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Elementarteilchen


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Dieser Artikel befasst sich mit 'Elementarteilchen' den Bausteinen der Materie. Den gleichnamigen Roman von Michel Houellebecq finden Sie unter Elementarteilchen (Roman).

Elementarteilchen sind die kleinsten bekannten Bausteine der Ihre Eigenschaften lassen sich nicht anschaulich beschreiben sie aufgrund ihrer geringen Größe quantenmechanischen Gesetzmäßigkeiten gehorchen. Nachdem die Atomtheorie des Demokrit sich durch die Entwicklung der Chemie im 18. Jahrhundert bestätigte waren die Atome 'elementare' Teilchen.

Anfang des 20. Jahrhunderts wurde dann entdeckt dass Atome aus Atomkern (bestehend aus Nucleonen { Protonen und Neutronen }) und einer Hülle (bestehend aus Elektronen ) aufgebaut sind. Das Neutron ist kein Elementarteilchen da es außerhalb des Atomkerns radioaktiv zerfällt . Protonen und Elektronen gelten als stabil.

Nach der Entdeckung der das Atom Elementarteilchen wurde eine Vielzahl von instabilen Teilchen In die gleiche Zeit fällt die Entdeckung Antiteilchen .

Inhaltsverzeichnis

Einteilung der Elementarteilchen

Elementarteilchen haben eine Reihe von Eigenschaften: Masse verschiedene Ladungen Spin . Daneben unterscheidet man zusammengesetzte von unteilbaren Solche Eigenschaften erlauben eine Einteilung der bekannten

Einteilung nach "Funktion"

Es gibt drei für Elementarteilchen relevante Die starke die schwache und die elektromagnetische Wechselwirkung . Diese Wechselwirkungen werden in Quantenfeldtheorien ( Quantenchromodynamik Glashow-Weinberg-Salam-Modell der elektroschwachen Wechselwirkung Quantenelektrodynamik ) beschrieben. (Die Gravitation kann man vernachlässigen.)

Je nach der Wechselwirkung an der Elementarteilchen teilnimmt wird ihm eine Ladung (starke (oder Farbladung) schwache Ladung elektrische Ladung) zugeordnet. Wechselwirkung innerhalb jeder dieser drei Typen wird wechselwirkungsspezifischen Austauschteilchen oder Botenteilchen so genannten Eichbosonen vermittelt. Diese auch "intermediäre Bosonen" genannten zeichnen sich immer durch einen ganzzahligen Spin

In diesem Sinne unterscheidet man zwischen eigentlichen "Bausteinen" der Materie und den zwischen Bausteinen vermittelnden Elementarteilchen.

Beispiele für erstere sind Atombausteine ( Proton Neutron Elektron ). Eine ausführlichere Behandlung folgt weiter unten.

Die Eichbosonen der drei Wechselwirkungen sind Gluon (starke Wechselwirkung) die Z- und W-Bosonen (schwache Wechselwirkung) und das Photon (elektromagnetische Wechselwirkung).

Interessanterweise tragen die Gluonen selbst wieder starke Ladung so dass sie nicht nur der starken Wechselwirkung sind sondern ihr auch Die W-Bosonen der schwachen Wechselwirkung tragen eine Ladung und wechselwirken demnach auch elektromagnetisch.

Einteilung nach Wechselwirkung

Die kleinsten Bausteine der Materie lassen am einfachsten in zwei Gruppen unterteilen: Teilchen der starken Wechselwirkung unterliegen und Teilchen die starken Wechselwirkung nicht unterliegen.

Teilchen die der starken Wechselwirkung unterliegen als Hadronen bezeichnet. Nach der Theorie der Quantenchromodynamik sind sie aus elementaren Quarks zusammengesetzt die durch die Träger der Wechselwirkung die Gluonen zusammengehalten werden.

Insofern sind Quarks die grundlegenden stark Materiebausteine; sie besitzen den Spin 1/2. Bekannte sind das Proton und das Neutron.

Teilchen die der starken Wechselwirkung nicht werden als Leptonen bezeichnet. Die Theorie der Elektroschwachen Wechselwirkung behandelt die Leptonen als elementare Teilchen.

Bekannte Leptonen sind das Elektron das Myon und die Neutrinos . Alle Leptonen besitzen den Spin 1/2.

Unteilbare und zusammengesetzte Elementarteilchen

Die unteilbaren Elementarteilchen sind hinreichend alle Elementarteilchen zu erklären. Man betrachtet heute Quarks Leptonen sowie Eichbosonen als unteilbar. Quarks und haben alle einen Spin von 1/2; alle besitzen einen Spin von 1.

Zusammengesetzte Elementarteilchen entstehen aus der Kombination Quarks (Baryon Spin 1/2 oder 3/2) oder der Kombination eines Quarks mit einem Antiquark Meson Spin 0 oder 1). Das Proton das Neutron sind Baryonen das Pion und das Kaon sind Mesonen.

Einteilung nach Spin

Systeme von Elementarteilchen zeigen unterschiedliches (statistisches) je nachdem ob sie halb- oder ganzzahligen besitzen.

Elementarteilchen mit ganzzahligem Spin (Eichbosonen Mesonen) als Bosonen bezeichnet. Elementarteilchen mit halbzahligem Spin (Leptonen werden als Fermionen bezeichnet.

Einteilung - Zusammenfassung

Austauschteilchen ... sind Bosonen
Leptonen ... sind Fermionen
Hadronen Mesonen ... sind Bosonen
Baryonen ... sind Fermionen

Quantenfeldtheorien beschreiben die Wechselwirkung der 'elementarsten' bekannten (Quarks Leptonen) durch Austauschteilchen ( Photon Gluon Z-Boson W-Boson ). Innerhalb der Quantenfeldtheorien können sich Elementarteilchen bestimmten Regeln (Erhaltung von Energie Ladung Spin ) ineinander umwandeln.

Bekannte Elementarteilchen

Leptonen und Quarks

Familie Teilchen Masse·c 2 el. Ladung (e)   Baryonenzahl  Wechselwirkungen
1. Familie  Elektron (e) 511 keV -1 0 elektromagnetisch schwach
Elektron-Neutrino (ν e <7 eV 0 0 schwach
Up-Quark (u) 5 MeV 2/3 1/3 elektromagnetisch stark schwach 
Down-Quark (d) 10 MeV -1/3 1/3 elektromagnetisch stark schwach
2. Familie Myon (μ) 0 16 GeV -1 0 elektromagnetisch schwach
Myon-Neutrino (ν μ ) <0 3 MeV 0 0 schwach
Charme-Quark (c) 1 5 GeV 2/3 1/3 elektromagnetisch stark schwach 
Strange-Quark (s) 2 MeV -1/3 1/3 elektromagnetisch stark schwach
3. Familie Tau (τ) 1 8 GeV -1 0 elektromagnetisch schwach
Tau-Neutrino (ν τ ) <30 MeV  0 0 schwach
Top-Quark (t) 1 8 GeV 2/3 1/3 elektromagnetisch stark schwach
Bottom-Quark (b) 4 7 GeV -1/3 1/3 elektromagnetisch stark schwach

Die oben genannten Quarks kommen in drei "Ausführungen" vor die sich durch die Farbladung unterscheiden jeweils ein rotes blaues und (die Farbladung hat nichts mit der sichtbaren zu tun).

Für top- und bottom-Quark sind auch Namen truth- und beauty-Quark gebräuchlich.

Zu jedem der oben genannten Fermionen es ein Antiteilchen. Das Antiteilchen des Elektrons Positron bei den anderen Teilchen wird einfach Silbe "Anti-" vor den Namen gesetzt (bzw. Neutrinos vor das Wort "Neutrino" also z.B. nicht Antimyon-Neutrino). Beim Neutrino könnte es jedoch sein dass es mit seinem Antiteilchen identisch Wenn dies der Fall ist sollte es neutrinolosen doppelten Betazerfall geben.

Eichbosonen

(in Klammern: Teilchen vermutet noch nicht
Teilchen Masse·c 2 Spin e|  vermittelte Wechselwirkung 
Photon 0 1 0 elektromagnetische Kraft
Z 0 ca. 91 GeV 1 0 schwache Kraft
W + ca. 80 GeV 1 1
W - ca. 80 GeV 1 -1
Gluon 0 1 0 starke Kraft (Farbkraft)
(Graviton)  0 2 0 Gravitation
(Higgs) zwischen ca. 60 GeV und ca. 0 0 -----

Es gibt insgesamt 8 Gluonen die in ihrer Farbladung unterscheiden. Das Antiteilchen eines ist ein anderes Gluon.

Von den anderen elementaren Bosonen gibt jeweils nur eines. W + ist das Antiteilchen zu W - die ungeladenen Bosonen sind ihre eigenen

Mesonen (Auswahl)

Teilchen Quarks Masse·c 2 mittlere Lebensdauer e| strangeness Antiteilchen
Positives Pion π + u d  139 MeV 2 6·10 -8 s + 1 0 Negatives Pion
Negatives Pion π - u d - 1 0 Positives Pion
Neutrales Pion π 0 u u +d d  135 MeV 8 3·10 -17 s 0 0  
Positives Kaon K + u s  494 MeV 1 2·10 -8 s + 1 + 1 Negatives Kaon
Negatives Kaon K - u s - 1 - 1 Positives Kaon
Neutrales Kaon K 0 d s  498 MeV 5 2·10 -8 s und 8 9·10 -11 s 0 + 1 Anti-Kaon
Anti-Kaon K 0 d s 0 - 1 Neutrales Kaon
Jot-Psi J/Ψ c c 3097 MeV 0 8·10 -20 s 0 0  
Ypsilon Y b b 9460 MeV 1 3·10 -20 s 0 0  

In der Tabelle wird für das des Anti-Kaons der Unterstrich verwendet. In Büchern dafür (der in HTML nicht darstellbare) Überstrich

In der Spalte Quarks werden Anti-Quarks und rot dargestellt.
Das neutrale Pion stellt quantenmechanisch eine Überlagerung zweier verschiedener Quark-Kombinationen dar.

Neutrales Kaon und Anti-Kaon kommen jeweils zwei Versionen mit unterschiedlicher Lebensdauer vor.

Neutrales Pion Jot-Psi und Ypsilon sind ihr eigenes Anti-Teilchen.

Baryonen (Auswahl)

Teilchen Quarks Masse·c 2 mittlere Lebensdauer Spin e| stra. charme
Proton p uud  938 3 MeV stabil oder > 10 32 Jahre 1/2 + 1 0 0
Neutron n udd  939 6 MeV 887 s (als freies Neutron) 1/2 0 0 0
Lambda Λ uds 1116 MeV 2 6·10 - 10 s 1/2 0 - 1 0
Sigma-Plus Σ + uus 1189 MeV 0 8·10 - 10 s 1/2 + 1 - 1 0
Sigma-Null Σ 0 uds 1192 MeV 5 8·10 - 20 s 1/2 0 - 1 0
Sigma-Minus Σ - dds 1197 MeV 1 5·10 - 10 s 1/2 - 1 - 1 0
Xi-Null Ξ 0 uss 1315 MeV 2 9·10 - 10 s 1/2 0 - 2 0
Xi-Minus Ξ - dss 1321 MeV 1 6·10 - 10 s 1/2 - 1 - 2 0
Omega-Minus Ω - sss 1671 MeV 0 9·10 - 10 s 3/2 - 1 - 3 0
Lambda-C-Plus Λ C + udc 2282 MeV 2 3·10 - 13 s 1/2 + 1 0 + 1

Quellen und Weblinks




Bücher zum Thema Elementarteilchen

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