Subatomares Teilchen

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Unter einem subatomaren Teilchen versteht man ein Teilchen, das kleiner (aber nicht unbedingt leichter) ist als ein Atom. Mit subatomaren Teilchen beschäftigen sich vor allem die Teilchenphysik und die Kernphysik. Die subatomaren Teilchen können in Elementarteilchen und zusammengesetzte Teilchen unterschieden werden.

Die subatomaren Teilchen wurden im 20. Jahrhundert intensiv untersucht. Aufgrund der Vielfalt an entdeckten Teilchen wurde phasenweise auch vom sogenannten Teilchenzoo gesprochen. Erst durch das Konzept der Quarks gelang es, die interne Struktur der Hadronen zu verstehen. Die Entwicklung mündete im seit knapp 50 Jahren bestehenden Standardmodell.

Aufgrund der Quantennatur kann man sich subatomare Teilchen nicht als klassische Teilchen vorstellen. Vielmehr treten in der physikalischen Beschreibung des Verhaltens und der Reaktionen subatomarer Teilchen Quantenphänomene wie der Welle-Teilchen-Dualismus, die Unschärferelationen, Vakuumfluktuationen und virtuelle Teilchen auf.

Arten von subatomaren Teilchen[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Elementarteilchen[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Elementarteilchen des Standardmodells

Bei den bestätigten Elementarteilchen des Standardmodells unterscheidet man:

Zusammengesetzte Teilchen[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Bei den zusammengesetzten Teilchen ist die Situation komplizierter. Die zusammengesetzten Teilchen, die subatomare Dimensionen haben, bestehen alle aus Kombinationen von Quark-Elementarteilchen. Die Quarks selbst können nicht alleine beobachtet oder gemessen werden, sondern lediglich ihre Zerfallsprodukte. Man unterscheidet:

Auf der atomaren Ebene, also über der subatomaren Ebene, existieren neben den gewöhnlichen Atomen und Molekülen auch die sogenannten exotischen Atome, welche durch Kombination der subatomaren Hadronen und weiteren Elementarteilchen entstehen. Ein Beispiel für ein exotisches Atom ist myonischer Wasserstoff.

Bekannte Beispiele[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Fermionen und Bosonen[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Besetzungszahl als Funktion der Differenz zwischen Energie und chemischem Potential
für Bosonen (Bose-Einstein-Statistik, obere Kurve)
bzw. Fermionen (Fermi-Dirac-Statistik, untere Kurve),
jeweils im Spezialfall der Wechselwirkungsfreiheit und bei konstanter Temperatur .

Eine andere wichtige Unterscheidung der subatomaren Teilchen ist die in Fermionen und Bosonen. Diese Klassen unterscheiden sich in zwei grundlegenden Eigenschaften:

  • In jedem Quantenzustand eines Systems, z. B. eines Atoms, gibt es nur höchstens ein Fermion einer gegebenen Art (siehe Pauli-Prinzip); für Bosonen gilt diese Beschränkung nicht. Dieser Unterschied wird dadurch beschrieben, dass für Fermionen und Bosonen verschiedene Wahrscheinlichkeitsverteilungen gelten, die Fermi-Dirac-Statistik beziehungsweise die Bose-Einstein-Statistik. Der Spin eines Teilchens ist mit der Statistik über das Spin-Statistik-Theorem verknüpft. Somit unterscheiden sich Fermionen und Bosonen auch durch ihre halbzahlige bzw. ganzzahlige Spinquantenzahl.
  • Die elementaren Fermionen, also Leptonen und Quarks, können nur zusammen mit einem Antiteilchen erzeugt oder vernichtet werden. Diese Beobachtung, die die Stabilität von Materie erklärt, wird durch Erhaltungssätze der Teilchenanzahl (Baryonenzahl, Leptonenzahl) beschrieben. Elementare Bosonen können dagegen einzeln entstehen und vergehen.

Alle Bestandteile des Atoms, Proton, Neutron und Elektron, sind Fermionen. Erst das Pauli-Prinzip macht den Aufbau der Atomkerne und der Elektronenhüllen verständlich. Auch bei den Elementarteilchen handelt es sich meist um Fermionen. Lediglich die Eichbosonen (inkl. dem Photon) und das Higgs-Teilchen sind Bosonen. Unter den zusammengesetzten Teilchen gehören die Mesonen zu den Bosonen.

Wichtige Phänomene auf der subatomaren Ebene[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Bedeutende Entdeckungen subatomarer Teilchen[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Subatomares Teilchen Zusammensetzung Theoretisches Konzept Experimentell entdeckt Kommentare
Elektron elementar (Lepton) G. Johnstone Stoney (1874) J. J. Thomson (1897) Minimale Einheit für die elektrische Ladung, weshalb Stoney diesen Namen im Jahr 1891 vorgeschlagen hat.[1]
Alphateilchen zusammengesetzt (Atomkern) - Ernest Rutherford (1899) Im Jahre 1907 wurde durch Rutherford und Thomas Royds bestätigt, dass es sich um Heliumkerne handelt
Photon elementar (Eichboson) Max Planck (1900) Albert Einstein (1905)
oder Ernest Rutherford (1899) als Gammastrahlung
Nötig zum Verständnis des Schwarzkörperproblems der Thermodynamik.
Proton zusammengesetzt (Baryon) - Ernest Rutherford (1919) Der Kern des Wasserstoffatoms und das erste Nukleon der Atomkerne
Neutron zusammengesetzt (Baryon) Ernest Rutherford (etwa 1918) James Chadwick (1932) Das zweite Nukleon der Atomkerne.
Positron elementar (Antilepton) Paul Dirac (1928) Carl D. Anderson (1932) Antiteilchen des Elektrons, erster Nachweis von Antimaterie
Pion zusammengesetzt (Meson) Hideki Yukawa (1935) César Lattes, Giuseppe Occhialini (1947) and Cecil Powell Pion-Austauschmodell beschreibt Kräfte im Atomkern
Myon elementar (Lepton) - Carl D. Anderson (1936) -
Kaon zusammengesetzt (Meson) - 1947 Entdeckt in der kosmischen Strahlung. Das erste Teilchen mit einen Strange-Quark.
Lambda-Baryon zusammengesetzt (Baryon) - Universität Melbourne (1950, möglicherweise sogar schon 1947)[2] Das erste entdeckte Hyperon
Neutrino elementar (Lepton) Wolfgang Pauli (1930), benannt durch Enrico Fermi Clyde Cowan, Frederick Reines (1956) Nötig um das Energiespektrum beim Betazerfall zu verstehen.
Quarks
(up,down,strange)
elementar Murray Gell-Mann, George Zweig (1964) - Indirekt bestätigt, da dieses Modell den Teilchenzoo erklärt
Charm-Quark elementar (Quark) 1970 Burton Richter et al. am Stanford Linear Accelerator Center,[3]
sowie Samuel Chao Chung Ting et al. am Brookhaven National Laboratory.[4] (1974)
Bestandteil des J/ψ-Mesons
Bottom-Quark elementar (Quark) 1973 Fermilab, Gruppe von Leon Max Lederman (1977) Bestandteil des Υ-Mesons
W-Bosonen und Z-Boson elementar (Eichboson) Glashow, Weinberg, Salam (1968) CERN (1983) Eigenschaften in den 1990er Jahren bestätigt
Top-Quark elementar (Quark) 1973 1995 Lebensdauer ist zu kurz, um direkt in einem Hadron nachgewiesen werden zu können
Higgs-Boson elementar Peter Higgs et al. (1964) CERN (2012) Spätestens seit 2014 bestätigt[5]

Siehe auch[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Literatur[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

  • R. P. Feynman und S. Weinberg: Elementary Particles and the Laws of Physics: The 1986 Dirac Memorial Lectures. Cambridge University Press, 1987.
  • Brian Greene: The Elegant Universe. W. W. Norton & Company, 1999, ISBN 0-393-05858-1.
  • Robert Oerter: The Theory of Almost Everything: The Standard Model, the Unsung Triumph of Modern Physics. Plume, 2006.
  • Bruce A. Schumm: Deep Down Things: The Breathtaking Beauty of Particle Physics. Johns Hopkins University Press, 2004, ISBN 0-8018-7971-X..
  • Martinus Veltman: Facts and Mysteries in Elementary Particle Physics. World Scientific, 2003, ISBN 981-238-149-X.
  • G. D. Coughlan, J. E. Dodd und B. M. Gripaios: The Ideas of Particle Physics: An Introduction for Scientists. 3. Auflage, Cambridge University Press, 2006. An undergraduate text for those not majoring in physics.
  • David J. Griffiths: Introduction to Elementary Particles. Wiley, John & Sons, Inc., 1987, ISBN 0-471-60386-4.
  • Gordon L. Kane: Modern Elementary Particle Physics. Perseus Books, 1987, ISBN 0-201-11749-5.

Einzelnachweise[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

  1. Otto Klemperer: Electron Physics: The Physics of the Free Electron. Academic Press, 1959.
  2. The Strange Quark
  3. SLAC-SP-017 Collaboration (J. E. Augustin et al.): Discovery of a Narrow Resonance in e+e Annihilation. In: Physical Review Letters. Band 33, 1974, S. 1406–1408 (online)
  4. E598 Collaboration (J. J. Aubert et al.): Experimental Observation Of A Heavy Particle J. In: Physical Review Letters. Band 33, 1974, S. 1404–1406 (online)
  5. CERN experiments report new Higgs boson measurements. cern.ch (23. Juni 2014)