Die vier Grundkräfte im Überblick

Starke Wechselwirkung, schwache Wechselwirkung, elektromagnetische Wechselwirkung und Gravitation: Physiker*innen gehen heute von vier Grundkräften aus, aus denen alle anderen Kräfte zusammengesetzt werden können. Sie sind unterschiedlich stark und reichen unterschiedlich weit.

Arbeitsmittel

Grundkräfte der Physik

Kräfte sind für die Physik so wichtig, dass die Physik manchmal sogar die „Lehre von den Kräften in der Natur“ genannt wird. Der Begriff Kraft wird allerdings in den Naturwissenschaften anders verwendet als im Alltag. Die Kraft ist in der Physik eine Modellvorstellung, um Wirkungen und Veränderungen zu beschreiben: Regen fällt aus den Wolken, Blitze erhellen den Nachthimmel, Atome gehen Bindungen ein, der Magnetkran hebt Eisenschrott hoch, Glühbirnen beginnen zu leuchten ...

Die Auswirkung der elektromagnetische Kraft kann so aussehen …
Elektromagnet bei der Arbeit
… aber auch so …
Eisenspäne und Stabmagnet
… oder so.

Durch die vier Grundkräfte der Physik wird das Aussehen und das Verhalten von Stoffen (Materie) bestimmt und auch wie sie miteinander wechselwirken. Sie entsprechen vier grundlegend verschiedenen Wegen, auf denen physikalische Objekte einander beeinflussen können. Sie sind unterschiedlich stark und reichen unterschiedlich weit.

Milchstraße
Die Gravitation ist für Entstehung und Bewegung der Milchstraße verantwortlich.
Kernkraftwerk
Bei der Kernenergie ist die starke Wechselwirkung entscheidend.
Durch die schwache Wechselwirkung wird die Fusion von Wasserstoff zu Helium in der Sonne möglich.
Kraft relative Stärke Reichweite
starke Wechselwirkung starke Wechselwirkung 100 2,5 $$\cdot$$ 10-15 m
elektromagnetische Wechselwirkung elektromagnetische Wechselwirkung 1 unendlich
schwache Wechselwirkung schwache Wechselwirkung 10-11 1 $$\cdot$$ 10-18 m
Gravitation Gravitation 10-36 unendlich

Gravitation und elektromagnetische Kraft

Die Gravitation (Schwerkraft) ist die gegenseitige Anziehung von Massen. Sie hält die Materie über große Entfernungen zusammen und wird erst bei größeren Massen spürbar – im atomaren Bereich ist sie vernachlässigbar. Durch ihre große Reichweite ist sie für die Bildung und Bewegungen von Planeten, Sternen und Galaxien verantwortlich.

Die elektromagnetische Kraft ist stärker als die Gravitation und bezeichnet die Anziehung und Abstoßung von elektrischen Ladungen. Sie hält Elektronen und Atomkerne zusammen und ist auch für die Chemie entscheidend. Obwohl sie eine große Reichweite hat, spielt sie in planetaren Größenordnungen keine große Rolle, da diese Himmelskörper in Summe elektrisch neutral sind. Die positiven und negativen Ladungen sind in großen Körpern immer annähernd gleichmäßig verteilt, da sie sonst nicht zusammenhalten würden.

Schwache und starke Wechselwirkung

Die schwache und die starke Wechselwirkung sind Kernkräfte und haben eine so geringe Reichweite, dass sie außerhalb des Atomkerns vernachlässigbar sind. Die schwache Wechselwirkung wirkt im Inneren der Protonen und Neutronen, die starke Wechselwirkung hält Protonen und Neutronen zusammen.

Durch die schwache Wechselwirkung wird die Fusion von Wasserstoff zu Helium in der Sonne ermöglicht und damit auch die Energie für alles Leben auf der Erde bereitgestellt. Sie ist auch für die radioaktive β-Umwandlung („β-Zerfall“) von Atomkernen verantwortlich.

Die starke Wechselwirkung verhält sich sehr ungewöhnlich. Solange die Kernteilchen sehr eng beisammen sind ist sie schwächer, als wenn sie sich etwas voneinander entfernen. Bei noch größerer Entfernung wird sie dann wieder schwächer, da sie nur eine sehr kleine Reichweite hat. Die starke Wechselwirkung sorgt unter anderem für den Zusammenhalt der Atomkerne und ist für den radioaktiven α-Zerfall von Atomkernen verantwortlich.

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