#1

Elementarteilchen

in Kompendium 29.03.2011 18:16
von qwert • Administrator | 90 Beiträge

(Aus meinem Astronomie-Referat über Antimaterie...)

Quarks
Quarks sind Elementarteilchen, also kleinstmögliche Teilchen. Aus diesen setzen sich z.B. Protonen und Neutronen zusammen, ähnlich wie Atomkerne aus Nukleonen und Moleküle aus Atomen. Alle Quarks tragen eine Ladung, diese beträgt entweder 2/3 oder -1/3, wobei 1 die Elementarladung ist (die des Protons, da positiv).
Von den 6 (bekannten) Quarks sind die "Up"- und die "Down"-Quarks (in "unserer Welt") am häufigsten, da diese Bestandteile der Nukleonen sind. Diese setzen sich aus jeweils drei Quarks zusammen. Daraus, dass das Up-Quark positiv ist, lässt sich die Zusammensetzung beider Teilchen berechnen (die Ladungen addieren sich dabei). Dies als kleine Übungsaufgabe, die Lösung schreibe ich jetzt gar nicht erst auf.
Da ich annehme, dass ihr halbwegs an diesem Thema interessiert seid: Die beiden Zusammensetzungen solltet ihr euch am besten merken.

Quark-Arten
Zwei Arten wurden bereits genannt, hier die komplette Liste:
Up
Down
Strange
Charm
Top
Bottom
(Während des Vortrages spazierten Herr Ribbeck und Herr Barthel durch den Raum. Ersterer nannte drei weitere Quark-Arten, die ich hier der Vollständigkeit halber auflisten möchte, allerdings mit dem ausdrücklichen Hinweis, dass diese keineswegs in die Definition eines Elementarteilchens passen: Speisequark, Fruchtquark und Kräuterquark)
Up-Quark
Der Name des Up-Quarks ist auf dessen Isospin zurückzuführen.
Isospin
Der Isospin ist eine Eigenschaft der Elementarteilchen, die im Prinzip frei erfunden ist, allerdings als Drehimpuls behandelt wird (Man könnte die Teilchen genauso gut als rot, grün oder blau bezeichnen - Tut man auch!). Der Versuch, sich den Isospin als sichtbare Größe an einem kugelförmigen Elementarteilchen vorzustellen, könnte zu Hirnverschmorungen führen und ist daher tunlichst zu unterlassen.
Da dieser Pseudo-Drehimpuls jedoch vektoriell ist, lässt er sich im dreidimensionalen kartesichen Koordinatensystem darstellen. Die dritte Komponente (die auf der z-Achse) ist bei den Up-Quarks 1/2, d.h. positiv, d.h. "nach oben" gerichtet. Also eigentlich ein vollkommen unsinniger Name.
Down-Quark
Das Down-Quark ist das Gegenstück zum Up-Quark (nicht dessen Anti-Teilchen, das wäre das Anti-Up-Quark bzw. das Up-Anti-Quark). Dessen dritte Komponente des Isospins ist -1/2, daher der Name...
Hinweis: Da nur diese dritte Komponente entscheidend ist, sagt man oft vereinfachend, der (gesamte) Isospin des Down-Quarks sei 1/2.
Strange-Quark
Das Strange-Quark wurde eingeführt, als die Zusammensetzung einiger aus Quarks bestehender Teilchen nicht länger über Up- und Down-Quarks zu erklären war. Der Name Strange ist daher naheliegend.
Übrigens heißt Materie, die Strange-Quarks enthält, "Seltsame Materie".
Charm-Quark
Verhält sich zu dem Strange-Quark wie das Up-Quark zum Down-Quark.
Top-Quark
Das schwerste aller bekannten Elementarteilchen. Mit einer Masse von ca. 184u ist es etwa so schwer wie ein Wolfram-Atom und in der Größenordnung eines Goldatoms.
Teilchen, zu deren Bestandteilen Top-Quarks zählen, existieren nicht, da diese bereits nach 10-25 Sekunden zerfallen, die Bildung anderer Teilchen (Hadronisierung) erfolgt dagegen erst nach 10-23 Sekunden.
Selten auch Truth-Quark.
Bottom-Quark
Zu t wie d zu u bzw. wie s zu c, selten auch Beauty-Quark. (Um auf Herrn Barthel einzugehen, dessen Kommentar unmittelbar auf den von Herrn Ribbeck folgte: Es existieren keinerlei Ugly-Quarks)

Hier eine Tabelle mit den Eigenschaften der Quarks:

NameLadung / eIsospinMasse / MeV/c²
Up2/31/22,5 ± 1
Down-1/3-1/25 ± 1
Charm2/31/21270
Strange-1/3-1/2100 (± 25)
Top2/31/2172000
Bottom-1/3-1/24190

u und d werden zur 1. Generation zusammengefasst, s und c zur 2. und t und b zur 3.
Die Ladung lässt sich darüber merken, dass das Quark einer Generation, das weniger Buchstaben besitzt, positiv geladen ist.

Hadronen
Hadronen sind Teilchen, die sich (nur) aus Quarks zusammensetzen. Sie werden dennoch als Elementarteilchen bezeichnet.
Die Einteilung erfolgt in Mesonen (aus einem Quark und einem Anti-Quark) und Baryonen (aus drei Quarks) (dazu die Anti-Baryonen aus drei Anti-Quarks).
Beispiele:
Die Pionen sind Mesonen, dabei besteht das positive aus einem Up- und einem Anti-Down-Quark (\pi^+: u\bar d), das negative ist das Antiteilchen zum positiven (\pi^-: \bar ud)

Elementarteilchen I
Eine mögliche Einteilung:
Quarks
-> Hadronen
---> Mesonen
---> Baryonen
Eichbosonen
Leptonen
Higgs-Boson

Die drei unteren sind dabei neu:
Eichbosonen
Dies sind die Übertrager der vier Grundkräfte der Physik:
Photonen
elektromagnetiche Wechselwirkung (Licht): Vereinfacht als Magnetfelder und elektrische Felder die einander durch ihr Zusammenfallen wieder aufbauen. Diese Darstellung ist allerdings nicht immer korrekt, es ist auch möglich, dass z.B. beide Felder gleichzetig verschwinden.
Gravitonen
Gravitation
Gluonen
starke Wechselwirkung. Verantwortlich für den Zusammenhalt von Nukleonen/Quarks im Atomkern/Hadron.
W-/Z-Bosonen
W-Bosonen stets geladen, Z-Bosonen neutral.
schwache Wechselwirkung. Verantwortlich für radioaktive Zerfälle und (stellare) Kernfusionen. Name aufgrund der geringen Reichweite.
Leptonen
sind die "restlichen Elementarteilchen", diejenigen, die nicht der starken Wechselwirkung unterliegen (d.h. keine Gluonen austauschen).
Zu den Leptonen gehören die Elektronen, Myonen und Tauonen und deren Neutrinos. Myonen und Tauonen sind "schwerere Elektronen", ein Elektron-Neutrino ist ein "neutrales Elektron".

Higgs-Boson
Das Higgs-Boson als momentan einziges rein hypothetisches und nicht nachgewiesenes Elementarteilchen ist separat aufgeführt, wäre den Eichbosonen jedoch noch am nähsten.
Higgs-Mechanismus
Diese Theorie besagt, dass das gesamte Universum von einem Higgs-Feld durchzogen ist. Bewegt sich darin Materie (Aufenthalt genügt eigentlich bereits), wird das Feld gestört und verleiht den ursprünglich masselosen Teilchen Masse (vergleichbar mit Reibung).
Die Higgs-Bosonen sind mit diesem Feld gekoppelt, verhalten sich also zu diesem wie die Eichbosonen zu ihren jeweiligen Feldern. Higgs-Bosonen können jedoch nicht als Eichbosonen bezeichnet werden, da zu diesen nur die Übertrager der vier Grundkräfte zählen.

Elementarteilchen II
Eine andere (bessere) Einteilung:
Fermionen
-> Leptonen
-> Quarks
-> Baryonen
Bosonen
->Mesonen
-> Eichbosonen
-> Higgs-Boson

Spin
Diese Einteilung erfolgt nach dem Spin.
Dieser ist als Eigendrehimpuls eines Teilchens zu verstehen. Bosonen sind diejenigen Elementarteilchen, deren Spin einen ganzzahligen (0 auch möglich) Wert hat, bei den Fermionen ist dieser halbzahlig. (Quarks haben stets einen Spin von 1/2, somit sind Baryonen Fermionen und Mesonen Bosonen)



Die Texte sind weitesgehend aus dem Referat übernommen, auf Anti-Teilchen wurde hier allerdings etwas weniger eingegangen. Erweiterungen möglich.


Ché Netzer
Humboldt-Gymnasium Berlin-Tegel


"Mit der Schulpolitik geht es nicht mehr den Bach runter. Nein, sie ist längst in einem Meer aus Reformen versunken und wird von den Finanzhaien zerfressen."

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