Astronomie: Willkommen im Fachportal

Die Drehwirkung einer Kraft auf einen drehbar gelagerten Körper beschreibt man durch das Drehmoment. Seine Eigenschaften werden in dieser Sequenz anschaulich mit Realbildern und Animationen erklärt.

Alle Bereiche der Sonne, aus denen wir Licht empfangen, sind in diesem Kapitel zusammengefasst. Die einzelnen Schichten, angefangen mit der Photosphäre bis hin zum Sonnenwind werden beschrieben. An dieser Stelle werden vor allem Abmessungen sowie Temperaturen angegeben.

Auch Sterne haben einen Lebenszyklus. Sie entstehen, verändern im Laufe der Zeit ihre Größe, Farbe und Spektralklasse und gehen schließlich wieder zugrunde. Die Filmsequenz umreißt die Entwicklung verschiedener Sterntypen anhand von Bildern und Animationen. (Filmsequenz 4:10 min)

Die Vielfalt der verfügbaren Laserarten wird nach dem Aggregatzustand des laseraktiven Mediums aufgeteilt. Als erste Gruppe werden Festkörperlaser genannt, nicht zuletzt, weil der erste Laser, der 1960 erfunden wurde, der Rubinlaser, ein Festkörperlaser war. Die Eigenschaften und viele Anwendungsgebiete werden genannt. Als Sonderfall wird der Faserlaser, eine Lichtleitfaser, in der das Laserlicht entsteht und nicht nur weitergeleitet wird, vorgestellt. Die nächste Lasergruppe sind Gaslaser. Genannt werden der HeNe-Laser, der Kohlendioxidlaser sowie die Excimerlaser. Farbstofflaser als einzige Flüssigkeitslaser werden nun vorgestellt und die besondere Eigenschaft der Durchstimmbarkeit genannt. Zuletzt werden Laserdioden erwähnt und der Laserübergang an der Grenzschicht zwischen den beiden unterschiedlich dotierten Halbleitermaterialien der Diode wird genauer betrachtet.

Es gibt viele Maschinen, die einfach, leicht und dennoch robust gebaut sein müssen. Viertaktmotoren sind für sie zu groß und zu schwer. Aber es gibt eine kleine und dennoch leistungsstarke Alternative: den Zweitaktmotor. Es kommt bei ihm insbesondere auf eine kleine kompakte Bauweise an. Um den Leistungsverlust, der mit der kleineren Bauweise einhergeht, zu kompensieren, wird versucht, die Leistung zu steigern, indem man jeweils zwei Takte zu einem Takt zusammenfasst. Damit wird einerseits das Zweitaktprinzip auf das Viertaktprinzip zurückgeführt. Andererseits wird der Nachteil der Viertaktmotoren angesprochen, dass nur bei jedem zweiten Hub Arbeit verrichtet wird.

Schwere Maschinen, die schwere Arbeit verrichten, brauchen einen leistungsstärkeren Motor als den Ottomotor. Hierfür erfand Rudolf Diesel den nach ihm benannten Dieselmotor. Mit ihm wird die erste Weiterentwicklung erklärt, die versucht, Ottos Innovation durch eine noch stärkere Kompression weiter zu verbessern. Beim Dieselmotor werden Lkws und Schiffe als typische Einsatzorte genannt. Dennoch gibt es auch Autos mit Diesel- als auch mit Ottomotoren.

Der Gitarrenspiegel und das daraus abgeleitete Modell der Quantenorgel stehen für einen pragmatischen Zugang zur Quantenphysik. Das Bild des Gitarrenspiegels und das daraus abgeleitete Modell der Quantenorgel stehen für einen pragmatischen Zugang zur Quantenphysik: Die Modelle beanspruchen keinen Wahrheitsgehalt, sondern sind eine Anschauungshilfe für praktische Anwendungen. Der Interpretationsspielraum bei jeder Modellierung spiegelt die Stärke der Quantenphysik, aber auch die Faszination wissenschaftlicher Suche ganz im Allgemeinen wieder - denn die Wahrheit ist offen. Das hier vorgestellte Video ist Teil des Projektes "U2: Quantenspiegelungen" vom Institut für Didaktik der Physik der Universität Münster. Mathematisch fundierte Visualisierungen eröffnen Schritt für Schritt einen Zugang zu moderner Atomphysik – vom Wasserstoffatom bis zum Periodensystem der Elemente.

Dieses Video zeigt den Spin in der Quantendimension und auf der sogenannten Bloch-Kugel. Im Bild von Kerze und Spiegel als Metapher für Zustände und Operatoren gibt es neben dem Abstand zwischen den Zuständen noch eine weitere Möglichkeit, das Bild zu manipulieren: Die Position der Spiegelebene. Der Spiegel muss Zustände wieder auf andere Zustände abbilden, und der Abstand zwischen den Zuständen muss immer gleich groß sein. Dafür gibt es genau zwei mögliche Lösungen. Eine kennen wir schon: Ist ein Zustand sein eigenes Spiegelbild, gibt es immer eine ungerade Anzahl von Zuständen. Befindet sich der Spiegel genau in der Mitte zwischen zwei Zuständen, ergibt sich eine gerade Anzahl von Zuständen, und kein Zustand ist sein eigenes Spiegelbild. Im einfachsten Fall gibt es also zwei Zustände. Der Übergang zur Quantenphysik erfolgt wiederum durch Skalieren des Abstandes zwischen den Zuständen zu h quer. Diese beiden Zustände haben eine wichtige Interpretation: Sie können beispielsweise den Spin des Elektrons beschreiben: Spin up und Spin down, mit Plus einhalb und Minus einhalb in Einheiten von h quer. Welchen Schwingungsmoden entsprechen diese beiden Zustände? Mathematisch lässt sich zeigen, dass es sich hierbei im einfachsten Fall um Schwingungen auf einer dreidimensionalen Kugeloberfläche in vier Dimensionen handelt. Geometrisch ist diese Kugeloberfläche ein komplexes Objekt. In der Quantenphysik ist ein solcher Zustand in vier Dimensionen möglich, weil er nicht direkt beobachtbar ist und nur indirekte Auswirkungen hat. Der Spin ist das erste und zugleich wichtigste Beispiel für einen Zustand, der nicht im realen Raum existieren kann und darum ein rein quantenmechanisches Phänomen ist. Was wir davon mitbekommen, ist sozusagen eine Projektion in die realen drei Dimensionen. Die z-Achse bezeichnen wir jetzt wie üblich von unten nach oben. Im Bezug auf diese zeigt der Zustand up nach oben, und der Zustand down nach unten. Die dreidimensionale Kugeloberfläche kann nun auf eine gewöhnliche, zweidimensionale Kugeloberfläche projiziert werden. Dort entsprechen dem Nord- und Südpol die Zustände Spin up und Spin down. Neben diesen beiden Basiszuständen der Spins gibt es auch noch Überlagerungsmöglichkeiten, also Superpositionszustände dieser Schwingungen, zum Beispiel Spin up plus Spin down, oder Spin up minus Spin down. Geometrisch entspricht das einem Spin, der in die plus y oder minus y-Richtung zeigt. Analog lässt sich der Spin in plus x oder minus x-Richtung konstruieren. Der Spin im dreidimensionalen Raum kann also in jede beliebige Richtung zeigen. Jeder Punkt auf der Kugel entspricht dem Spinzustand, der in diese Raumrichtung weist. Alle möglichen Spinausrichtungen dieses sogenannten Qubits ergeben eine zweidimensionale Kugeloberfläche, die sogenannte Bloch-Kugel. Das hier vorgestellte Video ist Teil des Projektes "U2: Quantenspiegelungen" vom Institut für Didaktik der Physik der Universität Münster. Mathematisch fundierte Visualisierungen eröffnen Schritt für Schritt einen Zugang zu moderner Atomphysik – vom Wasserstoffatom bis zum Periodensystem der Elemente.

In diesem Video wird das Prinzip des Gaslasers vorgestellt: Es zeigt sich, dass dafür Knotenlinien von Elektronen auf Photonen "vererbt" werden. Für den Aufbau eines Glaslasers benötigt man zwei parallele Spiegel, die ein Glasrohr begrenzen, in dem sich Helium- und Neongas befinden. Die Spiegel müssen genau parallel sein, sonst zündet der Laser nicht. Das Helium wird in einer Gasentladung durch Stöße angeregt. Das Besondere hierbei ist, dass das Helium nicht durch Aussenden von Strahlung seine Energie wieder abgeben kann, sondern nur durch Stöße - es ist metastabil. Trifft das Heliumatom auf ein Neonatom, gibt es seine Energie ab - das Neon wiederum kann sofort durch Emmission eines Photons an die Umgebung in seinen Grundzustand zurückgelangen. Entscheidend für den Laser ist die sogenannte Inversion - da angeregtes Helium so langlebig ist, können sehr viele angeregte Heliumatome gleichzeitig erzeugt werden. Die angeregten Heliumatome übertragen ihre Energie auf viele Neonatome, die dann gemeinsam - in induzierter Emmission - viele Photonen erzeugen. Diese kohärenten Photonen werden im Resonator durch die beiden Spiegel hin- und herreflektiert, sodass eine stehende Welle entsteht, die sich immer weiter aufschaukelt. Ein Teil dieser stehenden Welle wird bei dem Spiegel, der nicht zu 100% reflektiert, ausgekoppelt - und das ist dann der Laserstrahl, den man sehen kann. Das hier vorgestellte Video ist Teil des Projektes "U2: Quantenspiegelungen" vom Institut für Didaktik der Physik der Universität Münster. Mathematisch fundierte Visualisierungen eröffnen Schritt für Schritt einen Zugang zu moderner Atomphysik – vom Wasserstoffatom bis zum Periodensystem der Elemente.

Das Video zeigt eine überraschend einfache, geometrische Deutung des Spins in vier Dimensionen und eine doppeldeutige Interpretation in drei Dimensionen. Der Elektronzustand hat einen Orts- und einen Spinanteil. Beide Anteile lassen sich aus dem Spektrum der Gitarrensaite ableiten. In diesem Video werden zunächst die Grundschwingung und der erste Oberton betrachtet; alle höheren Moden lassen sich ganz analog herleiten. Das hier vorgestellte Video ist Teil des Projektes "U2: Quantenspiegelungen" vom Institut für Didaktik der Physik der Universität Münster. Mathematisch fundierte Visualisierungen eröffnen Schritt für Schritt einen Zugang zu moderner Atomphysik – vom Wasserstoffatom bis zum Periodensystem der Elemente.