Elementarteilchen
In der Physik ist ein Elementar- oder Elementarteilchen ein Teilchen, das nicht aus anderen Teilchen besteht.
Ein Elementarteilchen kann eine von zwei Gruppen sein: ein Fermion oder ein Boson. Fermionen sind die Bausteine der Materie und haben Masse, während sich Bosonen als Kraftträger für Fermionen-Wechselwirkungen verhalten und einige von ihnen keine Masse haben. Das Standardmodell ist die am meisten akzeptierte Methode, um zu erklären, wie sich Teilchen verhalten und welche Kräfte auf sie wirken. Nach diesem Modell werden die Elementarteilchen weiter in Quarks, Leptonen und Eichbosonen gruppiert, wobei das Higgs-Boson einen besonderen Status als Nicht-Eichboson hat.
Von den Teilchen, aus denen ein Atom besteht, ist nur das Elektron ein Elementarteilchen. Protonen und Neutronen bestehen jeweils aus 3 Quarks, was sie zu Verbundteilchen macht, also zu Teilchen, die aus anderen Teilchen bestehen. Die Quarks sind durch die Gluonen miteinander verbunden. Der Kern hat Boson-Pion-Felder, die für die starke Kernkraft verantwortlich sind, die Protonen und Neutronen gegen die elektrostatische Abstoßung zwischen den Protonen bindet. Solche virtuellen Pionen bestehen aus Quark-Antiquark-Paaren, die wiederum durch Gluonen zusammengehalten werden.
Es gibt drei grundlegende Eigenschaften, die ein Elementarteilchen beschreiben: 'Masse', 'Ladung' und 'Spin'. Jeder Eigenschaft ist ein Zahlenwert zugeordnet. Für Masse und Ladung kann die Zahl Null sein. Zum Beispiel hat ein Photon eine Masse von Null und ein Neutrino eine Ladung von Null. Diese Eigenschaften bleiben für ein Elementarteilchen immer gleich.
- Messe: Ein Teilchen hat Masse, wenn es Energie benötigt, um seine Geschwindigkeit zu erhöhen oder es zu beschleunigen. Die nebenstehende Tabelle gibt die Masse jedes Elementarteilchens an. Die Werte sind in MeV/c2s angegeben (d.h. ausgeprägt in Megaelektronenvolt zum Quadrat von "c"), d.h. in Einheiten von Energie zum Quadrat der Lichtgeschwindigkeit. Dies stammt aus der Speziellen Relativitätstheorie, die besagt, dass die Energie gleich der Masse mal dem Quadrat der Lichtgeschwindigkeit ist. Alle Teilchen mit Masse erzeugen Gravitation. Alle Teilchen werden von der Schwerkraft beeinflusst, auch Teilchen ohne Masse wie das Photon (siehe Allgemeine Relativitätstheorie).
- Elektrische Ladung: Partikel können eine positive Ladung haben, oder eine negative, oder keine. Wenn ein Teilchen eine negative Ladung und ein anderes Teilchen eine positive Ladung hat, werden die beiden Teilchen voneinander angezogen. Wenn die beiden Teilchen beide eine negative Ladung oder beide eine positive Ladung haben, werden die beiden Teilchen auseinander geschoben. Bei kurzen Entfernungen ist diese Kraft viel stärker als die Schwerkraft, die alle Teilchen zusammenzieht. Ein Elektron hat die Ladung -1, ein Proton die Ladung +1. Ein Neutron hat eine durchschnittliche Ladung 0. Normale Quarks haben eine Ladung von ⅔ oder -⅓.
- Spin: Der Drehimpuls oder die konstante Drehung eines Teilchens hat einen bestimmten Wert, der als Spinzahl bezeichnet wird. Der Spin für Elementarteilchen ist eins oder ½. Die Spineigenschaft von Teilchen bezeichnet nur das Vorhandensein eines Drehimpulses. In Wirklichkeit drehen sich die Teilchen nicht.
Masse und Ladung sind Eigenschaften, die wir im täglichen Leben sehen, denn Schwerkraft und Elektrizität beeinflussen Dinge, die Menschen sehen und berühren. Aber der Spin wirkt sich nur auf die Welt der subatomaren Teilchen aus, so dass er nicht direkt beobachtet werden kann.
Standardmodell der Elementarteilchen. 1 GeV/c2 = 1,783x10-27 kg. 1 MeV/c2 = 1,783x10-30 kg.
Fermionen
Fermionen (benannt nach dem Wissenschaftler Enrico Fermi) haben eine Spinzahl von ½ und sind entweder Quarks oder Leptonen. Es gibt 12 verschiedene Arten von Fermionen (Antimaterie nicht eingeschlossen). Jede Art wird als "Geschmack" bezeichnet. Die Geschmacksrichtungen sind:
- Quarks: oben, unten, Charme, seltsam, oben, unten. Quarks gibt es in drei Paaren, die "Generationen" genannt werden. Die erste Generation (up und down) ist die leichteste und die dritte (top und bottom) die schwerste. Ein Mitglied jedes Paares (up, charm und top) hat eine Ladung von ⅔. Das andere Mitglied (unten, strange und unten) hat eine Ladung -⅓.
- Leptone: Elektron, Myon, Tau, Elektron-Neutrino, Myon-Neutrino, Tau-Neutrino. Die Neutrinos haben die Ladung 0, daher das Neutrino-Präfix. Die anderen Leptonen haben die Ladung -1. Jedes Neutrino ist nach seinem entsprechenden ursprünglichen Lepton benannt: Elektron, Myon und Tau.
Sechs der 12 Fermionen sollen ewig halten: Up- und Down-Quarks, das Elektron und die drei Arten von Neutrinos (die ständig ihren Geschmack wechseln). Die anderen Fermionen zerfallen. Das heißt, sie zerfallen im Bruchteil einer Sekunde nach ihrer Entstehung in andere Teilchen. Die Fermi-Dirac-Statistik ist eine Theorie, die beschreibt, wie sich Sammlungen von Fermionen verhalten. Im Wesentlichen können Sie nicht mehr als ein Fermion zur gleichen Zeit am gleichen Ort haben.
Bosonen
Bosonen, benannt nach dem indischen Physiker Satyendra Nath Bose, haben Spin 1. Obwohl die meisten Bosonen aus mehr als einem Teilchen bestehen, gibt es zwei Arten von elementaren Bosonen:
- Eichbosonen: Gluonen, W+-und W--Bosonen, Z0-Bosonen und Photonen. Diese Bosonen tragen 3 der 4 fundamentalen Kräfte und haben eine Spinzahl von 1;
- Gluon: Gluonen sind masselose und kohlefreie Teilchen, und sie sind die Träger der starken Kraftwechselwirkung. Zusammen mit den Quarks verbinden sie sich zu zusammengesetzten Teilchen, den Hadronen, zu denen Protonen und Neutronen gehören.
- W- und Z-Bosonen: W- und Z-Bosonen sind Teilchen, die die schwache Kraft tragen. Das W-Boson hat ein Materieteilchen (W+) und ein Antimaterieteilchen (W-), während das Z-Boson sein eigenes Antiteilchen ist. Das W-Boson wird beim Betazerfall erzeugt, verwandelt sich aber fast sofort in ein Neutrino und ein Elektron. Das W- und das Z-Boson wurden beide 1983 entdeckt.
- Photon: Photonen sind massen- und ladungslose Teilchen, die die elektromagnetische Kraft tragen. Photonen können eine bestimmte Frequenz haben, die bestimmt, welche elektromagnetische Strahlung sie sind. Wie alle anderen masselosen Teilchen bewegen sie sich mit Lichtgeschwindigkeit (300.000 km/s).
- Higgs-Boson: Physiker glauben, dass massive Teilchen aufgrund der Higgs-Wechselwirkung Masse haben (d.h. sie sind keine reinen Energiebündel wie Photonen).
Das Photon und die Gluonen haben keine Ladung und sind die einzigen Elementarteilchen, die mit Sicherheit eine Masse von 0 haben. Das Photon ist das einzige Boson, das nicht zerfällt. Die Bose-Einstein-Statistik ist eine Theorie, die beschreibt, wie sich Bosonensammlungen verhalten. Im Gegensatz zu Fermionen ist es möglich, mehr als ein Boson zur gleichen Zeit im gleichen Raum zu haben.
Das Standardmodell umfasst alle oben beschriebenen Elementarteilchen. Alle diese Partikel wurden im Laboratorium beobachtet.
Das Standardmodell spricht nicht über die Schwerkraft. Wenn die Schwerkraft wie die drei anderen fundamentalen Kräfte wirkt, dann wird die Schwerkraft von dem hypothetischen Boson, dem Graviton, getragen. Das Graviton muss erst noch gefunden werden, deshalb ist es in der obigen Tabelle nicht enthalten.
Das erste Fermion, das entdeckt wurde, und das, über das wir am meisten wissen, ist das Elektron. Das erste Boson, das entdeckt wurde, und auch das, über das wir am meisten wissen, ist das Photon. Die Theorie, die am genauesten erklärt, wie das Elektron, das Photon, der Elektromagnetismus und die elektromagnetische Strahlung zusammenwirken, heißt Quantenelektrodynamik.
Fragen und Antworten
F: Was sind Elementarteilchen?
A: Elementarteilchen sind Teilchen, die nicht aus anderen Teilchen bestehen.
F: Zu wie vielen Gruppen gehören die Elementarteilchen?
A: Elementarteilchen können einer von zwei Gruppen angehören: Fermionen oder Bosonen.
F: Was ist das Standardmodell?
A: Das Standardmodell ist die am meisten akzeptierte Methode zur Erklärung des Verhaltens von Teilchen und der Kräfte, die sie beeinflussen.
F: Wie werden die Elementarteilchen nach dem Standardmodell gruppiert?
A: Nach dem Standardmodell werden die Elementarteilchen in Quarks, Leptonen und Eichbosonen unterteilt, wobei das Higgs-Boson einen besonderen Status als Nicht-Gau-Boson hat.
F: Gelten Protonen und Neutronen als Elementarteilchen?
A: Nein, Protonen und Neutronen gelten nicht als Elementarteilchen, da sie jeweils aus 3 Quarks bestehen, was sie zu zusammengesetzten Teilchen macht - was bedeutet, dass sie aus anderen, kleineren Teilchen zusammengesetzt sind.
F: Welche Eigenschaften beschreiben ein Elementarteilchen?
A: Es gibt drei grundlegende Eigenschaften, die ein Elementarteilchen beschreiben - Masse, Ladung und Spin - jeder Eigenschaft ist ein Zahlenwert zugeordnet.
F: Wirkt sich die Schwerkraft auf alle Arten von Teilchen aus, auch auf solche ohne Masse wie Photonen?
A: Ja, alle Arten von Teilchen, auch solche ohne Masse wie Photonen, erfahren aufgrund der allgemeinen Relativitätstheorie Schwerkraft.
