Thema 6 — Physikalische Naturphaenomene

Kosmische Strahlung (+ SRT/Myonen) · Blitz und Gewitter · Interferenz an dünnen Schichten

Kapitel

• 6.1 Kosmische Strahlung
• 6.2 Exkurs: Spezielle Relativitätstheorie und das Myonenproblem
• 6.3 Blitz und Gewitter
• 6.4 Schallintensität
• 6.5 Interferenz an dünnen Schichten

Selfcheck

1. Wie zeigte Hess 1912, dass ein Teil der Strahlung aus dem All kommt?
2. Unterscheide Strahlung nach Quelle und nach Wechselwirkung. Was sind die häufigsten Sekundärteilchen?
3. Formuliere das Myonenproblem und löse es mit Zeitdilatation bzw. Längenkontraktion.
4. Warum „merkt" ein bewegtes Teilchen seine eigene Zeitdilatation nicht? Was gilt für ein Photon?
5. Nenne die drei Phasen eines Blitzes. Welche ist sichtbar, welche nicht — und was löst den Blitz aus?
6. Warum wird der Donner (Linienquelle) mit dem Abstand langsamer leiser als ein punktförmiger Schall?
7. Erkläre den Mechanismus der Interferenz an dünnen Schichten inkl. Phasensprung.
8. Warum entsteht dabei ein farbiges Schillern? Nenne zwei Anwendungen.
9. Was sind Newton'sche Ringe? Gib die Formel $\lambda =r^2/(kR)$ an und erkläre, wie man damit die Haardicke misst.
10. Warum sieht man den Blitz vor dem Donner — und wie weit ist das Gewitter entfernt, wenn 9 s dazwischen liegen?
11. Wie dick muss eine Antireflexschicht sein, und warum heben sich dort die Phasensprünge auf? Wohin „verschwindet" das ausgelöschte Licht?
12. Warum ändern sich die Schillerfarben dünner Schichten mit dem Blickwinkel?
13. Wie entstehen Polarlichter? Warum sieht man sie nur in Polnähe — und woher kommen Grün, Rot und Blauviolett?
14. Wie schützt man eine Mars-Mission vor der kosmischen Strahlung? Warum ausgerechnet Wasser — und wie dick etwa?

§§ANTWORTEN

1. Mit einem Ballon maß Hess die ionisierende Strahlung in der Höhe; sie nahm zu statt ab. Also kommt ein Teil aus dem Weltall (nicht nur aus dem Boden). (§6.1)
2. Nach Quelle: solare (von der Sonne) vs. interstellare Strahlung; nach Wechselwirkung: primäre (direkt aus dem All) vs. sekundäre (beim Aufprall auf N₂/O₂). Häufigste Sekundärteilchen: Myonen (ca. 75 %). (§6.1)
3. Myonen leben nur $\tau \approx 2,2\mu$s, kämen klassisch nur $\approx 660$ m weit, werden aber nach 20 km am Boden gemessen. Zeitdilatation: Aus Erdsicht vergeht die längere Zeit $t_b=t_e/\sqrt{1-v^2/c^2}$, das Myon „lebt" länger. Längenkontraktion: Aus Myonsicht ist der Weg verkürzt. (§6.2)
4. Weil im eigenen Bezugssystem alles normal ist — nur die Außenwelt erscheint verändert. Für ein Photon ($v=c$) vergeht gar keine Zeit. (§6.2)
5. 1. Spannungsaufbau, 2. Leitblitz (Ionenkanal, unsichtbar), 3. Hauptblitz (sichtbar). Ausgelöst wird er wahrscheinlich durch die kosmische Strahlung (Spannung allein reicht nicht). (§6.3)
6. Weil der lange Blitzkanal eine Linienquelle ist: $I_s\propto 1/r$ statt $1/r^2$ wie bei einer Punktquelle — die Intensität nimmt mit dem Abstand langsamer ab. (§6.4)
7. Licht wird teils an der Oberseite, teils an der Unterseite der dünnen Schicht reflektiert; die beiden Wellen interferieren. Bei Reflexion am optisch dichteren Medium gibt es einen Phasensprung um $\pi$. (§6.5)
8. Verschiedene Wellenlängen erfüllen die Interferenzbedingungen unterschiedlich → manche Farben verstärken sich, andere löschen aus → Schillern. Anwendungen: Antireflexbeschichtungen und Strukturfarben in der Natur. (§6.5)
9. Konzentrische helle/dunkle Ringe der Luftschicht zwischen einer Linse und einer Glasplatte; aus $r^2\approx 2Rd$ folgt für dunkle Ringe $\lambda =r^2/(kR)$. Umkehrung: Bei bekanntem $\lambda$ und einem Luftkeil (Haar zwischen zwei Platten) gibt die Streifenzahl die Dicke, z. B. $d=40\cdot \frac{650\text{nm}}{2}=13\mu \text{m}$. (§6.5)
10. Licht ist praktisch sofort da, Schall braucht ~3 s pro km → Entfernung ≈ Sekunden/3; bei 9 s also ≈ 3 km. (§6.3)
11. $d=\lambda /(4n)$ (≈ 100 nm für grünes Licht). Weil $n_{\text{Luft}}<n_{\text{Schicht}}<n_{\text{Glas}}$, springen beide Reflexe um $\pi$ — die Sprünge heben sich auf, und $2nd=\lambda /2$ ergibt Auslöschung. Die Energie geht ins durchgehende Licht (höhere Transmission). (§6.5)
12. Der Gangunterschied hängt vom Winkel ab ($2nd\cos \beta$): flacherer Blick → kleinerer Gangunterschied → eine kürzere Wellenlänge wird konstruktiv → Farbverschiebung Richtung Blau. (§6.5)
13. Sonnenausbrüche verursachen magnetische Stürme; das Erdmagnetfeld führt die geladenen Sonnenwind-Teilchen entlang der Feldlinien zu den Polen (nur dort tauchen die Feldlinien in die Atmosphäre ein — deshalb nur in Polnähe sichtbar). In ca. 100–300 km Höhe regen sie O und N₂ an; beim Abregen leuchtet es: Grün = Sauerstoff 557,7 nm, Rot = Sauerstoff höherer Schichten, Blauviolett = N₂. (§6.1)
14. Formulierung aus dem Unterricht: das Raumschiff mit einer ca. 5 m dicken Wasserschicht umhüllen — Wasser ist wasserstoffreich, leichte Kerne moderieren und absorbieren die Teilchen am besten, und Trinkwasser muss ohnehin mit; dazu Magnetschild (ahmt das Erdmagnetfeld nach) und Quartiere unter dem Marsboden. (§6.1)