Fundamentale und abgeleitete Kräfte

Fundamentale Kräfte

Wir unterscheiden in der Physik grundlegende Krafttypen, die sich in ihrer Wirkungsart unterscheiden. Dabei sind  folgende fundamentale Kräfte besonders wichtig.

Wir unterscheiden zwischen der Gravitationskraft, der elektrischen  und der magnetischen Kraft sowie der Kernkraft.

Die Gravitationskraft

Aufgrund ihrer Massen ziehen sich Körper gegenseitig an. Die Erde zieht den Mond an. Umgekehrt zieht der Mond auch die Erde an. Diese Anziehung von zwei Körpern aufgrund ihrer Masse wird Massenanziehung oder Gravitation (gravis, lat.: schwer) genannt. Die anziehend wirkenden Kräfte werden als Schwerkräfte oder Gravitationskräfte bezeichnet.
Die Gravitationskraft ist umso größer,

  • je kleiner der Abstand ihrer Massenmittelpunkte voneinander ist und
  • je größer die Massen der Körper sind.

Die elektrische Kraft

Es gibt die positive (oft durch rote Farbe gekennzeichnet) und negative Ladung (oft durch blaue Farbe gekennzeichnet). Gleichartige Ladungen  (positiv zu positiv, negativ zu negativ) stoßen sich ab, verschiedenartige Ladungen (positiv zu negativ und umgekehrt) ziehen sich an.

Mit der „Größe“ der Ladung wächst der Betrag der (anziehenden oder abstoßenden) Kraft. Der Betrag sinkt, wenn der Abstand zwischen den Ladungen sich vergrößert.

Die magnetische Kraft

Bei der magnetischen Kraft gibt es keine positive oder negative Ladung sondern den magnetischen Nordpol (meist durch rote Farbe gekennzeichnet) und den magnetischen Südpol (meist durch grüne Farbe gekennzeichnet).

Wie bei der elektrischen Kraft stoßen sich gleichartige Pole ab, verschiedenartige Pole ziehen sich an.

Mit der „Stärke“ der Magnetpole wächst der Betrag der (anziehenden oder abstoßenden) Kraft. Der Betrag stinkt, wenn sich der Abstand zwischen den Magnetpolen vergrößert.

Die Kernkraft

Historisches  zum Aufbau des Atomkerns

  • Rutherford stellte im Jahr 1911 fest, dass  im Zentrum des Atoms eine punktförmige positive Zentralladung sitzt. Diese Zentralladung wurde als  „Kern“ (engl.: nucleus) bezeichnet.
  • Im Jahre 1920 nannte Rutherford den Kern des Wasserstoffatoms  „Proton“.
  • Rutherford vermutete im Jahr 1920 neben dem Proton einen weiteren Kernbaustein, das sogenannte Neutron. Das Neutron sollte etwa dieselbe Masse wie das Proton besitzen, aber keine elektrische Ladung haben. Die Kernbausteine Proton und Neutron werden unter dem Überbegriff Nukleon zusammen gefasst.
  • Rutherfords Schüler J. Chadwick, konnte im Jahr 1932 das Neutron nachweisen.

Kernspaltung

Ein Atomkern der chemischen Elemente setzen sich aus den elektrisch positiv geladenen Protonen und den elektrisch neutralen Neutronen zusammen. Die Nukleonen (Überbegriff) werden von der sogenannten Kernkraft zusammen gehalten. In der Physik spricht  man auch von der starken Kraft . Von den vier in der Natur vorkommenden Kräften ist die Kernkraft, die bei weiten stärkste Kraft.

Bindungsenergien der Atomkerne

Wegen ihrer gleichen elektrischen Ladung stoßen sich die positiv geladenen Protonen im Atomkern gegenseitig ab. Solange diese elektrische Abstoßung (als Coulombkraft bezeichnet), durch die sehr viel stärkeren Kernkräfte kompensiert werden, bleibt der Kern stabil und wird nicht radioaktiv. Zusätzlich helfen die Kernkräfte der elektrisch neutralen Neutronen mit, die Radioaktivität zu vermeiden.

Um welches Element es sich handelt, bestimmt die Zahl der Protonen. Je höher die Anzahl der Protonen und damit je schwerer die Elemente werden, desto mehr Neutronen werden benötigt, um die abstoßenden Coulombkräfte zu kompensieren. Es kann sogar zum Neutronen-Überschuss kommen. Diese Kräfte können durch die sehr kleinen Abstände zwischen den Protonen sehr groß werden, weil die Coulombkräfte sich umgekehrt proportional zum Quadrat der Abstände verhalten. Bei hohen Protonenzahlen, wie beim Uran-92, ist das Limit der Balance zwischen Coulombabstoßung und bindenden Kernkräften erreicht. Die Kerne beginnen instabil und somit radioaktiv zu werden.

Abgeleitete Kräfte

Es gibt neben den fundamentalen Kräften noch andere Kräfte, die in unserem täglichen Leben eine große Bedeutsamkeit haben. Untersuchungen zeigen, dass diese Kräfte makroskopische Folgen der mikroskopischen Wirkung von fundamentalen Kräften sind.

Das sind beispielsweise die Muskel-, die Feder-, die Reibung- und die Auftriebskraft.