Lisa und die Relativitätstheorie

Lisa sitzt morgens am Frühstückstisch und unterhält sich mit ihrem Vater über die Relativitätstheorie von Albert Einstein. In der Schule hat sie gehört, dass Objekte, die sich mit Lichtgeschwindigkeit bewegen anderen Gesetzen unterliegen, als ruhende oder nur langsam bewegte Objekte. Ihr Vater will das alles kaum glauben und verlangt ein paar Beispiele. Lisa nimmt sich ein Blatt Papier und schreibt eine Formel auf:

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„Wenn sich ein Objekt bewegt nimmt seine Masse zu“, sagt Lisa.

„Nehmen wir mal an wir beschleunigen Mama. Würde sie dann dicker werden?“

„Ja! Mama wiegt 75kg. Wenn sie mit dem Auto 100 km/h fährt wiegt sie schon 75,0000000000003 kg. Ihre Masse hat um 0,3 Nanogramm zugenommen. Wenn sie sich auf einen Satelliten im Weltall setzt, der fliegt nämlich mit bis zu 16 km/s, wiegt Mama schon 75,0000001 kg. Sie ist also schon um 0,1 Milligramm  schwerer geworden.“

„Und was ist jetzt mit der Lichtgeschwindigkeit? Wie viel wiegt Mama dann??“

„Wenn Mama annähernd mit Lichtgeschwindigkeit fliegt… Dann wiegt sie… 117 Tonnen“

„117 Tonnen!?!?!? Das ist aber viel! Dann lassen wir das lieber mit der Lichtgeschwindigkeit!“

Lisa und ihr Vater lachen herzlich und Lisa erklärt ihrem Vater noch ein wenig mehr über Einstein.

Es hört sich total verrückt an, aber der Effekt, den Lisa beschreibt, ist nur einer von vielen, die sich bei Annäherung an die Lichtgeschwindigkeit bemerkbar machen. Bei sehr schweren Elementen erfahren die kernnahen Elektronen eine so große Beschleunigung (um derKernanziehung entgegenzuwirken), dass diese einen Massezuwachs erfahren und somit die physikalischen Eigenschaften der Elemente erheblich beeinflussen. Gold ist nur golden, da sich im inneren der Atome Elektronen so schnell bewegen, dass sich ihr Massenzuwachs auf die Lichtabsorptionsfähigkeit des Goldes auswirkt. Wäre dies nicht der Fall hätte Gold die selbe Farbe wie Silber. Auch der flüssige Aggregatzustand von Quecksilber (Hg) kann durch den relativistischen Effekt erklärt werden (Siehe unten). Ebenfalls faszinierend ist die Tatsache, dass, laut Einstein, die Zeit für bewegte Systeme im vergleich zum ruhenden Beobachter langsamer vergeht. Ein sehr gutes Beispiel ist der GPS-Sattelit, der sich mit 3,85km/s um die Erde bewegt. Das ist zwar nicht mal eine Näherung an die Lichtgeschwindigkeit, aber reicht aus um diesen Effekt zu beobachten. Insgesamt gehen die Uhren im GPS-Satteliten 38 Mikrosekunden/Tag vor. Würde man die Relativitätstheorie bei der Ortsbestimmung mit dem GPS nicht berücksichtigen, würde innerhalb von einer Woche eine Fehler von 80km entstehen. Selbstverständlich werden die Uhren auf der Erde und die im Satteliten so eingestellt, dass solche Fehler nicht entstehen.

Wer noch mehr über die Relativitätstheorie und ihre Effekte erfahren möchte, dem empfehle ich ein klasse Youtube Video

Warum ist Quecksilber flüssig?

Als Element der 12. Gruppe des PSE besitzen Quecksilberatome komplett gefüllte s- und d-Orbitale, was eine sehr stabile und energetisch günstige Konstellation bedeutet. Das Leitungsband ist dadurch leer. Bei den leichteren Homologen Zink und Cadmium, die in derselben Gruppe des PSE wie Quecksilber stehen, jedoch bei Raumtemperatur fest sind, ist der energetische Unterschied zwischen dem Valenzband zum Leitungsband so gering, dass Elektronen problemlos vom Valenz- ins Leitungsband springen können, wodurch eine Metallbindung zustande kommt. Die kernnahen 1s-Elektronen des Quecksilbers bewegen sich mit 58% der Lichtgeschwindigkeit und erfahren somit einen Massezuwachs von 23%, was ebenfalls eine Verkleinerung des Bahnradius der 1s-Elektronen um 23% zufolge hat und somit eine Orbitalkontraktion. Insgesamt ist der Radius der Hg-Atome dadurch kleiner als erwartet. Besetzte Orbitale werden so näher an den Kern herangezogen, sowie auch das Valenzband des Quecksilbers. Unbesetzte Orbitale, das Leitungsband, werden nicht näher an den Kern gezogen, was zu einer besonders großen Energiedifferenz zwischen Valenz- und Leitungsband führt, die bei Zink und Cadmium deutlich geringer ist. So können kaum Elektronen das Valenzband verlassen, wodurch die Metallbindung außergewöhnlich schwach ausfällt. Dies erklärt zugleich auch die Flüchtigkeit und die für Metalle untypische schlechte Leitfähigkeit des Quecksilbers.

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