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 ihrer Kleinheit treten in den Eigenschaften und Reaktionen der subatomaren Teilchen quantenphysikalische Phänomene deutlich zutage, z. B. der Welle-Teilchen-Dualismus, die Unschärferelationen, Vakuumfluktuationen und Erzeugungs- bzw. Vernichtungsprozesse.

Arten von subatomaren Teilchen

Elementarteilchen

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Elementarteilchen des Standardmodells

Bei den bestätigten Elementarteilchen des Standardmodells unterscheidet man:

Zusammengesetzte Teilchen

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

Fermionen und Bosonen

Besetzungszahl Fehler beim Parsen (MathML mit SVG- oder PNG-Rückgriff (empfohlen für moderne Browser und Barrierefreiheitswerkzeuge): Ungültige Antwort („Math extension cannot connect to Restbase.“) von Server „https://wikimedia.org/api/rest_v1/“:): {\displaystyle \langle n \rangle} 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 Fehler beim Parsen (MathML mit SVG- oder PNG-Rückgriff (empfohlen für moderne Browser und Barrierefreiheitswerkzeuge): Ungültige Antwort („Math extension cannot connect to Restbase.“) von Server „https://wikimedia.org/api/rest_v1/“:): {\displaystyle T > 0} .

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

Bedeutende Entdeckungen subatomarer Teilchen

Subatomares Teilchen Zusammensetzung theoretisches Konzept experimentell entdeckt Kommentare
Elektron elementar (Lepton) 1874: G. Johnstone Stoney 1897: J. J. Thomson Minimale Einheit für die elektrische Ladung, weshalb Stoney diesen Namen im Jahr 1891 vorgeschlagen hat.[1]
Alphateilchen zusammengesetzt (Atomkern) - 1899: Ernest Rutherford Im Jahre 1907 wurde durch Rutherford und Thomas Royds bestätigt, dass es sich um Heliumkerne handelt.
Photon elementar (Eichboson) 1900: Max Planck 1905: Albert Einstein als Licht (Photoeffekt) oder
1899: Ernest Rutherford als Gammastrahlung 		nötig zum Verständnis des Schwarzkörperproblems der Thermodynamik
Proton zusammengesetzt (Baryon) - 1919: Ernest Rutherford der Kern des Wasserstoffatoms und das erste Nukleon der Atomkerne
Neutron zusammengesetzt (Baryon) 1918, eventuell bereits
1917: Ernest Rutherford 		1932: James Chadwick das zweite Nukleon der Atomkerne
Positron elementar (Antilepton) 1928: Paul Dirac 1932: Carl D. Anderson Antiteilchen des Elektrons, erster Nachweis von Antimaterie
Pion zusammengesetzt (Meson) 1935: Hideki Yukawa 1947: César Lattes, Giuseppe Occhialini und Cecil Powell Pion-Austauschmodell beschreibt Kräfte im Atomkern.
Myon elementar (Lepton) - 1936: Carl D. Anderson -
Kaon zusammengesetzt (Meson) - 1947 Entdeckt in der kosmischen Strahlung. Das erste Teilchen mit einem Strange-Quark.
Lambda-Baryon zusammengesetzt (Baryon) - 1950, möglicherweise aber schon
1947: Universität Melbourne[2] 		das erste entdeckte Hyperon
Neutrino elementar (Lepton) 1930: Wolfgang Pauli, benannt durch Enrico Fermi 1956: Clyde Cowan, Frederick Reines nötig um das Energiespektrum beim Betazerfall zu verstehen
Quarks (up, down, strange) elementar 1964: Murray Gell-Mann, George Zweig - indirekt bestätigt, da dieses Modell den Teilchenzoo erklärt
Charm-Quark elementar (Quark) 1970 1974: sowohl durch Burton Richter et al. am Stanford Linear Accelerator Center[3] als auch Samuel Chao Chung Ting et al. am Brookhaven National Laboratory.[4] Bestandteil des J/ψ-Mesons
Bottom-Quark elementar (Quark) 1973 1977: Fermilab, Gruppe von Leon Max Lederman Bestandteil des Υ-Mesons
W-Bosonen und Z-Boson elementar (Eichboson) 1968: Glashow, Weinberg, Salam 1983: CERN 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 1964: Peter Higgs et al. 2012: CERN spätestens seit 2014 bestätigt[5]

Siehe auch

Literatur

  • 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

  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)
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