Teilchen, der Diminutiv von Teil, wird vor allem in zwei Zusammenhängen verwendet. Ein Teilchen ist
Diese Seite ist vor allem letzterem gewidmet. Hierzu möchte ich aber von einem süßen Teilchen ausgehen. Diese sind oft mit Zucker bestreut. Zucker ist ein aus Molekülen aufgebauter Kristall, man kommt also mit ein wenig Phantasie in wenigen Schritten von den einen Teilchen zu den anderen.
Ein Kristall ist eine regelmäßige Anordnung von immer gleichen Bausteinen. Das kann man zum einen daran erkennen, dass immer die gleichen Winkel vorkommen. Ein Eiskristall zeigt sechseckige Formen, ein Salzkristall ist eher rechtwinklig. In der experimentellen Physik kann man sie Struktur von Kristallen mit Röntgenbeugung oder Neutronenstreuung aufklären. Röntgenstrahlen, die an Kritallen abgelenkt werden, zeigen charakteristische Muster, aus denen man die Abstände der Bausteine im Kristall und deren Winkel erkennen kann. Die Abstände liegen im Bereich von 0,0000001 Millimetern, diese Längeneinheit wird auch Ångström genannt. Die Bausteine der Kristalle sind eigentlich schon die Atome, wenn man Kristalle jedoch in Flüssigkeiten auflöst oder mit Hitze verdampft, so zerfallen sie meist in Moleküle.
Ein Molekül ist eine Einheit fest miteinander verbundener Atome. Die einfachsten Moleküle bestehen aus je zwei gleichartigen Atomen. Hierzu gehören zum Beispiel der Stickstoff und der Sauerstoff der Luft. Moleküle können aber auch aus vielen tausenden Atomen bestehen. Beispiele für große Moleküle sind die Polymere in Kunstfasern oder die DNS, die das Erbgut der Lebewesen bildet.
Das Wort Atom bedeutet unteilbar und weist schon darauf hin, dass es viel schwerer ist ein Atom in seine Bestandteile zu zerlegen als ein Molekül. Das Atom ist aus einem sehr stabilen Atomkern aufgebaut, um dem sich sehr leichte Elektronen befinden. Ein Sauerstoffatom hat acht Elektronen, ein Eisenatom 26 und Uranatome sind mit 92 Elektronen ausgestattet. Einem Atom kann man einelne Elektronen entreißen. Diese holt es sich aber durch die elektrische Anziehungskraft wieder, so dass man zugeben muss, dass ein Atom mit chemischen Methoden wirklich nicht teilbar ist.
Den Kern des Atoms kann man nur mit hohem Energieaufwand in seine Bestandteile (Teilchen) zerlegen. Hierzu werden Atomkerne mit Teilchen aus radioaktiven Quellen beschossen oder in großen Beschleunigern zur Kollision miteinander gebracht. Die Teilchen, die man als Kernbausteine identifiziert hat, heißen Nukleonen.
Es gibt zwei Arten von Nukleonen: Elektrisch geladene Protonen und neutrale Neutronen. Beide sind unteilbar aber nicht strukturlos. Sie bestehen aus den Elementarteilchen, die man Quarks getauft hat.
Das elektrisch positiv geladene Proton besteht aus zwei Up-Quarks und einem Down-Quark. Die Zahl der Protonen im Atomkern bestimmt die Zahl der Elektronen, die ein Atom anzieht, und damit seine chemischen Eigenschaften.
Das Neutron besteht aus einem Up-Quark und zwei Down-Quarks. Es trägt zum Atomkern nicht nur Masse bei sondern sorgt auch für Stabilität. Die meisten Atome enthalten mehr Neutronen als Protonen. Ein freies Neutron ist jedoch nicht stabil. Es zerfält indem sich eines seiner Down-Quarks spontan in ein Up-Quark umwandelt und dabei ein Elektron und ein sogenanntes Neutrino abgibt.
Nun kommen wir endlich zu den Teilchen, die nach heutigem Wissen nicht weiter zerlegt werden können, also elementar sind. Die Elementarteilchen, aus denen die Materie besteht, sind das Elektron, das Up-Quark und das Down-Quark. Davon kommt aber nur das Elektron als freies Teilchen vor. Die Quarks sind Strukturen in den Nukleonen, die nur aus Streuexperimenten an Nukleonen und Atomkernen bekannt sind.
Das Elektron ist das älteste Bekannte Elementarteilchen. Es ist elektrisch negativ geladen. Seine Ladungsmenge ist die Elementarladung und gleicht sich gerade mit der positiven Ladung des Protons aus. Elektronen sind für die chemischen Bindungen, für alle elektrischen Effekte und auch für die Stabilität der Materie verantwortlich.
Das Up-Quark trägt zur Ladung der Nukleonen mit 2/3 positver Elementarladung bei. Dies steht scheinbar im Widerspruch zur Beobachtung, dass in der Natur nur ganze Elementarladungen auftreten. Muss man also dazu übergehen 1/3 der Elementarladung als elementar anzusehen? Bisher ist es nie gelungen, Nukleonen in Quarks aufzuspalten. Freie Teilchen mit dritteln der Elementarladung existieren nicht. Wir können also beim Begriff Elementarladung bleiben.
Das Down-Quark trägt zur Ladung der Nukleonen mit 1/3 negativer Elementarladung bei.
Obwohl in gewöhnlicher Materie nur Up- und Down-Quarks vorkommen, gibt es noch zwei weitere Quarkpaare, die in Teilchenbeschleunigern erzeugt werden können. Die drei Quarkfamilien sind:
Dass Protonen und Neutronen aus je drei Quarks bestehen ist richtig aber stark vereinfacht. Unterucht man Protonen genauer, indem man sie bei DESY in Hamburg mit Elektronen beschießt, so entdeckt man viel mehr Quarks und dazu die verbindenden Gluonen. Protonen und Neutronen sind also komplizierte Gebilde und Quarks kommen nicht nur nie einzeln vor, sie sind ausserdem immer von einer Wolke aus Quarks und Gluonen umgeben, dem Quarksee.
Mehr über Teilchen gibt es in der Quantenwelt.
Eine Seite von Joachim Schulz
Seite erstellt: 17.10.2006