit eines physikalischen Systems, Arbeit zu verrichten«. Und sie formulieren wieder eine Unglaublich-aber-wahr-Aussage:
    Energie geht nie verloren.
    Sie kann umgewandelt und gespeichert werden – aber man kann sie nicht gewinnen oder vernichten. Sie bleibt immer erhalten, besagt der Energieerhaltungs-Satz (oder kurz: Energiesatz).

    Prüfen wir es einmal nach:
    Wenn in einem Atomkraftwerk die Kernenergie eine Turbine antreibt, entsteht mechanische Energie, die sich in elektrische Energie verwandelt, also in Strom; die elektrische Energie lässt Lampen leuchten, das Licht trifft auf einen Körper und erwärmt ihn. Die Wärme verschwindet aber nicht, sondern erwärmt irgendwo ein klitzekleines bisschen die Erde oder das Universum. Sagen die Physiker, und man muss es ihnen einfach glauben.

    Ein in der Hand gehaltener Stein enthält potenzielle Energie, das heißt, sie steckt in ihm, ist aber nicht aktiv. Die potenzielle Energie hängt von der Lage eines Körpers ab. Wenn der Stein herunterfällt, verwandelt sich die potenzielle Energie in kinetische Energie (Bewegungs-Energie). Und beim Aufprall erzeugt der Stein Wärme.
    Wärme ist gewissermaßen das Aschenputtel der Energieformen, weil sie sich nicht weiter nutzen lässt, während die elektrische Energie die Königin ist: Sie steht oft am Anfang und lässt sich auf verschiedene Weise umwandeln.
    Man misst Energie in Joule: Ein Joule (franz., gesprochen: »Dschuhl«) definiert die Energie, die man braucht, um ein Kilogramm einen Meter zu bewegen.


    Leicht zu verwechseln sind Energie und Leistung. Während es bei der Definition der Energie um die Fähigkeit geht, ein Gewicht zu bewegen (jemand besitzt die Energie, den Müll wegzubringen), kommt bei der Leistung noch die Zeit