Albert Einstein - relativ praktisch
Prof. Dr. Christian Lüders Fachhochschule Südwestfalen Hochschule für Technik und Wirtschaft University ofFachhochschule Applied SciencesSüdwestfalen Hochschule für Technik und Wirtschaft
Standort Meschede, IW University Fachbereich of Applied Sciences
Schlagwörter Satellitennavigation Aktienkurse
CD-Spieler
Energie
Kryptografie
Raum-Zeit
Wahrscheinlichkeit RADAR SolarSolarenergie energie Theoretische Physik
Zwillingsparadoxon Sonnenfinsternis
KernKernenergie energie Informations- und Kommunikationstechnik / Fachhochschule Südwestfalen Energietechnik Hochschule für Technik und Wirtschaft University of Applied Sciences
Das Einsteinjahr 2005 Einsteins Veröffentlichungen im Jahr 1905 März:
„Über einen die Erzeugung und Verwandlung des Lichts betreffenden heuristischen Gesichtspunkt“ Fotoelektrischer Effekt
April Mai
„Eine neue Methode zur Bestimmung der Moleküldimensionen“ „Über die von der molekularkinetischen Theorie der Wärme geforderte Bewegung von in ruhenden Flüssigkeiten suspendierten Teilchen“ Brownsche Bewegung - Moleküle
Juni:
„Zur Elektrodynamik bewegter Körper“ Spezielle Relativitätstheorie
Sept.:
„Ist die Trägheit eines Körpers von seinem Energieinhalt abhängig?“ E = m⋅ c2 Fachhochschule Südwestfalen Hochschule für Technik und Wirtschaft University of Applied Sciences
Wahrscheinlichkeit
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Brownsche Bewegung •
Beobachtung von R. Brown (Botaniker) 1827: – Mikroskop: Pflanzenpollen im Wassertropfen – unregelmäßige „Zitterbewegung“
•
Deutung und quantitative Beschreibung durch Einstein 1905: – Bewegung verursacht durch Stöße der Wasser-Moleküle – Beschreibung als stochastischer Prozess Varianz des Ortes pro Zeit τ ~ Emol (Molekülenergie) τ = D = β · kT τ k: D: T: β:
Boltzmann-Konstante Diffusionskonstante Temperatur Beweglichkeit d. Teilchens Fachhochschule Südwestfalen Hochschule für Technik und Wirtschaft University of Applied Sciences
Brownsche Bewegung •
Bedeutung der Einsteinschen Arbeit – Entwicklung der Methode der stochastischen Prozesse – wichtiges Argument für die Molekültheorie – erlaubt Bestimmung molekularer Größen
•
„Brownsche Bewegung“ / Stochastische Prozesse in anderen Disziplinen – mathematische Analyse und Existenzbeweis durch N. Wiener (1923) – Nachrichtentechnik • thermisches Rauschen in elektronischen Bauelementen N ~ kT • Nachrichtenverkehrstheorie: „Telefonierverhalten“ • Unwägbarkeiten in der Funkausbreitung
– Wirtschaftswissenschaften • Analyse von Aktienkursen – faire Preise von Optionsscheinen • Nobelpreis für Wirtschaftswissenschaften (Black, Scholes, Mertens 1997)
– ... Fachhochschule Südwestfalen Hochschule für Technik und Wirtschaft University of Applied Sciences
Energie
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Überblick: Energieformen •
mechanisch:
100 kg auf 100 m heben
100 kJ
•
mechanisch:
PKW (1000 kg) auf 50 km/h
100 kJ
•
Wärme:
1 Liter Wasser zum Kochen bringen
350 kJ
•
elektrisch:
60W-Glühbirne eine Stunde
220 kJ
•
chemisch:
1 kg Schokolade essen
20 000 kJ
•
chemisch:
1 kg Benzin verbrennen
45 000 kJ
•
einsteinisch:
1 kg Materie in Energie E = mc2
90·1012 kJ
•
-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
•
Lichtgeschwindigkeit:
c = 299 792 458 m/s
•
gute Näherung:
c = 3·108 m/s = 300 000 km/s = 300 km/ms = 300 m/µs
•
c2 = 9·1016 m2/s2 Fachhochschule Südwestfalen Hochschule für Technik und Wirtschaft University of Applied Sciences
Kernenergie Kernspaltung n+U 4,2 g +995,8 g 1000,0 g
→
Ba + Kr + 3n 597,5 g +389,9 g + 12,6 g 999,0 g
E = m·c2 E
1 g ↔ 90·109 kJ
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Kernenergie Kernspaltung n+U 4,2 g +995,8 g 1000,0 g
→
Ba + Kr + 3n 597,5 g +389,9 g + 12,6 g 999,0 g
E = m·c2 E
1 g ↔ 90·109 kJ
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Kernenergie Kernspaltung U+n 4,2 g +995,8 g 1000,0 g
→
Kernfusion Deuterium + Tritium → Helium + Neutron 400,4 g 795,7 g +599,6 g +200,6 g 1000,0 g 996,3 g
Ba + Kr + 3n 597,5 g +389,8 g + 12,7 g 999,0 g
3,7 g ↔ 333·109 kJ
1 g ↔ 90·109 kJ
E
E
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Solarenergie Der fotoelektrische Effekt Frequenzabhängigkeit des Fotostroms nicht im Wellenbild deutbar !!!
Lic Kathode ht
Anode
Erklärung (Einstein 1905) • Transport der Lichtenergie in Quanten
Elektron
• Photonen mit Energie E = h · f h: Plancksches Wirkungsquantum
Vakuum-Röhre
f: Frequenz des Lichts
• Durchbruch für Quantentheorie
Fotostrom IF
Solaranlage Mensa Meschede
Solarzellen • Halbleiter statt Röhre • innerer fotoelektrischer Effekt
• 15 ·106 kJ • 1028 Photonen
• Übergang: Valenz- → Leitungsband Fachhochschule Südwestfalen Hochschule für Technik und Wirtschaft University of Applied Sciences
Wechselwirkung: Strahlung und Materie (I) Photon mit Frequenz f
Elektron
Absorption
atomare Übergänge mit Energiedifferenz ∆E = h · f
Spontane Emission
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Wechselwirkung: Strahlung und Materie (II) Photon mit Frequenz f
Elektron
atomare Übergänge mit Energiedifferenz ∆E = h · f
Stimulierte Emission Einstein (1916): • gefordert aus theoretischen Überlegungen • Aufstellung von Bilanzgleichungen Lichtverstärkung durch stimulierte Emission Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation – LASER (1960)
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Raum und Zeit
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Elektrodynamik bewegter Körper Spezielle Relativitätstheorie vZug Lichtgeschwindigkeit c‘ = c Steingeschwindigkeit v‘stein ≈ vstein + vzug
•
kräftefreie, zueinander gleichförmig bewegte Bezugssysteme – gleiche Form der Naturgesetze – gleicher Wert für die Lichtgeschwindigkeit c
•
keine Unterscheidbarkeit zw. absoluter Ruhe u. gleichförmiger Bewegung
•
Konsequenzen (Einstein 1905) – Uhren in unterschiedlichen Bezugssystemen mit Relativgeschwindigkeit v lassen sich nicht untereinander synchronisieren Fachhochschule Südwestfalen Hochschule für Technik und Wirtschaft University of Applied Sciences
Bewegte Uhren vom Standpunkt eines Systems A gehen die Uhren in einem dazu bewegten System B langsamer Zeitdilatation: „schnell bewegte Uhren gehen langsamer“
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Zeitdilatation: Myonen 00.00 µs 00.05 µs
oberer Teil der 0,6 km Atmosphäre z.B. 12 km
• •
Elementarteilchen im Labor erzeugt – langsam, Lebensdauer: 2 µs
•
durch kosmische Strahlung – schnell: v ≈ 0,999·c
ruhende Uhr am Erdboden geht etwa 20 mal schneller als „innere Uhr“ des bewegten Myons → Zwillingsparadoxon
02.00 µs
02.00 00.00 µs 40.00 Erdboden
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Zeitdilatation: Zahlenbeispiele • Zeitunterschiede zwischen bewegter und ruhender Uhr nach einem Tag: • ∆t = t * (v / c)2
für v 10 km) der Swiss Telecom
•
Los Alamos Research Laboratory • Quanten-Kryptografie für Glasfaser- und Satellitenkommunikation
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Zusammenfassung - Fazit •
Einstein: Beiträge zu fundamentalen Frage der Physik – grundsätzliche, originelle und gewagte Ideen
•
weitgehende Bestätigung der Einsteinschen Theorien durch Experimente – gegenüber „Newton“ und gegenüber modernen Theorien – mittels hoch präziser, moderner Messtechnik – mittels Raumfahrt und nachrichtentechnischer Methoden (RADAR) – Quanten verhalten sich anders als von Einstein gedacht
•
Anwendungen der Einsteinschen Theorien – Energie: thermische Bewegung, Kernenergie, Solarenergie – Nachrichtentechnik: LASER, Navigation, Verschlüsselung
•
Einstein hat seinen Nobelpreis verdient!
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Die 2-Millionen-Joule-Frage Für welche Arbeit aus dem Jahre 1905 erhielt Albert Einstein 1921 den Nobel-Preis für Physik?
• A E = m c2
• B Spezielle Relativitätstheorie
• C Deutung des fotoelektrischen Effekts
• D Deutung der Brownschen Bewegung
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Die 2-Millionen-Joule-Frage Für welche Arbeit aus dem Jahre 1905 erhielt Albert Einstein 1921 den Nobel-Preis für Physik?
• A E = m c2
• B Spezielle Relativitätstheorie
• C Deutung des fotoelektrischen Effekts
• D Deutung der Brownschen Bewegung
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Die 2-Millionen-Joule-Frage Für welche Arbeit aus dem Jahre 1905 erhielt Albert Einstein 1921 den Nobel-Preis für Physik?
• A E = m c2
• B Spezielle Relativitätstheorie
• C Deutung des fotoelektrischen Effekts
• D Deutung der Brownschen Bewegung
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Die 2-Millionen-Joule-Frage Für welche Arbeit aus dem Jahre 1905 erhielt Albert Einstein 1921 den Nobel-Preis für Physik?
A E = m·c2
• B Spezielle Relativitätstheorie
C Deutung des fotoelektrischen Effekts
• D Deutung der Brownschen Bewegung
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Die 2-Millionen-Joule-Frage Für welche Arbeit aus dem Jahre 1905 erhielt Albert Einstein 1921 den Nobel-Preis für Physik?
A E = m c2
• B Spezielle Relativitätstheorie
C Deutung des fotoelektrischen Effekts
• D Deutung der Brownschen Bewegung
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Die 2-Millionen-Joule-Frage Für welche Arbeit aus dem Jahre 1905 erhielt Albert Einstein 1921 den Nobel-Preis für Physik?
• A E = m c2
B Spezielle Relativitätstheorie
C Deutung des fotoelektrischen Effekts
• D Deutung der Brownschen Bewegung
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Die 2-Millionen-Joule-Frage Für welche Arbeit aus dem Jahre 1905 erhielt Albert Einstein 1921 den Nobel-Preis für Physik?
• A E = m c2
B Spezielle Relativitätstheorie
C Deutung des fotoelektrischen Effekts
• D Deutung der Brownschen Bewegung
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Die 2-Millionen-Joule-Frage Für welche Arbeit aus dem Jahre 1905 erhielt Albert Einstein 1921 den Nobel-Preis für Physik?
• A E = m c2
• B Spezielle Relativitätstheorie
C Deutung des fotoelektrischen Effekts
D Deutung der Brownschen Bewegung
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Die 2-Millionen-Joule-Frage Für welche Arbeit aus dem Jahre 1905 erhielt Albert Einstein 1921 den Nobel-Preis für Physik?
• A E = m c2
• B Spezielle Relativitätstheorie
C Deutung des fotoelektrischen Effekts
D Deutung der Brownschen Bewegung
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