Die vier Grundkräfte 03:24 min
Transkript Die vier Grundkräfte
Ohne die vier Grundkräfte der Natur würdest du und alles andere im Universum auseinanderfallen und wegtreiben. Aktuell spüren wir die Gravitationskraft, die uns fest auf der Erde hält. Gravitation ist die Ursache für die wechselseitige Anziehung zweier Massen. Je größer die Massen und je geringer ihr Abstand, umso größer ist die Anziehungskraft. Im Vergleich zu den anderen Grundkräften ist die Gravitation extrem schwach. In unserer Umgebung scheint sie nicht schwach zu sein, aber für das Gewicht eines Gegenstands ist ja die gesamte Erdmasse verantwortlich und trotzdem können wir Gegenstände anheben. Die elektromagnetische Wechselwirkung ist viele Billionen mal stärker als die Gravitation. Sie bewirkt, dass sich entgegengesetzt geladene Teilchen anziehen und gleich geladene abstoßen. Dieses Verhalten ist vergleichbar mit der Anziehung und Abstoßung von Magnetpolen. Die elektromagnetische Wechselwirkung ist sowohl für den Zusammenhalt von Protonen und Elektronen in einem Atom als auch für die Verbindung von Atomen zu Molekülen verantwortlich. Die Größe der Gravitationskraft und die der elektromagnetischen Kraft werden mit zunehmendem Abstand kleiner. Dies gilt auch für die schwache Kernkraft. Ihre Reichweite ist so klein, dass ihre Auswirkungen nur im subatomaren Bereich zu beobachten sind. Trotzdem ist sie unglaublich wichtig, denn ohne sie wären die Sterne nicht in der Lage schwere Elemente zu erzeugen. Die schwache Kernkraft ermöglicht dies, weil sich durch ihre Wirkung Protonen in Neutronen verwandeln können und umgekehrt. Der Wasserstoff in den Sternen kann also zur Produktion weiterer Elemente genutzt werden, auch wenn er nur ein Proton und kein Neutron besitzt. Die schwache Kernkraft hatte damit eine wichtige Bedeutung für die Bildung der Elemente, wie wir sie heute kennen. Der Wirkungsbereich der stärksten Kraft liegt ebenfalls im Bereich der Atomkerne. Die starke Kernkraft garantiert den Zusammenhalt von Atomkernen. Aufgrund der gleichen Ladung der positiven Protonen müssten sie durch die abstoßenden elektrischen Kräfte auseinandergetrieben werden und der Atomkern dürfte nicht stabil sein. Die abstoßenden elektrischen Kräfte zwischen den Protonen sind aber schwächer als die starke Kernkraft, die den Atomkern zusammenhält. Diese vier Fundamentalkräfte der Natur – die Gravitation, die elektromagnetische Kraft, die schwache Kernkraft und die starke Kernkraft - sind dafür verantwortlich, wie Elementarteilchen, Moleküle und ausgedehnte Körper aufeinander wirken. Daher gestalten diese vier Kräfte die Ordnung des gesamten Universums.
Videobeschreibung
Nur vier Grundkräfte halten alles im Universum zusammen. Diese werden auch als Kernkräfte oder auch als fundamentale Wechselwirkung bezeichnet. Diese Grundkräfte sind die Gravitation, der Elektromagnetismus, die schwache Kernkraft und die starke Kernkraft. Die Gravitation sorgt dafür, dass du auf der Erde stehen kannst und auch dafür, dass sich alles im Sonnensystem um die Sonne dreht. Der Elektromagnetismus sorgt dafür, dass sich unterschiedliche Ladungen und Polungen anziehen und sich gleichnamige Ladungen und Polungen abstoßen. So funktionieren zum Beispiel Magnete. Bringt man die Ladungen wie im Atomkern nah genug zusammen, werden sie von der starken Kernkraft fest zusammengehalten. Die schwache Kernkraft wirkt nur auf kleine Entfernungen. Sie sorgt dafür, dass sich Neutronen aus Protonen und Elektronen bilden können und sich auch wieder auflösen.
Die Tutoren:
Die vier Grundkräfte
Die vier Grundkräfte Übung
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Bestimme, ob die Aussagen wahr oder falsch sind.
Tipps
Der Kern eines Atoms besteht aus Protonen und Neutronen. Um diesen Kern herum befindet sich eine Hülle aus Elektronen.
Je geringer der Abstand zweier Massen, desto größer die Gravitationskraft zwischen ihnen.
Die stärkste aller Kräfte sorgt dafür, dass Atomkerne nicht auseinanderfallen.
Lösung
Richtig ist die Aussage, dass positive und negative Ladungen einander anziehen.
Falsch ist die Aussage, dass die Größe der Gravitationskraft zwischen zwei Körpern nur von deren Massen abhängt. Denn auch der Abstand zwischen den Massen beeinflusst die Stärke der Gravitationskraft.
Falsch ist auch die Aussage, Elektronen, Neutronen und Protonen würden den Kern eines Atoms bilden. Denn der Kern besteht nur aus Protonen und Neutronen.
Richtig ist, dass die starke Wechselwirkung für den Zusammenhalt von Atomkernen sorgt.
Falsch ist die Aussage, Protonen könnten sich zu Neutronen umwandeln. Umgekehrt funktioniere das nicht. Die schwache Wechselwirkung sorgt dafür, dass sich sowohl Protonen in Neutronen als auch Neutronen in Protonen umwandeln können.
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Bestimme, welche Kraft hier wirkt.
Tipps
Die Gravitation beschreibt die Anziehung von Massen. Je größer die Massen, desto stärker die Gravitation.
Die elektromagnetische Kraft ermöglicht die Bildung von Molekülen und sorgt für den Zusammenhalt von Atomen.
Die schwache Wechselwirkung ermöglicht die Umwandlung von Atomkernen. Sie bedingt auch die Verschmelzung von Atomkernen (Kernfusion) in der Sonne.
Die starke Wechselwirkung hält die positiv geladenen Bausteine von Atomkernen zusammen.
Lösung
Die starke Wechselwirkung wird ihrem Namen gerecht. Sie ist deutlich stärker als die Elektromagnetische Wechselwirkung . Deshalb kann sie die positiv geladenen Protonen der Atomkerne zusammenhalten, obwohl sie sich nach den Regeln der Elektromagnetischen Kraft abstoßen.
Dank der Gravitation bewegt sich die Erde seit geraumer Zeit erfolgreich um die Sonne. Erde und Sonne ziehen sich aufgrund ihrer großen Massen an.
Die elektromagnetische Kraft sorgt für den Zusammenhalt von Molekülen. Auch Atome mit ihren negativ geladenen Elektronen und positiv geladenen Atomkernen hält die Elektromagnetische Kraft zusammen.
Die schwache Wechselwirkung macht sich immer dann bemerkbar, wenn sich Atomkerne umwandeln. Das passiert beispielsweise bei der Kernfusion im Inneren der Sonne.
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Entscheide, welche Kraft die zentrale Rolle spielt.
Tipps
Das Magnetfeld der Erde ähnelt dem eines magnetischen Dipols.
Die elektromagnetische Kraft sorgt auch im Atomkern dafür, dass sich gleichnamige Ladungen abstoßen. Wer hält die Bauteile des Atomkerns also zusammen?
Dank ihrer großen Massen ziehen sich die Sonne und ihre Planeten an.
Bei der Kernfusion verschmelzen zwei Atomkerne zu einem neuen Atomkern.
Lösung
Gravitation: Die Planeten kreisen um die Sonne. Bereits Newton und Kepler konnten mit Formeln beschreiben, wie die Gravitation dafür sorgt, dass sich Sonne und Planeten gegenseitig anziehen und Planeten um die Sonne (elliptisch) kreisen.
Elektromagnetische Kraft: Ein Kompass richtet sich aus. Eine Kompassnadel richtet sich entlang der Feldlinien eines Magnetfeldes aus. Ist gerade kein anderer, stärkerer Magnet in der Nähe, zeigt die Kompassnadel in Richtung Norden des Erdmagnetfeldes.
Starke Wechselwirkung: Die meisten Atomkerne sind stabil. Die starke Wechselwirkung im Atomkern ist größer als die elektromagnetische Wechselwirkung. Wäre es umgekehrt, würden sich die positiv geladenen Protonen des Kerns abstoßen und der Kern auseinanderfallen.
Schwache Wechselwirkung: Durch Kernfusion wandelt die Sonne Masse zu Energie um. Neben Einsteins berühmter Formel $E=m\cdot c^{2}$ ist hier die schwache Wechselwirkung im Spiel. Sie ist verantwortlich dafür, dass sich die Bausteine von Atomkernen umwandeln und damit zu neuen Atomkernen werden können.
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Beurteile, welche Kraft stärker ist.
Tipps
Die Gravitation ist umso stärker, je größer die sich anziehenden Massen sind.
Die elektromagnetische Kraft ist umso stärker, je größer die sich anziehenden Ladungen sind.
In Atomen sorgt nicht die Gravitation, sondern die elektromagnetische Kraft dafür, dass sich Elektronen und Atomkern anziehen.
Lösung
Die Aussage ist falsch.
Tatsächlich ist die elektromagnetische Kraft etwa $10^{36}$-mal stärker als die Gravitationskraft. Die Gravitation macht sich nur deshalb bei der Planetenbewegung mehr bemerkbar, weil die Massen der Planeten so groß sind. Wären sie in gleichem Maße elektrisch geladen, könnte die elektromagnetische Kraft zeigen, dass sie viel stärker ist.
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Benenne die vier Grundkräfte.
Tipps
Newton entdeckte wichtige Gesetze. Eine Kraft wurde jedoch nicht nach ihm benannt.
Die Reibungskraft ist genau betrachtet eine Kombination aus mehreren Grundkräften. Sie selbst hat jedoch nicht den Status einer Grundkraft.
Lösung
Die vier Grundkräfte lauten:
Gravitation, elektromagnetische Kraft, schwache Wechselwirkung und starke Wechselwirkung.
Die Reibungskraft ist ein Resultat der Grundkräfte. Nach Isaac Newton wurde keine Kraft benannt, dafür aber ihre Einheit.
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Erkläre, wie die Welt ohne die vier Grundkräfte aussehen würde.
Tipps
Die schwache Wechselwirkung sorgt für die Energieumwandlungen im Inneren der Sonne.
Der Jupiter als größter Planet unseres Sonnensystems besitzt eine nahezu perfekte Kugelform.
Ein Resultat der elektromagnetischen Kraft ist Licht.
Die elektromagnetische Kraft hält Atome zusammen. Die starke Wechselwirkung sorgt für die Stabilität von Atomkernen.
Lösung
Wie sähe eine Welt ohne die vier Grundkräfte aus?
Ohne Gravitation:
- würde unsere Erde und anderen Planeten die Sonne nicht umkreisen.
- würden wir nicht mehr auf der Erde stehen.
- wären die Planenten nicht kugelförmig,
Ohne die elektromagnetischen Kraft gelangt kein Licht und keine Wärme durch das Vakuum zur Erde. Licht und Wärmestrahlung sind elektromagnetische Wellen.
Auch würde nichts existieren da der Zusammenhalt der Atome bedingt ist durch die elektromagnetische Kraft und die starke Wechselwirkung.
