PHYSIK
SIMPLY
WISSEN AUF DEN PUNKT GEBRACHT
DK London
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Lektorat
Georgina Dee, Liz Gough, Marek Walisiewicz, Abigail Ellis,
Peter Frances, Angeles Gavira Guerrero
Gestaltung und Bildredaktion
Maxine Pedliham, Paul Reid, Phil Ormerod, Michael Duffy,
Jessica Tapolcai, Clare Joyce, Mik Gates, Mark Lloyd
Umschlaggestaltung
Sophia M.T.T., Juhi Sheth
Herstellung
Andy Hilliard, Rebecca Parton
Für die deutsche Ausgabe:
Projektbetreuung Carola Wiese
Herstellungskoordination Bianca Isack
Herstellung Stefanie Staat
Titel der englischen Originalausgabe:
Simply. Physics
© Dorling Kindersley Limited, London, 2025
Ein Unternehmen der Penguin Random House Group,
Alle Rechte vorbehalten
© der deutschsprachigen Ausgabe: 2025
Dorling Kindersley Verlag GmbH, Arnulfstr. 124, 80636 München
Alle deutschsprachigen Rechte vorbehalten
Deutsche digitale Ausgabe, 2025
Dorling Kindersley Verlag GmbH
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insbesondere über Muster, Trends und Korrelationen gemäß
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Übersetzung Dr. Stephan Matthiesen
Lektorat Manuela Kupfer
eISBN 978-3-8310-8457-9
5902-345533-24494-01
www.dk-verlag.de
Ein Hinweis zu geschlechtlichen Identitäten
Der DK Verlag erkennt alle geschlechtlichen Identitäten an. Nach
Möglichkeit wird im Buch eine gendergerechte Sprache berücksichtigt,
sofern dies inhaltlich sinnvoll ist bzw. den historischen Fakten ent-
spricht; stellenweise wird aus Platzgründen oder Gründen der besseren
Lesbarkeit jedoch das generische Maskulinum verwendet.
BERATER UND MITWIRKENDE
Jack Challoner ist Autor von 50 Wissen-
schafts- und Technikbüchern. Bevor er
Autor wurde, arbeitete er im Londoner
Science Museum. Er studierte Physik
und absolvierte eine Ausbildung zum
Lehrer für Naturwissenschaften und
Mathematik.
Hilary Lamb ist eine preisgekrönte
Wissenschaftsjournalistin, Redakteurin
und Autorin. Sie hat an über einem
Dutzend früherer DK-Titeln mitgearbei-
tet, darunter Big Ideas. Das Physik-Buch
und SIMPLY. Quantenphysik. Sie gibt das
Literaturmagazin Tamarind heraus.
David Sang ist ein erfahrener Physik-
lehrer und hat an über 100 Lehrbüchern
sowie anderen Lehrmaterialien und
Websites mitgearbeitet.
Giles Sparrow ist ein auf Astronomie
und Weltraumforschung spezialisierter
Autor und Journalist. Er hat Dutzende
Bücher geschrieben und ist Fellow der
Royal Astronomical Society.
ÜBER DIESES EBOOK
Aufgrund der komplexen Integration
von Bildern und Text wurde dieses
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INHALT
07 WAS IST PHYSIK?
MATERIE
10 AGGREGATZUSTÄNDE
Kinetische Theorie
12 VERHALTEN VON GASEN
Gasgesetze
14 IM INNEREN EINES ATOMS
Atomstruktur
15 VIELE ATOME VERBINDEN
Elemente, Verbindungen
und Gemische
16 ELEKTRONENAUSTAUSCH
Ionen und Ionenbindungen
17 EIN SEE FREIER ELEKTRONEN
Metalle
18 VERFORMUNGEN
Eigenschaften von Festkörpern
20 KERNZERFALL
Radioaktivität
22 NEUTRONENZAHL
Isotope
23 GLEICHGEWICHT IM KERN
Stabilität und Instabilität
24 KETTENREAKTION
Kernspaltung
25 ENERGIE AUS DEM KERN
Kernreaktoren
26 WENN KERNE VERSCHMELZEN
Kernfusion
28 ELEMENTFABRIKEN
Nukleosynthese
29 HEFTIGE KOLLISIONEN
Teilchenbeschleuniger
30 TEILCHENZOO
Kosmische Strahlung
31 MATERIE IM SPIEGEL
Antimaterie
32 WAS ALLES ZUSAMMENHÄLT
Grundkräfte
34 ELEMENTARSTE TEILCHEN
Quarks
35 DAS IST ALLES
Standardmodell
KRÄFTE UND
BEWEGUNG
38 GRÖSSE UND RICHTUNG
Skalar- und Vektorgrößen
40 PRAKTISCHE MECHANIK
Newton‘sche Bewegungsgesetze
42 BEWEGUNGSGRÖSSEN
Impulserhaltung
44 SCHWINGUNGEN
Harmonischer Oszillator
46 IMMER IM KREIS
Zentripetalkraft
47 ROTATION
Drehmoment und Drehimpuls
48 ANZIEHUNG DER MATERIE
Gravitation
49 BREMSENDE KRAFT
Reibung
50 KRAFTWANDLER
Einfache Maschinen
52 UNTER DRUCK
Fluidstatik
53 STRÖMUNGEN
Fluiddynamik
ENERGIE
56 KRÄFTE VERRICHTEN ARBEIT
Arbeit, Kraft und Energie
58 ENERGIE IN ZAHLEN
Energie und Leistung
59 WO GEHT DIE ENERGIE HIN?
Energieerhaltung
60 MOLEKÜLE IN BEWEGUNG
Wärme und Temperatur
62 WIE SICH ENERGIE VERTEILT
Wärmeübertragung
64 ERWÄRMUNG
Spezifische Wärmekapazität
65 VERBORGENE WÄRME
Latente Wärme
66 DIE ROLLE DES ZUFALLS
Entropie
68 DIE GESETZE DER ENERGIE
Thermodynamik
ELEKTRIZITÄT
UND
MAGNETISMUS
72 KRAFTFELDER
Elektrische Wechselwirkung
73 BEWEGTE LADUNGEN
Elektrischer Strom
74 TRAGBARE STROMQUELLE
Batterien und Akkus
76 STRÖME STEUERN
Halbleiter
78 ELEKTRONISCHE LOGIK
Transistoren und Mikrochips
80 ZWEI POLE
Magnete und Magnetismus
81 MAGNET ZUM EINSCHALTEN
Elektromagnetismus
82 STROMÜBERTRAGUNG
Induktion und Transformatoren
84 BEWEGUNG IM MAGNETFELD
Motoren und Generatoren
86 BEWEGTE FELDER
MACHEN WELLEN
Elektromagnetische Wellen
88 WELLENLÄNGE UND ENERGIE
Elektromagnetisches Spektrum
SCHALL
UND LICHT
92 HÖRBARE SCHWINGUNGEN
Was ist Schall?
93 HÖHE UND LAUTSTÄRKE
Schallfrequenz und Amplitude
94 HARMONISCHE TÖNE
Stehende Wellen und Resonanz
95 FREQUENZÄNDERUNG
Der Doppler-Effekt
96 HELLES LEUCHTEN
Glühen und Lumineszenz
98 SPIEGELBILDER
Lichtreflexion
99 ROT SEHEN
Farben
100 LICHT MIT KNICK
Lichtbrechung und Dispersion
102 ÜBERLAGERTE WELLEN
Interferenz
103 UM DIE ECKE
Beugung
104 SCHARFE BILDER
Linsen und Optik
106 VERGRÖSSERTE BILDER
Optische Instrumente
QUANTEN-
PHYSIK
110 LICHTTEILCHEN
Photonen
111 NATURKONSTANTE
Planck‘sches Wirkungsquantum
112 DIE ENERGIE DES PHOTONS
Fotoelektrischer Effekt
114 BEIDES ZUGLEICH
Welle-Teilchen-Dualismus
115 DER BEOBACHTUNGSEFFEKT
Das Doppelspaltexperiment
116 WENN MÖGLICHKEITEN
KOLLABIEREN
Wellenfunktion
117 GEBEN UND NEHMEN
Emission und Absorption
118 ZUSTÄNDE DEFINIEREN
Quantenzahlen
119 INTRINSISCHE DREHUNG
Spin
120 WISSEN UND
NICHT WISSEN
Heisenberg‘sches
Unbestimmtheitsprinzip
121 FLÜCHTIGE ERSCHEINUNG
Virtuelle Teilchen
122 GETRENNT VERBUNDEN
Quantenverschränkung
124 EINE EINZIGE KRAFT
Vereinheitlichung
ASTROPHYSIK
UND KOSMOLOGIE
140 GLEICHFÖRMIGES UNIVERSUM
Kosmologisches Prinzip
141 JUNGE STERNE
Sternentstehung
142 HELLES STERNENLICHT
Größe, Temperatur und
Leuchtkraft von Sternen
RELATIVITÄT
128 RELATIV GESEHEN
Grundsätze der Relativität
130 DIE SUCHE NACH DEM ÄTHER
Konstanz der Licht-
geschwindigkeit
131 SCHNELLE DINGE
WERDEN KÜRZER
Längenkontraktion
132 GLEICHZEITIG ODER NICHT?
Zeit und Relativität
133 RAUMZEIT
Raum, Zeit und Energie
134 SCHWERE UND TRÄGE MASSE
Äquivalenzprinzip
136 GEWEBE DES UNIVERSUMS
Raumzeit
137 RIPPEL IN DER RAUMZEIT
Gravitationswellen
144 PAARTANZ DER STERNE
Doppelsterne
145 LICHTKURVEN
Veränderliche Sterne
146 DAS SCHICKSAL DER STERNE
Sternentod
148 VERMESSUNG DER WELT
Kosmische Entfernungen
150 DER RAUM EXPANDIERT
Hubble-Lemaître-Gesetz
151 WIE ALLES ANFING
Beginn des Universums
152 KARTE DES UNIVERSUMS
Kosmische Hintergrundstrahlung
153 EINE UNSICHTBARE WELT
Dunkle Materie und Dunkle Energie
154 RIP, CHILL ODER CRUNCH
Schicksal des Universums
156 REGISTER
160 DANK
WAS IST PHYSIK?
Die Physik hat zum Ziel, einige der grundlegendsten Phänomene
in der Welt um uns herum zu verstehen. Sie beschäftigt sich mit
Materie und Energie, hier auf der Erde und im gesamten Universum.
Die Erklärungskonzepte, die Physikerinnen und Physiker im Lauf der
Jahrhunderte entwickelt haben, basieren auf dem, was man in der
natürlichen Welt sieht. Manchmal beobachten sie einfach natür-
liche Phänomene; manchmal führen sie gezielte Experimente durch,
um Fragen zu klären, die sich aus der Naturbeobachtung ergeben.
Experimente können so einfach sein wie das Zusammenbringen
zweier Magnete oder so komplex wie die riesigen Teilchenbeschleu-
niger, mit denen man den Aufbau der Materie auf kleinster Ebene
erforscht. Die experimentelle Bestätigung ist der ultimative Test für
jede physikalische Theorie.
In der Physik können neue Entdeckungen völlig neue Forschungs-
bereiche eröffnen. Mit der Erkenntnis, dass Materie aus Teilchen
besteht, konnten Wissenschaftler Erklärungen für das Verhalten
von Feststoffen, Flüssigkeiten und Gasen entwickeln. Die Auf-
klärung der genauen Struktur von Atomen zeigte, wie sich Atome
zu den unzähligen Molekülen verbinden, die in der Chemie und der
Biologie erforscht werden. Das Verständnis der Wechselwirkung
von Licht mit Atomen ermöglichte es Astronomen, die Zusammen-
setzung von Sternen zu untersuchen. Je mehr wir wissen, desto
mehr gibt es zu entdecken und desto mehr Werkzeuge stehen uns
für neue Entdeckungen zur Verfügung.
Während Physiker einfach von der Physik begeistert sind, hat
deren Anwendung in der Technik auch das Leben der Menschen
dramatisch verändert. Selbst Grundbedürfnisse wie Wohnen, Ver-
kehr, Kommunikation, Medizin und sogar Unterhaltung haben sich
durch die Anwendung dessen, was wir über die Funktionsweise
der Welt wissen, dramatisch verändert.
EINLEITUNG 7
Materie
Alles Stoffliche um uns herum nennen wir Materie. Auf
den ersten Blick erscheinen Wasser, Luft und Steine sehr
unterschiedlich, aber letztlich sind sie alle ähnlich: Sie sind
aus Atomen aufgebaut, die wiederum aus noch kleineren
Bestandteilen bestehen. Untersuchungen des Sternenlichts
zeigen, dass alles, was wir im Weltraum sehen – Planeten,
Sterne, Galaxien usw. – aus derselben Materie besteht wie
die Dinge auf der Erde. Die winzigen Teilchen der Materie
bewegen sich und wechselwirken nach einigen wenigen
Grundgesetzen, die die Menschen im Laufe der letzten vier
Jahrhunderte verstanden haben. Für Physiker besteht das
Universum nur aus Teilchen und ihren Wechselwirkungen.
AGGREGATZUSTÄNDE
Feststoffe haben eine feste Form und Größe. Flüssigkeiten
fließen, aber ihr Volumen bleibt konstant. Gase dehnen
sich aus und füllen den verfügbaren Raum aus. Dies lässt
sich erklären, wenn man sich vorstellt, dass Materie aus
Teilchen besteht, die sich ständig schnell bewegen. Jedes
Teilchen zieht seine Nachbarn an, sodass sie sich je nach
verfügbarer Energie mehr oder weniger zusammenballen.
Diese Beschreibung der Materie heißt kinetische Theorie.
SCHWACHE
ANZIEHUNG
ELEKTRISCHE
ANZIEHUNG
Zwischenmolekulare Kräfte
nehmen enorm zu, wenn sich
die Teilchen nahe kommen.
STARKE
ANZIEHUNG
Kräfte zwischen Teilchen
Die zwischenmolekularen Kräfte
sind viel schwächer als die Bindun-
gen, die Moleküle zusammenhalten,
aber sie bestimmen den Zustand
der Materie.
GEFRIEREN
Festkörper
In Festkörpern vibrieren die Teilchen, aber
starke zwischenmolekulare Kräfte halten
sie relativ zu den Nachbarteilchen am
KRISTALLINER FESTKÖRPER
Platz. In manchen Festkörpern – Kristal-
len – bilden sie ein regelmäßiges Gitter.
10
KINETISCHE THEORIE
SUBLIMATION
RESUBLIMATION (DEPOSITION)
Zustandsänderungen
Wenn Materie erwärmt wird, werden die Teilchen
schneller. Dann können sie die zwischenmolekularen
Kräfte überwinden und der Stoff geht z. B. vom flüssigen
in den gasförmigen Zustand über. Diese Übergänge sind
rein physikalisch und verändern die chemischen Eigen-
schaften des Stoffs nicht.
Gas
Teilchen eines Gases bewegen
sich schnell in zufällige Richtungen
und füllen das verfügbare Volumen
voll aus.
bewegen sich
die Atome des
Heliumgases
mit mehr als
4000 km/h.
Bei Zimmer-
temperatur
SCHMELZEN
Flüssigkeit
In einer Flüssigkeit bewegen sich die Teil-
chen schnell und sind nicht so dicht gepackt,
sodass sie aneinander vorbeigleiten können.
Daher können Flüssigkeiten fließen und die
Form des Behälters annehmen.
FLÜSSIGKEIT
KINETISCHE THEORIE
11
VERDAMPFEN
KONDENSATION
GAS UNTER DRUCK
VERHALTEN VON GASEN
Nach der Erfindung von Pumpen, Barometern und Thermometern im
17. Jahrhundert konnten Wissenschaftler das Verhalten von Gasen
erforschen. Die Experimente führten zu Gesetzen, die die Beziehung
zwischen Volumen, Temperatur und Druck (die Kraft, die auf eine
Flächen einheit wirkt) beschreiben. Sie wurden lange vor der Entwick-
lung der kinetischen Gastheorie (siehe S. 10–11) aufgestellt und gingen
von der – falschen – Annahme aus, dass zwischen den Molekülen
eines Gases keine Kräfte wirken. In der Praxis sind die Kräfte
zwischen Gasteilchen tatsächlich so schwach, dass die
Gesetze das Verhalten von Gasen bei Temperaturen
deutlich über ihrem Siedepunkt sehr
gut vorhersagen.
Wenn
der Druck
zunimmt,
nimmt das
Volumen ab.
DRUCK
Die Gasteilchen stoßen mit
der Wand des Behälters
zusammen und prallen ab,
was Druck auf die Wand
erzeugt.
Wenn das Volumen eines
Gases durch eine Kraft auf
den Kolben verringert wird,
kollidieren die Teilchen
häufiger mit den Wänden,
sodass der Druck ansteigt.
Boyle-Mariotte-Gesetz
Das Volumen eines Gases
ist umkehrt proportional
zu seinem Druck (bei kon-
stanter Temperatur).
12 GASGESETZE
DRUCK
KOLBEN
VOLUMEN
VOLUMEN
Energiereiche Teilchen
drücken auf die Wand des
Behälters und dehnen das
Volumen aus.
AUSDEHNUNG
WÄRME-
QUELLE
TEMPERATUR
Wenn ein Gas abkühlt,
nimmt sein Volumen ab,
bis es zu einer Flüssigkeit
kondensiert.
Bei hoher Temperatur
bewegen sich die Gas-
teilchen schneller.
Gay-Lussac-Gesetz
Das Volumen eines Gases
ist proportional zu seiner
absoluten Temperatur (bei
konstantem Druck).
Erwärmen erhöht die Geschwin-
digkeit der Teilchen, sodass Kol-
lisionen mit der Behälterwand
häufiger und stärker werden.
WÄRME-
QUELLE
TEMPERATUR
Wenn man ein Gas zum
absoluten Nullpunkt
könnte, wäre der Druck null.
Wenn ein Gas erwärmt
wird, aber sich nicht aus-
dehnen kann, steigt der
Druck.
Amontons-Gesetz
Der Druck eines Gases
ist proportional zur abso-
luten Temperatur (bei
konstantem Volumen).
GASGESETZE 13
ABKÜHLEN
ABKÜHLUNG
FESTES VOLUMEN
TEMPERATUR
DRUCK
VOLUMEN
IM INNEREN EINES ATOMS
Alle Materie besteht aus Atomen: Teilchen, die etwa ein Milliardstel
Meter groß sind. Jedes Atom hat einen Kern, der aus kleineren Teil-
chen, den Protonen und Neutronen, besteht. Der Kern ist von einer
Elektronen wolke umgeben. Jedes Atom eines Elements hat die gleiche
Anzahl von Protonen im Kern, verschiedene Elemente haben verschie-
dene Protonenzahlen. Dieses Konzept des Atoms erklärt die Unter-
schiede zwischen den Elementen, wie sich Elemente zu Verbindungen
zusammenschließen und warum einige radioaktiv sind (siehe S. 20–21).
Elektronenwolke
Die negativ geladenen Elektronen
bilden eine diffuse Hülle. Sie werden
durch die positive Ladung der
Protonen im Kern gehalten.
NEUTRONEN
Neutronen haben fast die gleiche
Masse wie Protonen, aber keine
elektrische Ladung.
KERN
-
Energieschalen
Elektronen befinden
sich um den Kern in
»Schalen«, die der
Energie der Elektronen
entsprechen. Niedrig-
energetische Schalen
liegen näher am Kern
und werden vor den
höherenergetischen
Schalen mit Elektronen
aufgefüllt.
-
SAUERSTOFFATOM
- -
-
14 ATOMSTRUKTUR
-
-
-
Protonen tragen eine positive
elektrische Ladung. Die Anzahl
der Protonen im Kern bestimmt
das chemische Element.
-
-
ELEKTRONEN-
KONFIGURATION
Dies ist ein Sauerstoffatom,
denn der Kern enthält acht Pro-
tonen. Ihre Ladung wird durch
acht Elektronen ausge glichen:
zwei in der Schale mit der
niedrigsten Energie und sechs
in der nächsthöheren Schale.
ELEKTRON
Die negative Ladung eines Elektrons ist
ebenso groß wie die eines Protons, aber
mit umgekehrtem Vorzeichen.
PROTON
Z
E
W
R
E
S
I
T
T
E
E
S
C
S
H
A
L
H
E
C
A
L
E
I
In der Natur kommen
94 Elemente vor – die grund-
legenden Komponenten der Materie.
Einige Stoffe wie Eisen oder Diamant
bestehen nur aus einem Element, aber
die meisten Stoffe bestehen aus mehre-
ren. Atome eines Elements können mit
Atomen anderer Elemente eine Ver-
bindung eingehen. Stoffe können aber
auch gemischt werden, ohne dass
dabei chemische Bindungen
gebildet werden.
Verbindungen
Viele vertraute Stoffe sind Ver-
bindungen. So besteht Wasser
aus Wasserstoffatomen, die an
Sauerstoffatome gebunden sind.
Diese Art der Bindung, kovalente
Bindung genannt, beruht darauf,
dass Atome sich einige Elek-
tronen teilen. Die resultierende
Struktur nennt man ein Molekül.
Gemisch und Verbindung
Gemische können aus mehreren
Stoffen in variablem Verhält-
nis bestehen. In Verbindungen
stehen die Atome der einzelnen
Elemente immer im gleichen
Verhältnis.
WASSERSTOFF-
ATOM
Die beiden
Wasserstoff atome
im Wassermolekül
teilen sich jeweils
ein Elektron mit dem
Sauerstoffatom.
Das Sauerstoffatom
in einem Wasser-
molekül teilt sich zwei
Elektronen mit den
Wasserstoffatomen.
-
- -
-
- -
-
- -
-
Die gemeinsamen Elek-
tronen füllen die äußere
Elektronenschale jedes
Atoms, sodass das Molekül
stabil ist.
In Gemi-
schen
variiert
das Ver-
hältnis der
Elemente.
In Verbindun-
gen kommen
die Elemente
im festen Ver-
hältnis vor.
GEMISCH
VERBINDUNG
ELEMENTE, VERBINDUNGEN UND GEMISCHE 15
V
E
D
I
E
L
E
A
O
T
M
B
E
WASSER-
MOLEKÜL
SAUERSTOFF-
ATOM
V
R
N
E
N
ELEKTRONENAUSTAUSCH
Ein Atom enthält gleich viele Protonen wie Elektronen. Ihre jeweils
gleich großen, aber entgegengesetzten Ladungen gleichen sich aus,
sodass das Atom insgesamt neutral (ungeladen) ist. Einige Atome geben
jedoch leicht ein oder mehrere Elektronen aus der äußeren Schale ab
und werden so zum positiven Ion. Andere nehmen leicht Elektronen in
ihre äußere Schale auf und werden zum negativen Ion. Viele Stoffe sind
Ionenbindungen zwischen positiven und negativen Ionen.
Natriumchlorid
Speisesalz ist ein Beispiel
für eine Ionenbindung.
- -
-
-
-
- -
M
A
A- -
GLÜHENDES GAS
Plasma besteht aus hoch-
energetischen Elektronen
und positiven Ionen.
+
-
+
- + +
-
-
+
-
- + +
-
- -
Plasma
Bei extrem hoher Temperatur werden Elektronen
aus den Atomen gerissen, es entsteht ein ionisiertes
Gas: ein Plasma. Dies geschieht etwa in Sternen, sodass
99 Prozent des sichtbaren Universums ein Plasma ist.
+
- -
-
+
-
-
-
-
-
-
-
-
-
Ein Natriumatom gibt das eine Elek-
tron der äußeren Schale ab. Es füllt die
äußere Schale eines Chloratoms auf.
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
I
- -
D
+
Die positiv geladenen
Natriumionen und die
negativ geladenen Chlorid-
ionen werden durch
elektrostatische Anziehung
zusammengehalten.
-
--
-
--
-
- -
M
-
-
-
-
-
-
-
16 IONEN UND IONENBINDUNGEN
ELEKTRONEN-
TRANSFER
ELEKTROSTATISCHE
KRÄFTE
NATRIUMCHLORID: NaCl
:
H
T
T
SO :
C
C
N
C
C
A
NN
N
l
l
–
N
E
A
N
H
L
R
R
M
:
:
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L
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M
N
O
U
O
O
U
O
I
R
R
T
T
I
O
a
a
N
+
-
-
-