Atomphysik

Die Atomphysik ist ein Zweig der Physik, der sich mit dem Aufbau und den Eigenschaften von Atomen sowie den Prozessen innerhalb und zwischen Atomen beschäftigt. Sie spielt eine zentrale Rolle in der modernen Wissenschaft und Technik und ist wesentlich für das Verständnis vieler grundlegender physikalischer Phänomene. Hier werden die wichtigsten Konzepte der Atomphysik systematisch dargestellt.

Ein Atom besteht aus einem Kern, der von Elektronen umgeben ist. Der Kern enthält positiv geladene Protonen und elektrisch neutrale Neutronen. Die negativ geladenen Elektronen befinden sich in den Elektronenorbitalen um den Kern.

• Protonen: Positiv geladene Teilchen im Kern.
• Neutronen: Elektrisch neutrale Teilchen im Kern.
• Elektronen: Negativ geladene Teilchen, die den Kern umkreisen.

Der Atomkern ist das zentrale Element eines Atoms und enthält fast die gesamte Masse des Atoms. Die Anzahl der Protonen im Kern bestimmt das chemische Element, während die Anzahl der Neutronen die Isotope eines Elements definiert.

• Starke Wechselwirkung: Diese Kraft hält die Protonen und Neutronen im Atomkern zusammen und ist die stärkste der vier fundamentalen Kräfte. Sie wirkt über sehr kurze Distanzen (ca. $10^{-15}$ Meter).

• Schwache Wechselwirkung: Diese Kraft ist verantwortlich für bestimmte Arten des radioaktiven Zerfalls, wie den Beta-Zerfall. Sie ist schwächer als die starke Wechselwirkung und wirkt über noch kürzere Distanzen.

Elektronen umkreisen den Atomkern in bestimmten Bahnen, die als Orbitale bezeichnet werden. Diese Orbitale sind durch Quantenzahlen definiert und bestimmen die Elektronenverteilung und die chemischen Eigenschaften des Atoms.

• Hauptquantenzahl (n): Bestimmt die Energie und Größe des Orbitals.
• Nebenquantenzahl (l): Bestimmt die Form des Orbitals.
• Magnetquantenzahl (m): Bestimmt die räumliche Ausrichtung des Orbitals.
• Spinquantenzahl (s): Bestimmt die Drehrichtung des Elektrons.

Die Kernkräfte sind die Kräfte, die zwischen den Nukleonen (Protonen und Neutronen) im Atomkern wirken. Diese Kräfte sind wesentlich für die Stabilität des Kerns und wirken über kurze Distanzen.

Kernspaltung ist der Prozess, bei dem ein schwerer Atomkern in zwei oder mehr leichtere Kerne zerfällt. Dieser Prozess setzt eine große Menge Energie frei und wird in Kernreaktoren und Atombomben genutzt.

Kernfusion ist der Prozess, bei dem zwei leichte Atomkerne zu einem schwereren Kern verschmelzen. Dieser Prozess setzt ebenfalls eine große Menge Energie frei und ist die Energiequelle der Sterne, einschließlich der Sonne.

Jedes Teilchen hat ein entsprechendes Antiteilchen mit gleicher Masse, aber entgegengesetzter Ladung. Wenn ein Teilchen auf sein Antiteilchen trifft, annihilieren sie sich gegenseitig und setzen Energie frei.

Radioaktive Stoffe enthalten instabile Atomkerne, die spontan zerfallen und dabei ionisierende Strahlung aussenden. Diese Stoffe finden Anwendung in Medizin, Industrie und Forschung.

Radioaktivität ist das Phänomen des spontanen Zerfalls instabiler Atomkerne. Es gibt drei Haupttypen radioaktiver Strahlung:

• Alpha-Strahlung: Besteht aus Heliumkernen (2 Protonen und 2 Neutronen).
• Beta-Strahlung: Besteht aus Elektronen oder Positronen.
• Gamma-Strahlung: Hochenergetische elektromagnetische Strahlung.

Die Aktivität eines radioaktiven Stoffes ist ein Maß für die Anzahl der Zerfälle pro Zeiteinheit und wird in Becquerel (Bq) gemessen:

$1 \, \text{Bq} = 1 \, \text{Zerfall pro Sekunde}$

Ionisierende Strahlung hat genug Energie, um Atome oder Moleküle zu ionisieren, d.h., Elektronen aus ihren Bahnen zu entfernen. Diese Strahlung kann Gewebe schädigen und ist daher in hohen Dosen gefährlich.

Die Absorption ionisierender Strahlung durch Materie hängt von der Art und Energie der Strahlung sowie von den Eigenschaften des absorbierenden Materials ab. Dichte Materialien wie Blei sind besonders effektiv bei der Abschirmung.

Kosmische Strahlung besteht aus hochenergetischen Teilchen, die aus dem Weltraum auf die Erde treffen. Sie kann primäre (direkt aus dem Weltraum) und sekundäre (durch Wechselwirkung mit der Erdatmosphäre erzeugte) Strahlung umfassen.